近年来,我国城市轨道交通发展迅猛,截至2019年12月,我国大陆轨道交通运营总里程达到6730.27 km,累计投运总车站4038座。城市轨道交通网络不仅分布密集,还将向着城市地下空间深层次逐渐过渡。在这种背景之下,城市新建隧道将不可避免的下穿既有隧道。由于城市地下空间复杂的地质条件,极度敏感的施工环境,使得控制下穿工程中既有隧道的变形变得尤为困难。一旦发生事故,将导致无法估计的经济损失,甚至严重威胁人们的生命安全。因此,控制既有隧道的结构安全以及运营安全成为目前的研究热点。鉴于此,本文以北京地区新建隧道下穿既有隧道工程案例为背景,研究分析下穿工程中既有隧道的变形机理及其控制问题,论文主要研究工作如下:(1)根据北京地区在建及已建26个下穿工程案例,统计分析出北京地区下穿工程的基本特点,总结归纳出既有隧道的变形规律。认为:下穿工程主要分为密贴下穿和近距离下穿两大类;根据既有隧道自身刚度大小,可分为刚性变形和柔性变形;根据施工缝的数量和位置,新建隧道与既有隧道又具有六种不同的空间关系;在不同的空间位置下,既有隧道的变形又可分成“挠曲、转动、错动”这三种变形模式;本文提出的总结规律基本涵盖下穿工程所有特点,可为后续研究既有隧道变形的理论方法提供基础。(2)在离心试验中,采用自主研发的一套隧道开挖“顶推式”模拟系统,研究分析下穿既有暗挖隧道和既有盾构隧道的变形规律。该系统与传统的排液法相比,可以精准掌控体积损失率的大小,准确控制新建隧道开挖的速率。试验数据可验证本文提出的既有隧道变形规律,并且发现:施工扰动下的夹层土、施工缝或螺栓接头的存在以及新建隧道的施工过程,上述三者都对既有隧道的力学响应存在影响。(3)采用叠加法和弹性地基梁理论,推导了新建隧道下穿既有隧道力学响应的近似解析解,并对相关因素做参数分析。该方法相比于传统方法而言,考虑了夹层土受施工扰动,承载能力降低的情况。即密贴下穿中既有隧道下方土体应局部脱空,近距离下穿中地基系数应为非线性变化。本文提出的理论方法可更加准确地预测既有隧道的变形。(4)分别采用δ函数的二阶导数、铁木辛柯梁模型和双参数Pasternak地基模型模拟纵向螺栓接头、既有盾构隧道以及土体与既有隧道的相互作用关系。首次提出考虑纵向螺栓接头存在时,既有盾构隧道不连续变形的计算方法。该方法可以直接使用管片和纵向螺栓接头的抗弯刚度进行计算,而不需要求解既有隧道的等效抗弯刚度。本方法不仅为计算既有隧道螺栓接头处的不连续变形提供了理论依据,还使得既有隧道变形控制标准可由整体指标过渡到考虑薄弱部位的局部指标。(5)基于三维弹性空间力学模型,总结归纳出四种受力形式下,新建隧道开挖过程引起地层变形的计算方法,并考虑施工过程对既有隧道变形的影响。首次提出了既有隧道纵向变形曲线、注浆加固特征曲线、注浆抬升特征曲线。进而给出注浆加固-注浆抬升-既有隧道变形综合时空特性曲线。在明确既有隧道变形控制指标后,根据本文的时空特性曲线,可以提供施作注浆加固、注浆抬升措施的合理时机和范围。可指导设计、施工人员制定安全,经济的施工方案,为今后相关工程提供理论支撑。(6)根据北京地区三个不同断面形式的下穿工程案例,总结出既有隧道的变形同样具有“超前变形”、“加剧变形”、“缓慢变形”、“稳定变形”这四个阶段。根据不同的控制措施及施工工法,前两个阶段内也可存在各自不同的变化规律,且“超前变形”阶段对既有隧道的影响不应被忽略。根据研究成果证实,下穿施工中应当遵循“管超前,严注浆,短开挖,强支护,勤量测,早封闭”的原则。