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地下水是城市地下工程灾害中的关键致灾因子,也是影响富水软弱地层盾构隧道开挖面稳定性的重要因素。而地层与地下水间的流-固耦合作用是贯穿上述过程的主要物理机制。针对当前理论解析、数值模拟、模型试验等方法对细观尺度流-固耦合效应考虑不足的问题,本文从地层颗粒与渗流场之间的的耦合作用出发,建立了渗流作用下盾构隧道开挖面失稳破坏的离散元数值模型,通过对比有、无渗流条件下的开挖面失稳特性,揭示了渗流对开挖面稳定性的作用机理。进一步开展了渗流-侵蚀联合作用下的盾构隧道开挖面渗流破坏模型试验,揭示了不同级配地层渗流-侵蚀联合作用下的失稳模式及其细观机理。本文主要工作及研究成果如下:(1)离散元颗粒模型细观参数标定。基于MBD-DEM耦合方法建立了颗粒材料的虚拟直剪试验模型,在此基础上探究了颗粒材料细观参数对其宏观力学性能的影响,根据所需参数完成了对试样的标定,通过颗粒材料堆积试验验证了结果的合理性。(2)无水地层及饱水无渗流地层盾构隧道开挖面失稳破坏规律研究。建立了无水及饱水无渗流地层中盾构隧道开挖面失稳的离散元模型,并实现了对位移控制式开挖面失稳破坏过程的模拟。计算了不同埋深条件下的6组模拟工况,据此获取了开挖面失稳过程中有效支护力、地层位移、接触力网络、地层孔隙率的变化规律,明确了盾构隧道开挖面的失稳破坏模式及其阶段特性。(3)渗流作用下盾构隧道开挖面失稳破坏规律研究。基于CFD-DEM方法建立了渗流作用下盾构隧道开挖面失稳破坏数值模型,并根据隧道埋深及水力边界条件设置了 9组分析工况,获取了渗流作用下开面失稳过程中有效支护压力、地层变形、孔隙率等参量的变化特征,揭示了渗流场对开挖面有效支护力的加成效应及渗流对地层成拱能力的削弱作用,进一步总结了渗流对开挖面失稳破坏过程的作用效应。(4)不连续级配地层渗流-侵蚀联合作用下开挖面失稳破坏机理。根据试验需求设计了模型试验箱、盾构隧道开挖面渗流失稳装置、开挖面细颗粒流失量实时监测装置等试验设备,结合非接触式位移量测系统获取了开挖面前方地层的变形规律。在此基础上考虑了粗、细颗粒不同比例地层的失稳破坏特征,并研了隧道埋深、水位及有、无渗流条件对开挖面失稳破坏过程的作用效应。通过试验总结了渗流作用下开挖面前方失稳区的演化规律,从细观上揭示了细颗粒含量对不连续级配地层中开挖面稳定性的影响效应。