盾构施工技术在城市轨道交通建设中运用非常的广泛,对于促进城市发展起到了非常重要的作用。但在当前,在软弱地层盾构掘进中似乎遇到了一种瓶颈,即经常出现支护力与开挖面土压力不能相平衡的情况,进而影响开挖面的稳定性和地表隆沉,严重时可能造成开挖面失稳和地表塌陷。因此,只有放慢施工速度,以确保施工的安全,使得施工效率始终处于比较低的状态,严重滞迟了城市交通发展进程。因此,探讨土仓压力变化对开挖面稳定性及土体扰动的影响,对软弱地层中盾构掘进进行优化设计,在提高施工安全性的同时加快盾构掘进速度,提高土压平衡盾构掘进效率有着重要的工程意义。本文以福州某地铁隧道工程为背景,采用数值模拟方法,比较地表沉降监测结果,从理论上分析了引起地表沉降的原因,探讨了影响开挖进度的相关盾构参数。在现有土压平衡盾构机结构基础上,提出一种适合软弱地层中开挖的盾构刀盘优化设计方案,以达到提高盾构掘进速度之目的。主要工作和研究成果如下:（1）通过对文献研究,论述了土压平衡盾构机的工作原理和主要施工技术环节,总结了盾构掘进施工引起的地表沉降规律以及目前研究的几种方法,分析土压平衡盾构推进速度和土仓压力之间的关系,进一步明确了盾构施工控制开挖面稳定与掘进速度的关键技术在于土仓压力的控制及其支护比的设置。（2）运用Midas/GTS NX有限元软件对盾构在软弱地层中掘进过程进行三维数值模拟,研究了土压平衡盾构在掘进中采用的支护比小于1.0、大于1.0时对地表沉降、开挖面失稳破坏以及地层扰动范围的影响规律,分析并确定了保持开挖面稳定的支护比范围以及极限支护比。结果发现支护比在0.6～1.5范围内时,开挖面上方地表沉降量及盾尾后方地表沉降量均较小,且变化幅度不大,建议为可控变化范围;支护比超出这个范围时,地表沉降变化幅度有明显增大,根据地层和地表的变形规律确定本文的最小极限支护比为0.1和最大极限支护比为2.0。（3）基于当前的土压平衡盾构机刀盘,提出了一种适合软弱地层中掘进的盾构刀盘优化设计方案,即在刀盘上增设拱刀。通过数值模拟,对在相同施工条件和掘进参数下刀盘优化前后的地表沉降量的大小变化进行了对比分析。结果表明:在相同支护比条件下,增设拱刀后的地表沉降规律与无拱刀时基本一致,但沉降量和对土体扰动的范围明显减小,且随拱刀的增长效果更加明显。增设拱刀后,支护比小于1.0的开挖面土体的纵向水平位移减小了70%以上,支护比大于1.0的开挖面土体的纵向水平位移减小近60%;当增加1.5m拱刀时保持开挖面稳定的支护比范围从原来的0.6～1.5扩大至0.4～2.0。（4）结合福州地铁4号线某区间隧道工程,根据盾构掘进相关参数和地表沉降监测数据,分析了开挖面支护比与地表沉降的关系,发现土仓压力的变化对地表沉降的影响十分敏感;将实测地表沉降数据与模拟数据进行对比,并对纵向地表沉降五个区段发展过程进行了范围的划分,发现数值模拟结果与实际监测沉降曲线规律基本一致,验证了数值模拟结果的合理性,也充分表明采用优化刀盘对地表沉降具有积极影响,为追求高效盾构施工效率创造了条件。