地铁盾构施工因具有自动化程度高、掘进速度快及对地面建筑物影响小等优点,而被广泛应用于城市地铁建设中。如果盾构掘进过程中对开挖面支护力控制不当,继而会引发地表建筑物不均匀沉降、市政管线损坏等不良后果。本文基于室内模型试验、数值模拟及理论计算相结合的方法,对砂土地层盾构隧道开挖面失稳破坏模式、开挖而支护力与位移关系、土拱效应等进行了研究。论文主要研究内容及成果如下：(1)通过砂土地层盾构隧道开挖面稳定性室内模型试验,采用数字图像分析技术分别研究了不同埋深比和砂土密度条件下,开挖面前方土体的位移变形发展过程、开挖面失稳破坏模式以及开挖面位移与支护力的关系。(2)利用PFC2D颗粒流模拟了砂土室内三轴试验,将数值模拟得到的砂土应力-应变曲线与室内试验获取的相关曲线进行了比较,通过调整细观参数对砂土的宏观参数和细观参数进行标定。基于宏细观参数标定的结果,验证了颗粒流模拟砂土颗粒宏观力学响应的可靠性与合理性。(3)利用PFC2D建立砂土地层盾构隧道开挖面稳定性数值模型,模拟了开挖面失稳破坏的发展过程,分析了开挖面失稳破坏过程中前方土体颗粒间接触力、区域土体孔隙率以及土体应力等细观参数的变化情况,从细观角度揭示了开挖面失稳破坏过程中土拱效应的作用机理,并且验证了开挖面位移与开挖面支护力之间的关系。(4)推导了开挖面极限支护力的简化计算公式,并将室内试验、数值模拟及公式计算的结果进行对比验证。