砂土地层开挖隧道引起的地层大变形问题是常见的地下工程灾害问题,掌握地层的变形规律及机理对预防此类事故有着重要的意义。开挖隧道引起的变形不仅要考虑地表沉降,地层内部的变形同样不可忽视。常规的试验技术通过埋设传感器来获取部分质点的位移,但传感器的埋设会改变模型中土体的连续性,进而影响位移的真实性,因此需寻找一种可以获取地层无损伤连续位移场的试验技术。透明土试验技术将人工合成透明土和数字图像处理技术相结合,能够直观的获取土体内部位移场,可用于研究隧道开挖引起的地层变形问题。本文基于透明土试验技术研制了透明土隧道模型装置,对砂土地层隧道开挖引起的变形问题展开研究,然后建立了细观模型并结合颗粒离散元法从细观层面解释砂土地层变形及破坏机理。主要工作和结论如下:（1）通过室内三轴试验和数值三轴试验揭示了熔融石英砂在加载和卸载路径下应力-应变特性。采用三轴试验揭示了不同密实度下熔融石英砂在三轴压缩路径下的应力-应变特性;采用颗粒流程序建立常规三轴数值试验模型,揭示了熔融石英砂先三轴压缩后轴向卸载应力路径下的力学性质。基于灰关联模型分析了细观参数对宏观力学特性的影响规律。（2）研制了透明土隧道试验模型装置,阐明了砂土地层中隧道开挖土体损失率与地层变形之间的关系。基于透明土试验技术,以土体损失率为控制变量,研究了单孔隧道在不同土体损失率和埋深条件下地层变形的演化规律。建立了地层损失率、隧道埋深和沉降槽宽度数之间的关系,修正了地表沉降和地层沉降的计算公式。改变双孔平行隧道之间的距离和隧道埋深,得到了不同土体损失率下双孔隧道的地层变形规律。（3）采用颗粒离散单元法,分析了隧道开挖过程中围岩开始变形到破坏的整个过程。浅埋隧道的变形过程可以概括为:围岩松动—拱顶坍塌—地表塌陷—整体破坏四个阶段。埋深较深时,整个破坏规程可以概括为:围岩松动—拱顶塌落—隧洞收敛—整体破坏四个阶段。（4）阐明了隧道开挖过程中围岩内部力链的演化规律。开挖时颗粒之间的接触力迅速调整,围岩变形滞后于接触力变化,在相同的时步下力链结构的变化比围岩变形速度要快,说明开挖卸荷引起的变形和应力释放存在时空上的差异性。从破坏形态和范围来看,拱顶部分应力释放较大,水平方向较小。从力链结构图分析可知,隧道埋深较浅时土拱效应较弱,随着埋深增加隧道土拱效应逐渐明显。（5）揭示了隧道周边不同位置孔隙比和配位数的变化规律。从孔隙比的变化可以看出开挖卸荷导致洞周土体产生体胀,不同位置孔隙比的变化量不同,从而体变的大小也不相同,这也是导致差异沉降的一个重要因素。配位数的变化可以间接反应接触力的变化,从配位数的变化来看砂土隧道开挖后拱顶部分应力释放较大,拱肩次之,侧向部分释放最小。配位数的变化与孔隙比的变化呈现相反的规律。（6）建立了颗粒细观模型,阐明了砂土隧道开挖引起的围岩变形机理。提出了一种细观结构模型,建立了颗粒之间摩擦系数、孔隙比和颗粒之间接触力之间的关系式。研究表明浅埋隧道拱肩处由于引力偏转导致部分区域出现体胀部分区域出现体缩现象,整体来看在体胀和体缩的共同作用下拱肩处的变形比拱顶处的变形小。隧道开挖后侧墙区域在水平方向和竖向出现应力释放率较拱顶区域要小,侧墙处的应力变化范围较小,体变较小,因此其变形较拱顶小。