盾构法以其经济、高效和对周围环境影响最小等优势在城市地铁隧道与地下工程建设中被广泛应用。采用盾构法进行隧道建设,合理控制开挖面支护压力,保证开挖面的稳定性是设计与施工的关键所在。因此,对于盾构开挖面稳定性的研究具有一定的现实意义。本文通过1g小尺寸模型试验、数值模拟和理论分析等研究手段,针对干砂隧道盾构开挖面支护压力过小而引起的开挖面失稳的诸多问题进行了全面且详细的研究。全文主要工作包括:(1)引入粒子图像测速技术PIV,并基于MATLAB平台开发出一种全新的图像处理软件MPIV,并叙述了PIV技术和MPIV软件的原理,为后面的模型试验结合MPIV软件分析提供技术支持。(2)进行1g小尺寸模型试验,分别利用百分表、静态电阻应变仪和MPIV图像处理软件,对埋深比C/D=0.5、1.0和2.0三种条件进行地表沉降规律、开挖面荷载及极限支护压力、开挖面失稳形状及模式的研究。试验采用对称模型和无接触式测量,通过移动活塞的位移控制法进行试验研究。(3)通过利用FLAC3D三维有限差分数值模拟软件,对1g小尺寸模型试验所得结果进行验证分析。通过对比验证,证明模型试验的可取性和数值模型及参数选取的可靠性。通过采用GEO极限分析数值模拟软件,对开挖面失稳形状和失稳模式以及安全系数进行研究。(4)通过采用基于极限平衡法的三维楔形体模型对开挖面极限支护压力进行计算,并利用相关软件编写公式来探究不同埋深C、土体重度?、内摩擦角?、黏聚力c以及地表超载p对于极限支护压力uP的影响,得出一般性结论。