截止2020年底,我国高速铁路隧道总里程达到6003km,远高于国外隧道建设规模,已成为名副其实的隧道大国。目前,我国高速铁路隧道工法以人工分部法为主,该工法开挖次数多、对围岩扰动大、施工效率低、劳动强度高,已难以适应我国隧道建造技术发展的需要。机械化大断面法能够提高施工效率、节约劳动力、提高工程质量,是我国高速铁路隧道工法的主要发展方向之一,但该工法一次性开挖面积大,导致掌子面易失稳、塌方。合理的超前支护措施是实现机械化大断面法施工的技术保证,但目前国内外尚无完善的隧道超前支护设计方法。鉴于此,本文开展了隧道掌子面稳定性分析及超前支护设计方法研究,对完善隧道超前支护设计理论具有重要意义。论文采用模型试验、数值模拟、理论推导、资料调研、现场测试等多种研究方法,以郑万高铁湖北段隧道工程为依托,研究了掌子面锚杆、超前管棚、掌子面预注浆加固机理,建立了掌子面锚杆、超前管棚、掌子面预注浆加固下掌子面稳定性力学分析模型,形成了隧道超前支护设计方法。主要研究成果有:（1）采用模型试验、数值模拟等手段,研究了超前支护对掌子面破裂面发展过程、掌子面失稳模式、围岩应力场的影响,揭示了隧道超前支护的加固机理,提出了超前支护加固下掌子面受力模式,为力学分析模型的建立提供了理论支撑。（2）基于隧道掌子面失稳模式、超前支护加固机理及掌子面受力模式,建立了超前支护加固下掌子面稳定性力学分析模型。采用极限平衡法、强度折减法、弹性地基梁理论等方法,推导了掌子面稳定系数及极限支护力计算公式。通过与既有理论模型、数值模拟、模型试验结果进行对比,验证了力学模型的合理性,为超前支护设计方法的建立奠定了理论基础。（3）基于隧道掌子面稳定性力学分析模型,提出了隧道超前支护设计流程,形成了隧道超前支护设计方法。以郑万高铁湖北段隧道工程为依托,针对机械化大断面法施工隧道设计了超前支护参数,并通过工程应用及现场测试验证了支护参数的合理性及设计方法的可靠性。