近年来,盾构隧道施工中往往面临着更为复杂的地质条件,相应的风险和事故也不断增多,其中支护力不足而导致的开挖面失稳事故时有发生,因此研究盾构隧道开挖面失稳问题很有现实意义。本文通过模型试验和理论分析方法,分别研究了砂土和黏土地层开挖面失稳相关问题,得到开挖面支护力三阶段规律;基于地层内部位移和剪切增量场,发现不同支护力阶段对应不同失稳区域;开挖面前方沉降范围远大于开挖面后方;相同支护板位移下,黏土的纵向沉降槽范围要远大于砂土的纵向沉降槽范围;基于极限支护力时失稳区域形状分别提出了砂土和黏土的修正楔形体模型,进而计算极限支护力。主要研究工作如下:(1)开展砂土模型试验,研究了浅埋盾构隧道在四组不同的开挖面后退速度下的失稳过程。发现支护板后退速率并不影响支护力的发展三阶段规律,极限支护力对应的支护板后退位移约为0.3%D。支护板后退速率越大,地表沉降越敏感,横向沉降槽越高瘦。借助PIV得到了地层内部位移增量场、剪切增量场发展规律,对应于支护力三阶段规律进行了失稳区域和失稳阶段划分。(2)开展黏土模型试验,研究了隧道失稳过程中开挖面支护力、地表纵向沉降槽发展规律,并与砂土试验结果进行对比分析。发现支护力第一阶段结束时面板位移同样约为0.3%D;不同的是第二阶段黏土支护力缓慢减小,而砂土支护力则缓慢增大。借助PIV处理得到位移增量云图,结合支护力变化规律,进行了失稳区域和失稳阶段划分,并与砂土失稳区域进行对比。(3)针对砂土和黏土地层,分别对开挖面失稳发展过程中失稳区域形状的发展进行总结分析,分析了开挖面极限支护力时的地层内部失稳滑块形状规律。根据砂土和黏土地层失稳区域上部滑块形状的不同,基于楔形体模型,分别提出了楔形体-四棱体和楔形体-倒四棱台模型来计算极限支护力。发现修正模型计算结果与试验和理论结果具有较好的一致性。