近年来,各大城市地铁建设高速发展。盾构法施工以其特有的优势广泛运用在地铁隧道的建设中,然而,盾构机在穿越地层过程中会引起开挖面周围土体扰动及地层沉降,不仅会加大隧道施工风险,还会对周围环境造成很大的影响。从分析地层沉降及开挖面稳定性出发,进而寻找维持开挖面稳定和控制沉降的有效方法,减少施工风险和提高周围环境的安全性,对盾构隧道开挖工程具有很重要的理论和现实意义。目前,许多相关研究采用有限元法以及有限差分法等基于连续介质理论的方法,这些方法有一定的局限性,而由于岩土体的离散性,基于非连续介质理论的离散元法比较适用于隧道施工中地层沉降和开挖面稳定性的研究。本文以实际工程为背景,简化复杂的地层,进行参数标定试验,并引入灰色关联分析法,探究宏观力学参数与细观参数之间的关系,最后进行了地层沉降和开挖面稳定性的离散元分析。主要的研究成果如下:(1)离散元双轴试验的参数标定满足要求,可用于目标土层模型的建立;采用灰色关联理论分析法获得了各个细观参数对宏观参数的影响程度,由此对细观参数进行划分等级,为快速标定离散元模型的参数提供依据。(2)同地表情况一样,不同深度位置地层沉降曲线呈现类似Peck曲线的分布规律;不同地层深度中,地表处沉降对周围的影响范围最大,因此地表沉降的控制至关重要;当隧道埋深增大时,隧道地表沉降最大值逐渐减小,而沉降槽宽度逐渐变大,横向影响范围扩大,在隧道设计过程中考虑增大合理的埋深可以减少地表沉降量。(3)随着支护力减小,开挖面前方土体应力重新分布,会形成拱效应,拱效应的存在对开挖面的稳定起了很大的保护作用;当支护力不断变小甚至小于极限支护力,开挖面前方土体滑动失稳,甚至破坏;因此,实际隧道开挖工程中,合理的支护力选择非常重要,它对隧道安全施工具有很重要的意义。(4)开挖面滑动破坏形态为:前方土体滑动破坏为楔形体状,而上方滑动区域是不规则的棱柱体状;改进楔形体理论计算模型与数值模型结果吻合,说明了离散元分析法适用于进一步研究盾构隧道开挖面稳定性。(5)将模拟沉降预测曲线与修正的Peck公式预测曲线及实测数据沉降曲线进行对比分析,验证了离散元分析法预测的有效性;最后根据本文地层沉降规律的深入分析,提出了控制地表沉降的有效措施,为实际工程中安全施工提供参考。