大直径泥水盾构在部分黏土地层中掘进时刀盘易发生结泥饼问题,盾构刀盘结泥饼后造成盾构掘进速度下降,盾构能耗增大,也可能对地表结构产生不利影响。本文以郑州豫机城际铁路下穿南水北调干渠盾构隧道施工为背景,针对大直径泥水盾构在黏土地层中刀盘结泥饼问题,进行半舱气压法和全舱泥水法条件下的掘进机理分析,研究了半舱气压工法下盾构掘进参数和地表沉降特征,主要内容和成果如下:（1）阐明泥水盾构半舱气压工法原理,分析半舱气压法下泥水盾构开挖舱液面高度及气压值设定方法。泥水盾构半舱气压法下,开挖舱上半部是压缩空气、下半部为泥浆,开挖舱呈非全舱泥水开挖状态。开挖舱液面高度与开挖舱顶部气压值的合理设定是保证半舱气压法下盾构平稳掘进的关键。本次半舱气压法施工液面高度设定约为开挖舱高度的2/3,开挖舱顶部气压值设定保持在3.2bar左右,施工期间盾构机保持了高效、安全、稳定的掘进状态。（2）提出了盾构刀盘结泥饼模型与盾构掘进速度模型,对半舱气压法盾构掘进解决刀盘结泥饼问题的机理做了分析。根据盾构刀盘开口泥饼的“泥桥”模型,半舱气压法下,泥桥背后无可以视作柔性支墩的泥浆压力,经计算可知此时泥饼极易被挤压进舱。使用半舱气压法后,结泥饼率由92.8%降至20%,刀盘有效开口率由2.6%提升至28.9%,刀盘开口当量直径由0.30m升至1.08m。根据盾构掘进速度模型,得知使用半舱气压法后盾构掘进速度可大幅度提升,利用盾构掘进速度模型得到计算速度与实际掘进速度相差2%,泥桥模型计算得到的刀盘开口率可较好的应用到盾构掘进速度模型中。（3）研究半舱气压法下盾构掘进参数特征,提出盾构掘进效率评价模型,对半舱气压法下盾构掘进性能进行评价。使用半舱气压工法后,盾构掘进速度从4.9mm/min增加至25.4mm/min,同时推力由93069k N下降至74473k N,扭矩由10712k Nm下降至6814k Nm,转速保持在1.4rpm左右。掘进相同距离（30m）,盾构推进消耗的能量由6×108k J减少至7.4×107k J,盾构消耗能量减少7/8。盾构掘进效率指标从3.7提升至26.1,盾构掘进参数散点分布离散性均值由0.1下降至0.03。半舱气压法下盾构掘进效率大幅度提升,盾构掘进参数稳定、波动性小,盾构掘进平稳。（4）对半舱气压法下盾构施工造成的地表沉降进行监测,利用有限元软件分析半舱气压法下开挖面稳定性,研究盾构半舱气压工法造成的地表沉降的变形特征。半舱气压法下极限支护压力比为0.6,开挖面失稳时中心点位移为-260mm,地表沉降为-110mm。半舱气压法下开挖面失稳时,相较于全舱泥水法,开挖面中心点位移小30%,地表沉降量小36%,且地层扰动区域小,最大位移发生在开挖面中心位置以下。相同支护压力比下,半舱气压法比全舱泥水法下开挖面中心点位移及地表沉降量小,且其差值随着支护压力比的减小而增大。半舱气压法下开挖面稳定性高,地面沉降稳定且最终沉降得到较好控制,最终沉降量为-4.0mm。同时半舱气压法下地表沉降历时曲线规律性较强,开挖舱气压值的设定及盾尾注浆的质量会对地表变形产生较大影响。