随着城市化的快速推进，对地下空间的需求（包括城市轨道交通和市政工程）持续增加（Pan等人，2022年；Wu等人，2024b年）。作为隧道施工的关键技术，泥浆护盾法具有施工速度快、地表影响小的优点，因此在城市隧道工程中得到广泛应用（Ai等人，2023年；Hu等人，2024年；Liu等人，2021年）。在实际工程中，当泥浆护盾法穿过沙质复合层时，沙层通常表现出松散和缺乏凝聚力的特点，而砾石层则具有较高的强度和较大的内摩擦角，导致土壤参数发生突变。如果开挖面的支撑压力控制不当，可能会导致面失稳，进而引发地表沉降甚至坍塌（Liu等人，2022a年；Lu等人，2020年；Xie等人，2023年）。因此，确保泥浆护盾法开挖面的支撑压力处于安全范围内对于维持稳定性和减少环境影响至关重要（Wu等人，2024a年；Yu等人，2020年）。
全球学者通过理论分析和模型测试广泛研究了泥浆护盾法开挖面的稳定性，取得了许多有价值的成果。传统上，有两种主要的理论方法用于计算隧道面极限支撑压力：极限分析法（Chen等人，2021年；Davoodi等人，2024年；Lei等人，2024年；Tu等人，2023年）和极限平衡法（Chen等人，2015年；Liu等人，2022b年；Sun等人，2023年；Zhang等人，2021年）。由于极限平衡法的简单性，它在实际工程中的应用比极限分析法更为广泛。作为极限平衡法的代表，楔形模型（Horn，1961年）已被多位学者改进以提高计算精度。Yan等人（2018a年）通过数值模拟研究了上下层土壤弹性模量比对开挖面失稳的影响，并提出了适用于上层软下层硬的复合层的改进楔形模型。Zhao等人（2016年）改进了三维楔形模型，开发了适用于硬层在上、软层在下的复合层的计算模型，并推导出了极限支撑压力的表达式。Cheng等人（2023年）提出了一个改进的极限平衡模型，结合了半圆柱仓、半圆锥台和局部球形模型，从三维角度更好地描述了失稳区的几何形状。Wang等人（2021年）修改了传统楔形模型，以考虑地表倾斜对开挖面支撑压力的影响。Zhang等人（2022年）引入了一种新的多层抛物线拱形支撑模型，为预测干燥无粘性土壤中隧道面的极限支撑压力提供了重要参考。
模型测试（Li等人，2025年）是研究工程结构或自然地质体力学行为的重要工具，在揭示其内在机制方面发挥着关键作用（Ahmed和Iskander，2012年；Lin等人，2021年；Ma等人，2022年）。Cheng等人（2021年）进行了多项实验室模型测试，探讨了不同角度下隧道开挖面的失稳机制。Liu等人（2022c年）开发了一种能够模拟切削头动作和自动泥浆循环的泥水护盾测试系统，并研究了卵石层中开挖面的力学响应和失稳情况。Ma等人（2024年）使用透明土壤模型测试研究了在不同水平和垂直间距以及隧道直径比下两个相邻隧道开挖面的主动失稳机制。Di等人（2023年）对通过松散、中等密度和密集样本的泥浆护盾隧道进行了系列地质力学模型测试，研究了相对密度对沙砾复合层中开挖面稳定性的影响。Liu等人（2020年）利用模型测试和二维颗粒流模拟研究了不同密度和覆盖深度下干燥沙层中隧道开挖面的主动失稳过程。Cui等人（2025年）在富水倾斜层中进行了护盾模型测试，分析了地表沉降、地表土壤压力、失稳区和失稳过程中的失稳机制。Han等人（2020年）使用对称模型研究了沙层中浅埋隧道的地表稳定性，为实际工程中确定合理的泥浆护盾法开挖面支撑压力提供了理论支持。
尽管研究取得了显著进展，但目前用于计算复合层极限支撑压力的方法仍局限于特定情况，如上层软下层硬或上层硬下层软的配置（Yan等人，2018b年；Zhao等人，2016年）。仍缺乏能够同时适用于这两种复合层的统一公式。鉴于实际建设项目中经常出现多种复合层，这一限制限制了隧道参数的合理确定。此外，现有研究主要关注了均匀地面中的切削头-土壤摩擦（Ying，2024年），而复合层中切削头-土壤相互作用和切削头参数对面稳定性和地表沉降的具体影响尚未得到充分研究。
为了解决这些挑战，本研究探讨了在沙-砾石复合层中进行泥浆护盾施工时遇到的复杂地质问题。通过对沙层在上、砾石层在上和砾石层在上的复合层进行模型测试，开发了相应的楔形模型。引入了分层比（σ，定义为上层土壤层厚度与切削头直径的比值），以整合这两种复合层的计算公式，从而推导出统一的极限支撑压力公式。最后，将切削头-土壤摩擦角（β，表示切削头面板与周围土壤之间的界面摩擦）作为参数，研究了其对面稳定性的影响。本研究阐明了切削头参数对复合层中面稳定性和地表沉降的影响模式，为在复杂复合地质条件下安全高效地进行泥浆护盾施工提供了有力支持。
