盾构技术凭借其施工效率高、环境扰动小等诸多优势,广泛应用于跨海越江隧道施工中。同时,由于盾构施工过程操作不当、地质勘察不详等原因造成的风险事故也时有发生,在诸多事故中开挖面失稳是最为严重的灾害事故。越江盾构隧道开挖面一旦发生失稳,土层中的泥水会迅速涌入狭窄的施工空间内,现场很难开展临时补救工作。本文以我国某越江盾构隧道为工程背景,通过实地调查及现场试验搜集到了详细的勘察资料及施工监测数据,综合采用理论分析、数值计算及数据挖掘相结合的手段,对越江盾构隧道穿越富水软土地层过程中开挖面的稳定性评价展开了研究。主要研究工作及结论如下:(1)分析泥水盾构开挖面平衡原理,从开挖面的失稳诱发条件、临界力学判据两方面研究了开挖面失稳致灾的力学机制,并基于极限平衡理论推导出了维持开挖面稳定状态的最小支护压力表达式,为开挖面失稳演变规律及稳定性评价的研究提供了重要的力学判据。(2)通过建立越江盾构隧道的数值模型,研究了在不同埋深、覆水深度、粘聚力及内摩擦角下开挖面的失稳演变规律及破坏特征。研究表明,盾构隧道开挖面发生主动失稳破坏,开挖面土体变形突增,土体最大变形出现于开挖面中心上方2～3m范围内。而开挖面的“失稳”区域在整体呈现“上宽下窄”的形态,该区域影响的范围约为开挖面前方1倍洞径。在内摩擦角或粘聚力这两个指标增大时,开挖面的极限支护压力以及失稳时的极限位移均减小,而增大埋深及覆水深度时,开挖面失稳时的极限位移及其极限支护压力值随之增大。(3)在开挖面不同的稳定状态下分析管片滞后变形的演变趋势发现,管片滞后变形演变趋势与开挖面的稳定状态之间存在一定程度的负相关。基于数据挖掘对开挖面稳定状态与管片滞后变形的互馈机制展开研究,结果表明,开挖面由稳定状态演变为失稳过程中,开挖面稳定性逐渐减弱,管片滞后变形则整体呈增长趋势,其中开挖面后方12m以内的管片滞后变形量的变化尤为显著。同样地,在一定范围内逐渐提高支护压力,开挖面稳定性逐渐增强,管片滞后变形量也相对减少。将管片滞后变形作为开挖面稳定状态定量表征参数,基于现场实测数据,筛选出隧道埋深、支护压力比、内摩擦角、粘聚力、泊松比、弹性模量以及滞后距离7项管片变形指标,建立了基于BP神经网络的管片滞后变形预测模型。经工程验证,管片滞后变形预测模型可高效、准确地预测管片在施工中的滞后变形量。(4)使用综合赋权法结合TOPSIS理论对非极限状态下的开挖面稳定性评价展开研究,选取了隧道埋深、覆盖比、支护安全系数、土体渗透能力、地下水状态、内摩擦角以及粘聚力7项评估指标,建立了越江盾构隧道开挖面稳定性评估模型,并基于Visual Basic 6.0平台实现了评价模型的智能化及可视化。工程应用表明,本文提出的评价模型在越江盾构隧道开挖面风险预警及防控中表现出了良好的应用效果,从风险预警、施工评价以及灾害控制等多方面实现了对越江盾构隧道穿越富水软土地层开挖面失稳风险的实时防控。