目前国内地铁建设已经进入一个快速发展期，随着大量的隧道施工，盾构机的应用已经成为主要手段。然而隧道掘进过程中的开挖面坍塌事故也越来越多，因此开挖面稳定性问题的研究依然是现阶段乃至今后很长一段时间隧道工程研究的主要工作。本文通过结合粒子图像测速技术的1g模型试验、理论探讨及与实际工程对比，对干砂地层的盾构开挖面稳定性问题展开研究，主要内容包括以下几个方面：（1）引入流体力学粒子图像测速技术原理，基于MATLAB平台开发MPIV图像处理程序。详细阐述PIV的图像处理原理及过程，介绍MPIV程序工作原理及参数设置，为模型试验结果分析提供支持。（2）结合MPIV程序特点设计无接触式测量的模型箱（盾构直径10cm）及PIV测试系统，分别进行埋深比0.5~5.0开挖面稳定性试验。其中模型箱采用对称原理达到无接触测量，采取活塞位移控制的方法模拟开挖面失稳过程。（3）经试验得到开挖面前方最大沉降——活塞位移量关系图与土体位移场图。分析了埋深比对地表沉降规律的影响，土拱在土体变形过程中的发挥，根据位移场确定不同埋深条件下的开挖面破坏模式。（4）根据试验所得开挖面破坏模式，在基于极限平衡法的传统三维楔形体模型基础上提出干砂地层三维楔形体模型并推导其开挖面极限支护力计算公式，结合北京地铁六号线二期工程实例进行对比验证。通过分析试验结果认为开挖面失稳过程中地表沉降经历了从无位移到破坏的四个阶段，对应土拱效应的发挥也分为土拱形成到消失四个阶段。分析土体位移场图认为开挖面前方破坏模式为盆状至烟囱状发展，且基于此破坏模式的干砂三维楔形体模型能够较好的预测开挖面极限支护力，能够为实际工程提供参考依据。