土压平衡盾构在我国城市地铁隧道建设中得到了广泛运用。地铁隧道穿越地层的工程地质条件是影响盾构施工安全的关键因素。我国幅员辽阔,地质条件复杂,盾构隧道穿越特殊复杂地质条件时面临许多亟待解决的技术难题。上软下硬地层是城市地铁建设等工程中遇到的一种典型复杂地质条件,由于上部软弱土体自稳性差,而下部硬岩强度很高,在盾构掘进扰动效应下很容易超挖上部软弱土体,引起过大的地层损失,出现严重的地层沉降甚至开挖面失稳。论文以上软下硬地层中修建城市地铁隧道为工程背景,结合“福州市轨道交通工程越江盾构隧道建设关键技术研究”课题和和西南交通大学博士创新基金资助项目“盾构掘进过程地层变形的细观机理研究”开展研究。综合采用理论分析、掘进试验、数值模拟等研究方法,从宏观和细观两个层面探讨了土压盾构掘进施工对上软下硬地层的扰动机理。研究主要内容有以下几点:1、采用Φ800mm模型土压盾构开展室内掘进试验。试验中土压盾构始发后依次穿越全断面硬岩地层、上软下硬地层并最终进入全断面砂土地层直到出洞。从地表变形分析了土压盾构在不同地层中掘进时引起的地层扰动特点;从地中变形得到了地层损失从隧道周围发展到地表的整个过程;通过与均质砂性地层掘进试验结果相对比探明了下伏硬岩对上覆砂土受盾构施工扰动的影响。2、通过将室内三轴试验中橡皮膜对试样的柔性包裹效应抽象为作用在试样边界颗粒上的指定径向压力,对传统离散元数值三轴试验进行了改进。改进后的离散元数值三轴试验能有效模拟室内三轴试验中试样的侧向不均匀变形,并以此开展广泛的参数研究,探讨了不同细观力学参数对试样宏观力学响应的影响规律。3、建立了包含盾构刀盘、切削刀具、掘进土槽等构件的三维离散元土压平衡盾构掘进分析模型,对上软下硬地层中盾构动态掘进过程进行了模拟,首次定量解释了软土超挖现象,并研究了隧道埋深、地层特性以及地层损失率等因素对地中与地表沉降的影响规律,分析了地表水平位移的分布形态。4、采用三维离散元方法开展了考虑土压盾构动态掘进过程条件下的开挖面稳定性分析,探讨了隧道埋深、地层特性以及施工参数等因素对盾构掘进过程中以及停机时开挖面极限支护压力的影响规律,得到了不同条件下的隧道失稳模式,揭示了隧道开挖面失稳过程,分析了拱顶上方土拱分布形态,研究了地层加固对开挖面稳定性的控制效应,并最终分别提出了盾构掘进过程中与停机状态下开挖面保持自稳的地层加固条件。