21世纪以来,中国地下工程建设突飞猛进,导致由地铁盾构施工引起的多种安全事故频发。地铁盾构施工安全灾变机理相当复杂,是一个动态的不确定性问题。因此,准确把握地铁盾构施工全过程安全风险变化规律,分析地铁盾构施工事故演化机理,具有重大理论和现实意义。本文在借鉴国内外相关研究的基础上,首先,分析了地铁盾构施工全过程的工艺流程及作业要点,基于地铁盾构施工安全风险发生机理,建立了安全风险评价指标体系;其次,基于探索因素分析(EFA)与结构方程模型(SEM)相结合的方法,从主观角度探究了地铁盾构施工全过程安全风险变化规律;然后,利用迭代自组织数据(ISODATA)聚类算法,分析了地铁盾构施工安全事件,从客观角度验证了安全风险“浴盆”曲线规律的有效性,确定事故的主要类型为突涌及地表沉降超限。最后,针对突涌及地表沉降超限事故,通过ABAQUS有限元数值分析技术,构建了精细化仿真模型,分析地铁盾构施工突涌事故的风险演化过程;采用蝴蝶结分析(BTA)与模糊贝叶斯网络(FBN)相结合的方法,评估了地铁盾构施工地表沉降超限的安全风险演化过程;根据ABAQUS仿真计算结果及BTA-FBN概率分析结论,制定了相应的安全风险控制措施,有效提高了地铁盾构施工现场安全管理绩效。本文主要研究内容如下:(1)为减少因知识缺乏而产生的地铁盾构施工全过程安全风险认知的不确定性,在分析梳理地铁盾构施工全过程工艺流程及作业要点的基础上,构建了安全风险评价指标体系;依据安全风险评价指标体系,形成了地铁盾构施工全过程安全风险调查问卷;根据现场施工人员主观经验的问卷调查结果,利用探索性因素分析(EFA)和结构方程模型(SEM)方法,拟合得出了地铁盾构施工全过程安全风险“浴盆”曲线规律,实现对地铁盾构施工全过程安全风险分布重点阶段及主导风险因素的可知和预估,为基于ISODATA的地铁盾构施工安全事件聚类研究提供了基本框架。(2)在地铁盾构施工全过程安全风险变化规律分析的基础上,利用ISODATA聚类算法研究了客观发生的地铁盾构施工安全事件(未遂事件及事故),拟合得出了地铁盾构施工全过程安全风险“浴盆”曲线规律,从客观角度验证了基于EFA-SEM的地铁盾构施工全过程安全风险变化规律的有效性。此外,通过聚类分析地铁盾构施工未遂事件及事故,确定了地铁盾构施工事故的主要类型,为后续事故演化机理解析确定主要研究对象。首先,将发生频率高、严重程度低的未遂事件纳入研究范围,扩展数据库的信息来源;其次,根据EFA-SEM模型提取的施工阶段及风险因素基本框架,分析收集的243项安全事件,定义数据库结构所包含类别及变量,形成结构化数据库;最后,通过ISODATA聚类算法建立聚类集群,分析整体数据库变量分布情况,拟合得出地铁盾构施工全过程安全风险“浴盆”曲线;对比分析集群与集群、集群与数据库之间,发生的各种后果严重程度水平,获取集群风险程度的量化结果,确定地铁盾构施工事故的主要类型为突涌及地表沉降超限。(3)根据地铁盾构施工事故主要类型为突涌的结论,探究地铁盾构施工突涌事故演化机理。以XW盾构区间为研究背景,考虑水土流固耦合作用,管片衬砌不连续性,以及管片、注浆层和围岩之间的相互作用,结合3D非线性接触理论,建立了地铁盾构施工突涌事故精细化仿真模型;以不同水头差的变化反映涌水量的动态演化,探究了其对盾构施工中管片接缝的机械和变形性能影响;通过对比分析盾构区间不同阶段突涌事故模型结果,验证了始发-到达为施工安全风险控制重点阶段;依据突涌事故模型计算结果,提出了土体加固深度以及涌水排放量的安全控制措施。(4)根据地铁盾构施工事故主要类型为地表沉降超限的结论,探究地铁盾构施工地表沉降超限事故演化机理。以XW区间盾构隧道工程为例,利用模糊统计试验理论定义“正常地铁盾构施工状态”,从“正常地铁盾构施工状态”样本数据库提取设备故障发生概率;利用专家加权聚集模糊数三角形和梯形方法,获取环境失效、操作失误及多重故障发生概率;结合蝴蝶结分析(BTA)及模糊贝叶斯网络(FBN)方法,将蝴蝶结映射到模糊贝叶斯网络,建立了“正常地铁盾构施工状态”因果网络BTA-FBN评价模型;引入伯恩鲍姆测度(BM)、风险增加当量(RAW)及故障树下行法(FV)三个相应的重要措施,确定了“正常地铁盾构施工状态”地表沉降模型的关键节点;通过对比分析盾构施工不同阶段地表沉降超限BTA-FBN模型结果,验证了始发-到达为施工安全风险控制重点阶段;根据BTA-FBN模型确定的事故动态演化场景的关键节点,制定了地铁盾构施工地表沉降超限的安全控制措施。