盾构施工卸载应力路径下分层砂卵石地层力学特性的离散元研究

地下开挖如何影响城市生活

随着城市地铁和市政管网的扩展，越来越多的隧道在街道和建筑下方掘进。当巨型盾构掘进机开挖隧道时，会改变周围土体的受压与卸载状态。在由松散砂和粗大卵石组成的分层土中，这些变化可能导致地面沉降或位移，进而威胁附近建筑物。本研究提出了一个务实问题：在掘进过程中，不同的卸载方式如何影响这种混合地层的强度与稳定性，以及地层的层状结构有多大影响？

我们脚下的砂-砾石分层

许多中国城市——以及世界上许多城市——都建在由细砂与粗卵石或砾石交替组成的“复合”地层上。这些材料在受压时表现迥异：砂体易于流动和重排，而卵石能形成较刚性的骨架。在盾构掘进过程中，盾构前方的土体经历了压缩、剪切然后随着土体被移除而再卸载的复杂演化。传统的室内试验通常是在恒侧压力下对单一、均质土体施加压缩，应力历史与现场实际过程有较大差异，尤其是当掘进面推进、支护条件变化时的关键卸载阶段无法被充分模拟。

追踪土体的受压与卸载历程

为了更真实地模拟隧道掘进，研究者采用了一种称为离散元法的数值方法，该方法将土体离散为无数可移动、可旋转并相互作用的颗粒。他们首先建立了一个盾构推进通过密实砂层的数值模型，跟踪盾构面前若干点处应力的演化。结果揭示了两类主要模式：在部分区域，垂向和水平方向的应力随着开挖同时下降；在另一些区域，垂向应力下降而水平应力基本保持不变。这些模式被提炼为三种试验方案，涵盖了从快速、同步卸载到较慢或单侧卸载的情况，用以代表现实中可能出现的不同掘进条件。

受控条件下的虚拟土样

研究团队随后构建了由上层砂和下层卵石堆叠组成的数字“三轴”样本，类似于两层蛋糕。他们对颗粒属性进行了精心校准，使纯砂和纯卵石样本分别能重现大尺度室内试验的结果。通过改变砂层与卵石层的高度比，构造出不同的复合样本，并在多种初始应力比（样本垂向受压与侧向受压之比）下施加三种卸载方案。在受控卸载过程中观察样本的缩短、软化或保持完整的行为，使研究者能够将应力路径、层状组成与整体强度联系起来——这是实体试验难以全面实现的。

改变卸载方式与速度会发生什么

模拟结果表明，卸载的方式对地层响应有显著控制作用。当垂向和侧向应力同时快速减小时，颗粒间的内力急剧下降，样本更快软化并发生破坏。如果侧向应力释放较慢，土体有时间重排；应力—应变曲线下降更平缓，样本表现出更强的韧性，破坏发生得更晚。当侧压基本保持不变而仅减少垂向应力时，变形相对受限，样本保持较高稳定性。总体来看，增加卵石层厚度可增强样本强度并使峰后弱化更为缓和，因为卵石承担更大的接触力并提供更稳固的骨架。较高的初始应力比同样加强颗粒间的咬合，有助于在卸载过程中抵抗软化。

这些发现对城市隧道的意义

简言之，本研究发现地层中砂与卵石的“配比”以及掘进时应力释放的具体方式，共同决定了新隧道周围土体在卸载时是趋于软化还是保持坚固。含卵石较多且初始受压较高的地层在卸压时更能保持形态，而靠近掘进面的垂向与水平方向应力快速、同步卸载更可能诱发强度丧失。对工程师而言，这意味着通过精细控制支护压力、开挖速度与衬砌时机，并结合对当地砂-卵石层状情况的调查，可以降低城市盾构工程中发生过度沉降或失稳的风险。

引用: Liang, L., Shi, Y., Wei, G. et al. Discrete element study on mechanical properties of layered sand-cobble strata under unloading stress path of shield construction. Sci Rep 16, 11502 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41291-y

关键词: 盾构掘进, 砂-卵石地层, 应力路径, 地下开挖, 离散元模拟