土压平衡盾构作为盾构法施工的重要方式,较泥水盾构而言适用性更加广泛。然而土压平衡盾构在开挖时存在最突出的问题是如何维持开挖面的稳定性,就此众多学者针对掌子面前方土体的破坏过程进行研究,通过提取优化得到了主动极限支护力的一系列计算模型,但其实用性亟需进一步完善和发展。另外,目前已有的研究中,前人对于干砂或饱和砂土地层下的开挖面模型试验研究较多,但实际工程中干砂或完全饱和砂土的地层较少,多出现具有一定含水率条件的砂土地层,因此,研究不同含水率的影响更具有一定的实际意义。因此,有必要对不同含水率地层下盾构施工掘进时,掌子面前方土体的动态破坏过程进行更深入的探究,进一步明确力学破坏机理,从而保证地表及地下建筑物的安全和建立实时有效的预警机制。本文首先从缩尺模型试验入手,对低含水地层3组不同含水率下的盾构施工掘进过程进行了相似模拟,同时借助FLAC3D进行较低含水率地层下的对比验证,有效证明数值模拟软件应用至实际工程的合理性;接着借助FLAC3D对哈尔滨地铁3号线太-靖区间饱和水状态下盾构隧道开挖稳定性进行预测分析,最后基于模型试验地表沉降范围和数值模拟破坏面提取结果进行了破坏区域计算模型的优化。主要研究内容和结论如下:（1）基于室内大尺寸模型试验架,开展了低含水地层不同含水率下的盾构开挖缩尺模型试验,研究低含水地层开挖面支护力随含水率不同的变化规律,发现支护力呈快速下降-稳定-临界失稳-破坏的4阶段变化特性。在此基础上,对比了不同含水率地层下由于盾构开挖而呈现的地表沉降变化规律和围岩土压力分布变化特性,发现对于C/D=1.0的地层来说,破坏模式随含水率的增大逐渐变化,含水率越低时破坏会延展至地表形成整体失稳破坏,随着含水率的增大,由于砂土地层表观粘聚力的增加,土拱效应影响增大,破坏区域的高度逐渐减小,破坏不会延展到地表。（2）建立基于模型试验的等参数数值计算模型,借助应力控制法得到开挖面支护力变化曲线,同时得到地表沉降值和围岩土压力变化曲线。发现数值模拟曲线较缩尺模型试验结果而言,缺少稳定阶段但两曲线变化规律相近;数值模拟得到的地表沉降值与模型试验结果拟合较好;对比围岩土压力变化曲线发现较小的含水率会使得数值模拟的破坏区域稍大于模型试验。对比结果表明,数值模拟能够较好地对实际工程进行模拟和预测分析。（3）基于哈尔滨地铁3号线太-靖区间的工程地质资料建立FLAC3D数值计算模型,进行饱和水地层盾构开挖流固耦合数值模拟。对盾构开挖造成的地表位移进行统计分析,发现地表沉降值能够满足要求;分析渗流场和应力场,结果显示开挖面前方易形成水力漏斗,应力显著降低;最后利用应力控制法明确了开挖面前方塑性区的变化规律,同时确定了考虑渗流下的极限支护力。（4）综合考虑模型试验中地表沉降范围、围岩土压力的变化区域和对应数值模拟结果,同时亦对实际工况数值模拟的破坏区域进行提取优化,建立考虑开挖面两侧破坏土体的3种假定计算模型,借助MATLAB寻求最佳破坏模型;在此基础上建立三维楔形体破坏模型,与已有极限平衡模型计算结果对比,结果更为贴近实际。最后将模型试验得到的极限支护力值和实际工况下流固耦合数值模拟得到的极限支护力分别与所建计算模型的计算结果进行对比,结果较为吻合,表明三维楔形体破坏模型可很好地反映实际情况。