近年来,伴随着经济的发展,我国的城市轨道交通及地下工程建设日新月异,盾构掘进机以其技术先进、施工安全等特点得到越来越多的建设者的青睐,使用规模也日益广泛。使用盾构掘进机施工首先要面临的问题就是盾构机的选型,选用正确的盾构机机型关系到隧道掘进施工的成败。开挖不同的地层,应该根据其地质情况和施工特点理性地选择盾构机型。砂卵石是隧道施工遇到的一种特殊地层,具有颗粒大、粘性低、颗粒之间为刚性接触等特点。实践证明,密实的无水(或少水)砂卵石地层自立性较好,选用开敞式盾构可以充分利用地层的自稳性,避免刀具磨损,减少停机次数,提高经济性。本文运用颗粒离散元数值模型及物理缩尺模型对无水砂卵石地层的开挖进行了模拟试验,对砂卵石地层的开挖变形机理进行了深入研究,完成了以下工作:1.无支护开挖砂卵石颗粒移动细观机理研究以大型颗粒离散元软件PFC3D为平台,建立无水砂卵石地层数值模型,进行无支撑开挖试验。通过变动参数比较计算和分析,系统地研究不同粗糙度、不同埋深对无水砂卵石地层开挖卸荷特性的影响,对开挖卸荷作用下无水砂卵石地层的松散程度、变形及土体移动规律进行量化分析,通过设置变量跟踪其渐进性破坏过程,探索得到了无水砂卵石地层无支护开挖条件下土体的细观移动机理,为维持无水或少水砂卵石地层隧道开挖面稳定提供了可靠的力学依据。2.开敞式盾构支撑度与无水砂卵石地层开挖面土体移动规律之间的关系研究在对砂卵石地层开挖土体移动细观机理取得认识的基础上,分析了四种不同的支撑形式对砂卵石土体松散程度、地层变形及土体移动规律的影响,为实际工程掘进参数的选用提供可靠的参考依据。3.对支护开挖的四种支撑形式进行相似模型试验,对土体变形进行非接触测量,并进行数字图像处理与分析,得出砂卵石土体移动程度与范围、土体可能的失稳形式,与PFC3D数值计算结果相互比较验证。本论文将运用颗粒离散元进行数值计算与理论分析,对砂卵石地层的颗粒之间的接触及咬合机理、开挖卸荷变形的细观机理进行深入探讨,并分析细观组构对其强度和开挖稳定性的影响,从细观机理说明开挖面所需支撑度,从而为实际工程中无水砂卵石地层选用开敞式盾构提供科学依据和理论支持。