1.2 国内外研究现状
在一些盾构法应用较早的国家如英国、法国、德国、美国及日本等，其关于盾构法许多技术难题的研究己经取得不少成果。与之相比，我国盾构施工技术起步较晚，相关研究还处于发展阶段。目前我国关于盾构法修建隧道过程中的安全性研究主要集中在以下几个方面。
（1）隧道开挖面的稳定性研究。随着盾构隧道直径的不断增大，隧道开挖面稳定性问题变得十分重要。上海已经用两台大型泥水平衡盾构机建成2条直径为15.43m的越江隧道。对于大直径盾构隧道，开挖面稳定性的失效机理以及开挖面的泥浆压力已经成为需要解决的关键问题［11，12］。Li和Zhang［13］指出当开挖面处泥浆压力太低或太高时将发生泥浆部分外涌或开挖面全部崩塌事件。另外，特别是在富含水的承压软土层中，大直径盾构进出洞时暴露掌子面的稳定性也受到特别的关注［14］。
（2）地表沉降及其对周围设施（如管道和既有隧道）的影响研究。目前，在拥挤城市中的盾构隧道建设越来越多，在设计时，应该预测盾构隧道开挖对邻近建筑物基础、既有隧道和管线等的影响。如何合理地预测盾构隧道开挖引起的地表沉降及其对周围设施的影响仍然存有疑问［15］。弱扰动控制技术已经成功运用于城市盾构隧道建设中。Ge等［16］运用现场监测、室内试验和数值模拟等手段，通过控制盾构掘进参数（如开挖面压力、泥浆压力及泥浆量、掘进速度等），有效地实施了弱扰动控制技术。
（3）深基坑开挖对邻近既有隧道的影响研究。在中国，沿着轨道交通线路上的房地产开发不可避免的导致在既有盾构隧道附近进行深基坑开挖操作。深基坑开挖对既有隧道的影响通常表现在盾构隧道的变形和受力方面。一般通过数值模拟、现场监测和离心机模拟试验来判定。然而，由于现场情况的复杂性，要预测深基坑开挖对既有隧道的影响并不容易［17，18］。Huang等［19］引入风险管理的概念来定性估计该影响。
（4）双圆盾构（DOT）和矩形盾构的管片受力性能研究。双圆盾构（DOT）由于其节省地下空间，节约成本且耐久性好，已在上海成功应用。但是，双圆盾构的管片受力性能不同于单圆盾构。Shen等［20］建立了一个数学模型来计算双圆盾构管片的受力及变形，该方法已成功运用于上海的双圆盾构建设中。长10.12m，高7.27m的矩形盾构在2014年也首次应用于郑州中州大道城市交通隧道的修建中。
（5）人工冻结法加固地层的相关技术研究。人工冻结法作为一种实用的地层加固技术已经越来越广泛的应用于盾构隧道的建设中，如盾构隧道端头及联络通道周围土体的加固、盾尾刷更换过程中的冻结法止水等。在上海、南京、苏州等城市，大多数盾构隧道之间的联络通道都应用了人工冻结法来建设。Hu等［21］通过上海地区盾构隧道建设的实例为工程背景，对人工冻土的热物理、力学特性，温度场发展理论和现场监测技术等展开了研究。杨平［22-24］等对地铁冻融土物理力学性能及人工冻结关键技术进行了系统研究，结合南京、苏州等地区的地铁建设，在国内首次解决了富水地层条件下城市地铁冻结法施工对周围环境影响的预测和控制难题。
（6）盾构隧道的耐久性研究。盾构隧道建好后，随着时间的增长，隧道内会出现地下水渗漏现象以及隧道上方会出现地表的不均匀沉降等，这些都归结于盾构隧道的耐久性。列车的长期运行对隧道造成的震动、邻近的工程活动、地质条件的变化等，都对盾构隧道的耐久性造成影响。Zhang等［25］建立了一个新的隧道模型来解决沿着隧道轴线方向上由于耐久性而造成的地表不均匀沉降问题。
（7）风险管理研究。盾构隧道在修建过程中的主要特点在于其的不确定性。风险对于盾构隧道修建来说是不可避免的。风险管理已经广泛应用于中国的地下工程中。运用动态风险管理的方法来跟踪管理盾构隧道修建中的风险已经取得了很好的效果［26］。
上述（5）人工冻结法加固地层的相关技术研究，许多前人进行了理论研究、试验分析、数值模拟和工程实践，做了许多有益的工作，现总结如下。
1.2.1 理论及数值模拟方面
（1）位移场和应力场的研究进展。地铁工程多在城市的密集建筑区地下修建，周围地质环境对沉降的要求非常高，需要控制施工过程中以及工后因土体冻融引起的地表和隧道轴线位移，所以研究人工冻结法对隧道及周围土体位移场和应力场的影响变得十分迫切。李双洋等［27］采用热蠕变本构建立了地铁隧道人工冻结施工的水热力耦合分析模型，对某双线地铁隧道施工过程中的热力状况进行了数值模拟。杨平等［23，28］根据冻土中未冻水含量、外界水分入流量以及温度等参数的关系，进行土冻结过程的水热力耦合数值模拟，研究由冻胀力产生的土体冻胀位移。胡向东和肖朝昀［29］利用有限差方法分析了联络通道施工时混凝土水化热对冻土帷幕的影响，发现常见的盾构隧道联络通道结构浇筑的混凝土始终不会进入负温状态。张志强和何川［30］采用三维有限元方法模拟冻结法施工时隧道与联络通道组成复杂空间结构的施工力学行为，研究发现施工将引起交叉部管片受力改变，引起一定的地表变形。
（2）温度场和渗流场的研究进展。人工冻结法施工需要注意冻结帷幕的强度、冻结时间、土体的冻胀融沉等问题，即温度场和渗流场的变化，目前许多学者已经通过不同的方法，得到了一些有益的成果。汪仁和等［32］基于相似理论原理，提出渗流方程中的导水系数是温度梯度的函数，建立了正冻土中水热耦合控制微分方程，通过模拟说明温度梯度是引起水分迁移的最主要因素。杨平等［32］利用多孔介质热运移理论及达西定律模拟建立了考虑地下水流时的冻结峰面发展数学模型，并采用数值计算法分析了冻结过程中温度场及地下水流场的变化规律。胡向东等［33-37］以单排管冻土帷幕温度场的巴霍尔金解析解为基础，建立了直线形单排管冻土帷幕的平均温度计算模型等效梯形法和等效三角形法；同时，对双排管、三排管、四排管、环形单圈管等冻结的稳态温度场解析解进行了推导，并用热学数值模拟方法对解析解进行了验证。
冻土的理论研究国内外已经有非常多的成果，但其研究内容多是针对季节冻土区和多年冻土区，而人工冻结法研究的土体是在有上覆土压力的环境中，且冷端温度低，冻融快，因此迫切需要针对特殊情况进行新的理论研究和数值模拟。
1.2.2 试验分析方面
（1）模型试验的研究进展。模型试验系统复杂，可以最大限度地确定各种因素的影响，弥补现场监测和理论研究的不足，相比现场费用较小。工程中冻结管多选用规格为φ108mm×8mm的钢管，模型冻结管管径受加工等因素的影响，比例尺多选用CI=20，已有不少相关的成果。周希圣等［38］在模型试验的基础上，对高含水量的黏土隧道冻结的地表变形及深部地层的位移进行了研究，发现地表位移变化经历了缓慢变化期、位移骤变期和位移稳定期。程桦和姚直书等［39］结合工程实例进行了地铁隧道水平冻结模型试验，其中模拟开挖过程研究了人工水平冻结法施工冻结壁形成规律、冻结壁平均温度、冻结壁厚度、冻胀融沉等问题。周晓敏和王梦恕等［40］利用水渗流作用下两孔地层冻结模型试验台进行正交模型试验，研究了地下水渗流、孔间距等对饱和砂冻结交圈时间和上下游温度场的影响。陈湘生等［41］在清华大学已完成模型的模拟试验基础上，对地基冻-融循环进行了离心模拟试验，相同条件下有荷和无荷地基在冻-融循环下重复试验表明：适当的荷载可抑制地基冻胀，自由冻胀量与实际相符。
（2）室内试验的研究进展。相比模型试验的复杂性，室内试验具有试验参数少、试验条件易于控制、试验成果便于分析等优点，可以系统的研究冻融土的物理力学性质。王效宾和杨平等［42］利用自制的冻胀融沉试验装置进行试验，结果表明并非所有含水土体都产生融沉，只有当土体含水率超过起始融沉含水率后才会融沉。秦爱芳等［43］通过冻土冻融试验机及CT扫描技术，对上海黏土进行冻胀量和冻胀应力模拟试验研究，得出不同深度土层人工冻结后的冻胀量和冻胀应力与固结应力的关系，以及土样在冻结过程中的水分迁移情况。唐益群等［44］研究了上海暗绿色粉质黏土不同频率的模拟行车荷载的室内动三轴试验，得出了不同动荷载频率作用下土体冻融前后的动应力-动应变关系。
另外，国内自制的冻土试验仪器设备也越来越多，杨平等［45］研制了一种大型多功能冻土—结构接触面循环直剪仪，该仪器能够实现0～-20℃范围内对接触面温度的精确控制，能够模拟多种粗糙度的接触面，能实现循环和单调两种剪切形式，应力施加及位移控制精准。唐益群等［46］研制了一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律的试验装置，可以模拟多种土质的土体在不同冻结温度下的冻融过程，为研究土体冻胀融沉规律、温度场分布规律、水分迁移规律、分凝冰层形成规律、土中应力（包括土压力、超孔隙水压力）的变化规律等提供了便利。
目前试验分析研究多集中在冻融前后物理力学特性或模拟现场工况的模型实验方面，针对冻融前后土体的微观研究还比较少，且研究背景偏重于沿海软土地区，在其他土质地铁隧道人工冻结法施工时还需要有针对性的试验研究。同时，在沿海软土地区，关于水泥改良后土体、含盐地区土体、含盐地区水泥改良后土体的冻结后热物理参数及力学特性的研究还很少，缺少相关的试验参数。
1.2.3 工程实践方面
人工冻结法在地铁盾构隧道端头及其联络通道施工中大量应用，对部分关键参数，如冻结帷幕厚度、冻结帷幕平均温度、冻胀力已有较多的实测资料，但是现场施工中冻胀力以及地表的冻胀融沉却得不到有效的控制。因此迫切需要对常规的施工技术和工艺流程进行研究和改良。岳丰田等［47］介绍了国内首例联络通道强制解冻融沉注浆施工的工程实例，该方法使短时间内有效控制融沉成为可能。胡向东和肖朝昀［48］利用原位试验大量实测数据，对比分析了自然解冻和强制解冻冻土温度上升规律。袁云辉等［49，50］以南京地铁集庆门站左线盾构到达冻结工程为依托，对人工冻土的自然解冻温度进行了监测分析，研究了多圈水平冻结下温度空间分布及温度随时间变化规律。随着技术的成熟，目前工程中多采用卸压孔卸压、跟踪注浆、热水快速解冻等方式控制地表及隧道轴线因冻胀融沉产生的位移。
1.2.4 存在的主要问题
尽管前人在盾构进出洞施工安全性上做了大量研究，已经取得了许多有价值的研究成果，并成功运用于实际工程中，但是还有不少问题亟待解决。
（1）盾构隧道端头土体加固设计理论的不足。国内外关于盾构进出洞土体加固理论分析的文献较少，有关的设计方法尚不成熟，很多情况下仍采用工程类比，需加强对端头加固土体受力和变形机理的理论研究。
（2）室内试验研究的不足。上海、南京、苏州等城市地铁建设中人工冻结范围内的典型土层通过大量室内试验研究得到了相应的热物理力学特性参数。而目前端头加固往往采用化学加固后辅以人工冻结，关于典型土层水泥改良前后土体、含盐土体、含盐土层水泥改良前后土体的热物理、力学特性室内试验的研究还很少，缺少相关的试验参数。
（3）盾构隧道端头加固尺寸研究的不足。目前，关于不同加固方式的加固尺寸的争议比较多，多年来一直没有达成共识。特别是在高水压砂性土层大直径盾构隧道端头，缺乏不同加固方式的加固尺寸研究。运用数值模拟的方法来研究确定加固所需范围是一种新的研究途径。
（4）人工冻结法加固方式研究的不足。随着越来越多的盾构隧道端头采用人工冻结法这种加固方式，其应用的环境条件和土层条件越来越复杂，特别是在高水压砂性土层中，人工冻结技术还有很多有待深化解决的问题。例如垂直冻结和水平冻结的选择、杯型冻结壁的温度场发展与分布规律、分析各影响因素对杯型冻结壁温度场的影响等都是需要解决的关键问题。