我国风积砂分布广泛,由于风积砂颗粒具有粘聚力低、稳定性差的特性,隧道施工时常规超前支护施工措施基本很难发挥作用,同时,由于风积砂颗粒具有流动性,掘进过程中稍有不慎,掌子面就会发生坍塌,安全风险非常大。因此,系统地研究风积砂地层隧道变形破坏机理,揭示风积砂地层隧道掌子面失稳模式,提出风积砂地层隧道掌子面荷载计算方法,构建风积砂地层隧道掌子面预加固设计方法体系是非常必要的。为此,本文结合新疆格库铁路某隧道工程,主要从风积砂地层隧道掌子面的失稳变形、稳定计算方法及掌子面预加固设计方法三个方面进行研究,主要包含以下三个方面:1.结合室内试验和模拟标定的离散元参数,建立了风积砂地层隧道掌子面离散元模型,模拟了风积砂地层隧道掌子面失稳变形全过程,从颗粒间接触和颗粒间裂隙两个细观力学层面指标详细阐述了掌子面失稳变形过程中各位置风积砂颗粒的变化趋势;从掌子面支护力和围岩松动区两个宏观力学层面指标,明确了风积砂地层隧道掌子面的失稳机理和变形模式,得到了掌子面支护力与挤出位移的关系。2.通过数值模拟和理论分析的方法,对风积砂地层隧道掌子面稳定进行分析,结合掌子面失稳变形模式,确定风积砂地层隧道掌子面失稳理论计算模型;基于颗粒椭球体理论,建立了风积砂地层隧道掌子面失稳理论计算模型,在极限平衡状态下,给出了风积砂地层隧道掌子面松动椭圆区的确定方法,在此基础上,改进了传统的太沙基松动土压力计算公式,推导了滑裂面为椭圆形时侧向土压力系数的计算公式,并改进滑动松动区内部竖向应力沿水平向呈梯形分布,得到了基于颗粒流椭球体失稳理论风积砂地层隧道掌子面松动土压力的计算公式。3.通过资料调研和理论分析的方法,提出了基于弹性地基梁理论的超前管棚力学模型和基于壳体理论的水平旋喷桩力学模型,并分别推导了理论计算公式。同时建立了超前锚杆理论计算模型对超前核心土进行受力分析,通过对比确定了最适用于风积砂地层隧道的超前支护方案—水平旋喷桩+超前锚杆预加固综合系统型预加固。并通过依托工程现场掌子面预加固实例验证了该系统设计方法的合理性。