风积沙是一种广泛存在于我国西北的松散沙体,粘聚力低、保水性差,属于级配不良的含细粒土砂。隧道开挖过程中极易出现衬砌背后脱空、流沙甚至掌子面坍塌等工程灾害。极其有限的风积沙隧道工程中采用了改进台阶法穿越了该地层,但是如何保证隧道安全、快速地穿越风积沙地层,例如如何定量确定台阶长度以及台阶高度还悬而未决。更深入地,施工工法的选择对于风积沙隧道掌子面失稳特征以及围岩稳定性的影响规律研究还不成体系。针对以上问题,本文依托陕西延安王家湾隧道,采用文献调研、室内试验、数值计算及理论分析等手段研究风积沙地层工程特性,在此基础上研究风积沙隧道掌子面的失稳特征,以此反映施工工法对掌子面稳定性的影响规律,主要内容如下:(1)通过室内试验对风积沙的物理参数进行了测定、分析。并开展了一系列室内力学实验,重点针对含水率及密实度对风积沙力学性能的影响进行了分析,总结了风积沙的力学特性和参数变化规律。(2)基于室内试验数据建立了离散元力学实验模型对风积沙细观参数进行了标定。在此基础上建立了风积沙隧道三台阶开挖模型,评估了倾斜掌子面与真实施工台阶在掌子面稳定性上产生的差距,验证将台阶型掌子面简化为倾斜掌子面的合理性。同时,通过应力路径验证了相似模型试验的结果,并进一步分析了掌子面坍塌后的三维失稳形态、围岩中应力偏转现象以及压力拱的变化特征。(3)开展了掌子面失稳相似模型试验对坍塌过程中变化的围岩应力场进行了测量,从垂直、水平两个平面上应力场的变化分析掌子面角度所带来的影响。验证并深化分析了掌子面角度带来的应力场差异。(4)在极限平衡理论的框架下参考颗粒椭球体理论对坍塌体的上部形态进行了描述,并因此推导内部的坍塌压力,从而通过条分法得到掌子面极限支护力。基于理论对坍塌体的形态特征与受力状态进行描述,定量分析掌子面角度对坍塌体及掌子面极限支护力产生的影响。