随着中国经济的快速发展,城市人口逐渐增多以及城市建设不断提速,为进一步提高城市运营效率,地铁修建量逐步增加。在地铁建设中,盾构作为一种安全高效的隧道施工工法得到了广泛的应用,城市大规模地铁修建面临着复杂多变的地层条件与地面环境的严重影响。盾构隧道在复合地层施工中面临的开挖面失稳破坏和地表坍塌等风险尤为突出,其中砂粘复合地层是常见的土体与土体复合的地层。不同地区和工程条件下,由于砂土层与粘土层具有不同的土力学特性,开挖面的稳定性难以预测和控制。因此深入研究砂粘复合地层盾构隧道开挖面变形破坏模式对隧道施工具有重要意义。而目前模型试验研究中多采用普通相似材料无法观测土体内部变形,为观测到土体内部变形,本论文采用透明土相似材料进行物理模型试验研究并辅以数值模拟分析,对砂粘复合地层盾构隧道开挖面的变形破坏模式进行深入研究,取得的主要研究成果如下:(1)归纳了透明土的配制方法,对比了配制各类透明土的相似材料,选择了熔融石英砂、沉淀白炭黑、正十二烷和十五号白油的混合液体合成透明砂土和透明粘土,并开展了两种透明土的物理力学特性实验研究,证明了其模拟天然土体的可行性。(2)设计了一套由模型制作装置、开挖支护装置、测试系统、分析系统等构成的盾构隧道透明模型试验系统。实现了模型整体透明、非接触全过程观测土体内部变形、盾构模拟装置的自动后退以及数据图像的自动采集。(3)基于盾构隧道透明模型试验系统,研究了不同埋深工况下盾构隧道开挖面土体变形破坏规律,得到了砂粘复合地层开挖面中心点土体位移随支护力的变化关系及开挖面土体的变形破坏模式。(4)引入复合比的概念描述盾构隧道开挖面的土体分布,反映了复合地层的土体差异。并采用有限差分数值模拟分析得到了不同埋深、不同复合比等因素对砂粘复合地层盾构隧道开挖面变形、地表变形、极限支护力和开挖面失稳破坏模式的影响规律。(5)对比分析了模型试验、数值模拟得到的盾构隧道开挖面变形破坏模式,并与经典的盾构隧道开挖面变形破坏模式进行了对比分析,表明砂粘复合地层开挖面变形破坏模式的合理性。本论文共有90幅插图,10张表格,98篇参考文献。