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随着各大城市不断剧增的人口密度以及蓬勃发展的城市建设，许多大城市都存在一系列问题，如人口膨胀、交通阻塞、建筑面积减少等，地面交通状况越来越不堪重负，有效地解决大城市存在问题的途径是合理地开发及利用地下空间。纵观当今世界，发达国家已经把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施城市可持续发展战略的重要途径。
采用盾构法修建城市地铁时，地下隧道工程的设计师必须能够较好的控制隧道开挖所引起的地表沉降量，以便能合理的估计地表邻近建筑物是否存在过多的差异沉降，这样才能保证地表的建筑物和地下管道等基础设施的正常工作。所以，研究盾构隧道开挖所引起的地表沉降与变形的规律及其影响因素，对指导隧道工程的施工、防止地表建筑物的不均匀沉降和保护地下设施有很重要的意义。
由于地下隧道工程的复杂性，在修建城市地铁时，采用盾构法开挖隧道所引起的地表沉降与很多因素有关，如盾构隧道的埋深、开挖面的形状与尺寸、盾构法施工工艺及现场的工程地质与水文地质等情况。国内外许多学者和工程师对盾构法施工引起的地表沉降做了大量的研究，归纳为以下几种常用的方法：(1)经验公式法；(2)理论解析法；(3)室内模型实验法；(4)数值模拟法。以上这些方法既有优点又有缺点。盾构法隧道施工引起的地表沉降过程具有明显的时空效应，目前许多研究中的各种方法只是对复杂的隧道工程条件的进行了一系列的简化。
本文以武汉地铁二号线汉口火车站--范湖站区间的隧道开挖为工程背景，分析了已有盾构法施工有限元模拟方法的优点和不足，对现有的模拟方法在模拟盾构法隧道施工存在的不足之处进行了改进，建立了能够更加全面合理地模拟盾构法施工过程的三维模型。
利用Ansys大型有限元软件对其进行三维数值模拟，表明盾构法隧道施工引起的地层移动变形具有三维特征，沿隧道轴线方向不同位置的地层的纵向和横向位移变化很大；在盾构开挖面的前方、盾构体位置、盾构通过后的后方土体的地表沉降具有不同变形特征，阐述盾构法隧道施工引起的地表沉降机理：
(1)在盾构机掘进隧道的过程中，盾构开挖面前方的土体由于盾构机的推进力而受到挤压，此时开挖面前方的土体处于加载状态，同时盾构推进时盾壳与周围土体将产生剪切作用；在盾构机盾尾脱离管片衬砌后，由于衬砌与盾构机之间建筑空隙的存在而使盾尾周围土体产生微量收缩，盾尾处土体将处于卸荷状态，从而造成地表沉降；在盾尾注浆过程中，周围土体受到注浆压力的作用而使盾尾周围土体产生微量扩张，导致盾尾周围的土体处于加载状态，从而可能造成地表隆起。盾构机的推进是一个复杂的加载及卸荷过程，盾构推进过程中，盾构不同部位周围的土体受到不同的应力状态，若土体所受的应力过大，盾构周围土体的极限状态会受到破坏，使得土体发生塑性变形。
(2)地层的横向沉降槽是相对于隧道的中心线对称的，在水平方向上，距中心线越远的地层沉降量越小，地层沉降量的变化率也越小；距中心线越近的地层沉降量越大，地层沉降量的变化率也越大；地层的最大沉降量位于隧道的中心线处；在竖直方向上，距隧道越近的土层沉降量就越大。不同深度处的地层横向沉降槽的特点是：距离地表越近的地层，其地层横向沉降槽就越宽；距离地表越远的地层，其地层横向沉降槽就越窄。
通过模拟结果之间的对比分析，对盾构法隧道施工引起的地表沉降进行深入的研究，分析该地表沉降的规律及其影响因素。采用Ansys程序对盾构法隧道施工进行模拟时，使用Drucker-Prager弹塑性屈服准则，结合隧道的埋深、实际工程地质条件、盾构施工参数等因素对武汉地铁盾构法隧道施工过程中土体变形特性进行了分析，对其它影响因素基本不变时，只改变其中一个因素所产生的地表沉降进行讨论分析，得到了地表沉降随着这些因素的变化规律：
(1)在其它影响因素不变的情况下，分别对3种推进压力进行模拟，由模拟的结果可知：推力压力越大，对盾构开挖面前方的土体影响效果较明显，开挖面前方较近范围内的土体产生的沉降就越大，较远距离的土体产生的隆起量就越大；反之，则相反。但是对开挖面后方的土体的影响效果就小得多。
(2)在其它影响因素不变的情况下，分别对3种不同注浆压力值进行模拟，由模拟结果可知：地表沉降量与注浆压力值成反比，注浆压力值越大，地表沉降就越小；注浆压力值越小，地表沉降就越大；无注浆压力值时，地表沉降量最大。因此，合理的提高注浆压力值是可以有效地减小地表沉降量的。