随着我国城市化进程的加快,盾构隧道在我国的应用范围也变得更加广泛。但传统盾构法隧道施工前需进行工作井的开挖,在人口密集的都市区开挖工作井对地面交通和周边建筑物有较大影响。地面出入式盾构法(Ground Pass Shield Tunneling)避开了工作井大开挖施工,从理论上可以有效减小隧道施工的地层扰动,但由于该工法施工工艺特点,在盾构机穿越土层过程中需经过不同覆土厚度的地层,施工环境较传统工法更加复杂。本文以南京南站-禄口机场站(GPST)盾构隧道试验段示范工程为背景,采用非线性有限元方法进行精细化模拟,对隧道施工过程中的地层扰动和管片受力进行了系统性研究。主要研究内容及成果如下:(1)通过南京南站-禄口机场站(GPST)盾构隧道原位试验监测数据,对隧道开挖过程中不同覆土状况下土体扰动机理和管片受力模式进行了多方面分析,其中包括地表沉降、土体分层沉降和土体测斜、土体中土压力和孔隙水压力、管片外表面同步注浆压力以及管片的内力变化。揭示了地面出入式隧道在掘进过程中不同覆土下的地层扰动机理和管片受力变形模式。(2)基于南京南站-禄口机场站(GPST)盾构试验段建立了精细化有限元模型,并与试验段监测数据进行了对比分析和总结。对比阶段结果显示,土体施工扰动主要集中于盾构机到达和盾尾脱出两个阶段,其中,土体分层沉降和孔隙水压力在盾构机到达前会出现一定范围的波动,在盾尾不断脱出过程中由于土体应力释放分层沉降会出现增大的现象,而孔隙水压力出现减小现象。盾尾完全脱出后并在同步注浆的作用下,土体分层沉降值和孔隙水压力值都会逐渐恢复并趋于稳定,土体横向位移边界模式中内向型和外向型位移都会发生,主要受施工参数影响。整体上来看,数值结果和试验监测结果存在一定合理范围内的误差,但在规律上具有较好的一致性,验证了数值结果的可靠性。(3)基于三维有限元数值模型首先分析了后行隧道开挖前后地表沉降的变化,并研究了不同因素对地表沉降的影响,包括土体内摩擦角、注浆层弹性模量、施工参数组合形式以及施加隔离桩。结果表明,适当增大这些参数可以有效抑制地表沉降值,其中内摩擦角的变化较注浆层弹性模量对地表沉降的影响更敏感。施工参数中开挖面支护力抑制地表沉降的效果比注浆压力更加明显,施加隔离桩对降低地表沉降相互作用的影响起到显著作用。其次分析了后行隧道开挖时引起的先行隧道管片内力分布形式,并研究了不同因素对管片受力的影响,包括注浆层弹性模量、注浆压力和管片刚度。结果表明,这些因素中的所有工况管片的受拉破坏风险都远高于受压破坏,其中管片内力和管片刚度的变化具有显著的非线性二次函数关系。