目前地铁建设规模庞大,盾构工法在区间隧道施工工法中处于首选地位,而地层条件对盾构施工掘进参数选择起着决定性作用。低含水率砂层有别于干砂与饱和砂层,颗粒间存在表观黏聚力、土拱效应明显,土拱效应在盾构隧道中具有较好的工程作用。为了研究低含水率砂层盾构隧道施工成拱特性,揭示隧道失稳模式和掌子面稳定性机理,本文以石家庄地铁工程为背景,开展低含水率砂的物理力学性质试验、隧道失稳及掌子面稳定性模型试验,并进行相应的离散元数值模拟分析,取得主要研究成果如下:（1）利用滤纸法试验得到了石家庄地铁砂样的SWCC曲线,分析得到了砂样基质吸力、黏聚力和密实度关系规律,通过低含水率砂直剪试验与坍落度试验,确定了砂抗剪强度与基质吸力的关系,提出了低含水率砂表观黏聚力受基质吸力影响的峰值计算模型。（2）研制了低含水率砂Trapdoor隧道失稳模型试验装置和配套的颗粒粒子图像测速技术（PIV）系统,实现了隧道围岩砂粒失稳过程的可视化。开展了5种含水率、3种埋深条件共15组Trapdoor模型试验,掌握了低含水率砂层隧道土拱效应和松动土压力规律;并进行了相应的离散元数值模拟,从砂层孔隙率、配位数及主应力旋转等细观层面揭示了含水率对土拱效应的影响规律。（3）基于不同含水率的隧道失稳破坏模式,推导了低含水率砂层椭圆形破坏模式的松动土压力计算公式,并通过了离散元数值模拟验证。（4）研制了砂层盾构隧道掌子面稳定模型试验装置,搭配了颗粒粒子图像测速技术（PIV）系统,实现了隧道掌子面砂粒失稳过程的可视化。开展了3种含水率、3种埋深条件共9组掌子面稳定模型试验,掌握了不同含水率条件下隧道掌子面失稳破坏演变和支护力变化规律;并进行了相应的离散元数值模拟,从力链分布、孔隙率及配位数变化规律反映了低含水率砂成拱特性。（5）基于盾构隧道掌子面稳定模型试验结果,推导了掌子面极限支护力计算公式,并通过了离散元数值模拟验证。（6）利用离散-连续耦合方法,建立了盾构隧道动态施工过程数值模型,以石家庄地铁低含水率砂层区间盾构隧道为工程应用背景,分别对干砂与低含水率砂层盾构掘进施工过程进行了数值模拟,从颗粒位移、运动状态、接触状态等细观层面上揭示了不同掘进参数下的掌子面稳定性及地层变形规律。石家庄低含水率砂层地铁盾构隧道施工中采用土仓欠压掘进模式经验,验证了低含水率砂成拱特性结果。