随着地铁建设的快速发展,在地铁建设中经常会遇到复合地层这一复杂的地层条件。土压平衡盾构在上软下硬的复合地层中掘进时由于上下土体之间物理力学性质差异,盾构刀盘需要较大的扭矩才能开挖,掘进过程会造成更大的扰动,进而引起较大的地表沉降甚至掌子面失稳。本文依托广州地铁21号线金坑~镇龙南盾构区间,研究上软下硬复合地层中盾构掘进过程中的刀盘刀具配置、渣土改良措施、开仓换刀等关键施工问题,此研究可为我国类似工程修建提供参考和借鉴意义,主要研究工作如下:(1)通过分析该施工区间段刀盘、刀具的选型和磨耗问题,总结了刀盘、刀具在复合地层中是选型和配置原则,提出了针对该区间软硬复合地层的刀盘、刀具的优化方案。(2)通过研究不同种类添加剂来改良渣土的物理性能,保证渣土具有良好的流塑状态、良好的黏-软稠度、低内摩擦力和低透水性,能有效降低盾构的扭矩和推力,减轻设备部件的磨损,提高效率。(3)采用Ansys有限元模型,开展在上软下硬地层盾构施工掌子面顶推力的优化分析,通过在掌子面不同位置施加不同的顶推力分析在不同工况下盾构掘进引起的地表沉降规律,以及左右线的相互影响关系,最后分析了盾构顶推力对管片应力及变形的影响。(4)通过对上软下硬复合地层盾构开仓换刀研究,确定了开仓换刀的判定条件,根据区间地层条件选择了开仓换刀的位置和换刀期间掌子面稳定措施,并通过数值计算分析了带压开仓过程中掌子面稳定性影响因素。