随着我国城市化进程的加速和城市人口比例的提高,交通拥堵和城市建设用地紧张等“城市病”成为制约城市可持续发展的首要问题。作为轨道交通的一种形式,地下铁道不占用地表的空间,而且具有快速、安全、准时等优点,成为解决我国各大城市交通问题的首选方案。目前,绝大多数地铁区间隧道都采用盾构法进行施工,在盾构机掘进过程中,容易发生由于土压力舱设置不当导致的开挖面坍塌或者挤出破坏,从而给地面建筑的安全造成威胁。因此,本文基于Hoek-Brown非线性破坏准则和极限分析理论对盾构隧道开挖面的破坏模式和发生机理展开了研究。主要研究内容如下:(1)根据盾构隧道开挖面在不同支护力下的破坏特征,构建了由任意线型的曲线构成的塌落和挤出两种上限破坏机制;(2)基于Hoek-Brown破坏准则和极限分析上限定理,分别计算了塌落和挤出两种破坏机制中的外力功率和内能耗散功率,构建这两种模式下破坏面方程的上限目标函数,在此基础上利用变分法推导出破坏面方程上限解;(3)利用隧道开挖面破坏面上限方程绘制出塌落和挤出两种破坏模式下破坏面的形状,分析了不同参数对隧道开挖面破坏面的影响规律;(4)利用数值模拟软件FLAC3D,通过模拟盾构隧道的掘进过程,得到盾构隧道开挖面塌落和挤出破坏的数值解,将破坏面数值解与上限解进行对比,验证了理论计算的正确性;(5)结合长沙地铁二号线某区间隧道,运用本文方法计算了挤出破坏模式下隧道破坏面的数值解和上限解,并将得到的数值解和上限解进行了对比,再次验证本文计算方法的正确性。