近年来，随着城市建设的快速发展，土压平衡盾构在城市地铁隧道建设中的应用范围越来越广。而且随着施工范围扩大，所遇到地层的复杂程度不断增加，特别是在砂-粘复合地层中，开挖面稳定性的预测与控制都非常困难，因此复杂地层土中压平衡盾构开挖面稳定性问题得到了广泛的关注，成为盾构隧道施工掘进的核心问题之一。首先，通过大型三轴试验（第二章），开展了砂‐粘复合地层的基本力学特性研究，弄清了不同应力水平下、不同砂‐粘组构和成分等条件下的基本力学特性，并以此为基础进行了砂‐粘土体相似性配比的试验，探究砂‐粘土体地层的结构特征，以供大型相似模型试验研究参考。其次，通过土压平衡盾构室内大型相似模型试验（第三章），探究了盾构开挖面失稳过程中开挖面支护压力变化规律和破坏模式。主要研究了砂‐粘复合地层中不同埋深和直径比（C/D=0.5、1、2）下，盾构开挖面的稳定性问题，分析了不同埋深和直径比对开挖面极限支护压力、地表沉降、开挖面土体变形规律的影响。并通过监测开挖面前方土体压力变化，探究了砂‐粘复合地层成拱与隧道埋深的关系，明确了开挖面破坏局部失稳与整体失稳的机理。此外，基于极限分析上限法（第四章），构建了旋转破坏模型，拟合了开挖面破坏区域。利用临界破坏时外力所做功的功率与土体内部耗散功相等的原理，推导了开挖面支护压力计算公式，并将计算结果与Leca&Dormieux等提出的经典破坏模型得出的结果作了比较，得出在不同土体中极限支护力均有提高，但在软粘土和硬粘土中得到的极限支护力提高幅度较大。最后，通过采用能够考虑大变形、渐进破坏的FLAC3D程序对土压平衡盾构施工力学过程进行了三维数值模拟，探究了不同的隧道埋深、土层材料性质、土层空间分布等因素对开挖面失稳破坏形式、开挖面变形、极限支护力以及地表变形的影响规律。