盾构在掘进、切削地层过程中不可避免地对开挖面地层产生振动及卸荷共同作用，这种作用不仅会削弱开挖面的稳定性，而且会加剧水土流失，直接威胁盾构施工及周围环境的安全。特别地，砂土地层由于其离散性及破坏脆性，相较于其他地层对振动更为敏感，且其强度、稳定性及流动性受含水率的影响复杂而显著，给盾构微扰动施工控制带来了重大挑战。
针对以上问题，采用物模与数模相结合的研究方法系统研究了盾构开挖面卸荷-振动对饱和及非饱和砂层的静动力扰动。主要创新性研究成果与结论如下：
（1）研制了一套模拟盾构刀盘振动及开挖面卸荷共同作用的试验装置，并对干燥及非饱和砂土地层进行了系列模型试验。试验发现：在隧道开挖面卸荷作用下，干砂层最终将形成贯穿至地表的烟囱状整体破坏，而非饱和砂层仅发生局部破坏，形成的土拱可达到自稳状态；在土拱效应下，开挖面压力在干砂层中可下降至初始值的7%~19%，而在非饱和砂层中则下降至初始值的2%~12%；在刀盘振动作用下，干砂松动区的纵向宽度增大了11%，非饱和砂松动区的高度及纵向宽度则分别增加了25%及15%，而松动区中的土拱效应也被明显削弱，最终导致两种砂层的极限支护力则分别增大了0.048γD及0.017γD。该成果揭示了振动作用下开挖面稳定性的恶化机制，为后续理论研究提供了试验依据。
（2）融合黏性抗滚动线性接触算法、CFD-DEM耦合以及实测速度拟合等手段，创新建立了考虑非饱和砂表观黏聚力与饱和砂层渗流作用的盾构开挖面卸荷-振动数值模拟方法（CSVU: Cohesion, Seepage, Vibration, Unloading combined modelling），由此分析揭示了卸荷-振动下饱和及非饱和砂层开挖面失稳破坏的内在演化机制。结果表明：垂直于隧道轴线方向的振动明显小于平行于隧道轴线方向的振动，且相互之间呈线性相关关系，同时，三个方向的振动以及比流量均在地层中以指数形式急速衰减；松动区的三维尺寸及开挖面极限支护力随饱和度的增大而先减后增，并与比流量及振幅与频率之积正相关，而与内摩擦角负相关；地层中的主应力偏转特征体现了开挖面卸荷下土拱效应的形成以及振动对其的削弱作用。
（3）基于本文提出的CSVU模拟方法，进一步建立模拟EPB盾构开挖面地层损失的离散元模型，对不同刀盘开口率、支护力水平、刀盘振动以及含水条件下的开挖面砂土颗粒流失及地层运动特性进行了模拟分析。结果表明：刀盘开口率越大，颗粒损失越多，而在同一开口率下，非饱和砂层颗粒损失最少，饱和砂层则颗粒损失最多；刀盘振动引起的颗粒损失量增长会在颗粒损失较少时较为显著，因此使开挖面不发生颗粒损失所需的临界支护力会随振动幅值与频率的增加而有明显增加；在切向上，颗粒损失最多的区间在82.5~97.5°之间，而在径向上，颗粒损失最多的区间在0.3D~0.45D之间；当支护力严重不足时，颗粒损失体积明显随时间的增长而发生线性持续增长，而随着支护力的增加，体积增长曲线逐渐变为阶梯状，并可以发生收敛。该成果可为复杂含水地层中盾构开挖面地层损失的控制提供理论指导。

盾构施工;非饱和砂;渗流;开挖面稳定性;刀盘振动;土拱效应;地层损失;离散元方法