盾构隧道掘进过程中,保持开挖面的稳定性至关重要。随着大断面马蹄形盾构技术在蒙华铁路中的成功应用,研究马蹄形盾构隧道的开挖面稳定性问题具有重要的学术意义和工程应用价值。本文采用数值模拟和极限分析相结合的方法,分别针对单一地层和分层地层,建立了马蹄形盾构隧道开挖面稳定性分析模型,研究了马蹄形盾构隧道开挖面主动失稳情况下不同因素对破坏演化过程、极限支护力的影响规律及影响特征。论文主要工作及成果如下:（1）运用FLAC^3D分析了埋深和地层参数变化对马蹄形盾构隧道开挖面主动破坏的影响规律,得到了马蹄形盾构隧道开挖面支护位移曲线以及极限支护力数值解;对数值模拟结果分析:发现当支护力减小到一定值时隧道开挖面土体将发生破坏,开挖面地层位移急剧增加,根据地层位移、塑性区以及塑性剪应变增量云图分析了开挖面主动破坏的发展演化过程,确定了单一地层和分层地层条件下马蹄形盾构隧道开挖面失稳破坏模式和破坏范围。（2）基于数值模拟结果,运用空间离散化技术和极限分析上限定理,建立了单一地层马蹄形盾构隧道的开挖面主动破坏解析模型,并从极限支护力和破坏区范围两个方面对解析模型和数值模型进行了对比分析,验证了解析模型的合理性。基于构建的马蹄形盾构隧道的开挖面稳定性解析模型,研究了隧道埋深、地层参数以及断面型式对极限支护力的影响规律及影响特点,结果表明:由于地层中的土拱效应,马蹄形盾构隧道开挖面极限支护力不会随着隧道埋深增加一直增大,而是逐渐趋于一稳定值;地层参数越强,地层的自稳性能越好,开挖面稳定所需的极限支护力越小;在满足相同功能的要求下,相较于圆形断面隧道或矩形断面隧道,马蹄形断面隧道的开挖面积以及维持开挖面稳定所需的极限支护力均为最小。（3）基于数值模拟结果,运用空间离散化技术和极限分析上限定理,建立了分层地层马蹄形盾构隧道的开挖面主动破坏解析模型,提高了解析模型的适用性,并通过数值模拟验证了该解析模型的合理性;针对双层地层,利用该解析模型研究了地层分界面位置和地层强度参数变化对极限支护力的影响规律,研究了地层中存在的软弱夹层位置、厚度和强度对开挖面稳定性的影响规律,当软弱夹层位于隧道开挖面下半断面范围内时,开挖面所需的支护力最大,对其稳定性控制最为不利,软弱夹层厚度越大、强度越小,对隧道开挖面稳定性越不利。