传统的开挖工程作业方式使得城市交通堵塞、可利用土地短缺问题愈发严峻,而土压平衡盾构法施工作为一种现代非开挖管线工程技术,凭借其对环境、交通影响小的工程特点和安全、经济、高效率的优势得到了广泛应用。然而,随着盾构施工的全面展开,复杂的地质条件也为盾构施工带来了一系列难题,为土压平衡盾构施工带来极大的成本增量和安全隐患。本文以杭州大毛坞~仁和大道供水管道工程某盾构区间为背景,结合理论分析、数值模拟、现场实验手段对上软下硬复合土层中土压平衡盾构法施工关键问题进行研究。首先,针对区间上软下硬土层地质特点分析了选用不同类型盾构进行掘进时的优势与缺点,最终选择土压平衡盾构进行该盾构区间掘进。并对近十年来土压平衡盾构掘进上软下硬土层典型工程进行统计分析,结合区间地质情况,分析采用土压平衡盾构掘进上软下硬土层的地质适应性问题及风险。得到地质适应性问题和主要风险为盾构在粉质粘土层、卵石层、风化岩层等施工段掘进时刀盘结泥饼、螺旋机喷涌,盾构偏斜、姿态控制困难和刀具过快磨损问题以及开挖过程中对周围土体扰动的预判和控制风险。针对盾构掘进对周围土体的扰动研究,使用MIDAS GTS NX软件建立区间ZK2+960、ZK3+290、ZK3+360三个断面对应工况下盾构隧道模型,通过研究开挖面地层不同分布条件下的施工扰动,探明上软下硬复合土层中土压平衡盾构施工引起的地中、地表竖向沉降和地表横向变形规律;同时采用高斯函数对地表横向沉降值进行拟合,并提出评价曲线契合度的方法,通过对实测值、拟合值与模拟值的对比分析,得到实测数据与模拟数据的共性与偏差并对结论进行修正。以沉降控制为出发点,针对盾构掘进中的姿态控制与渣土改良问题,采用灰色关联分析结合实际工程探明了主要施工参数对地表沉降的影响大小和作用机理,进而提出不同地层分布下盾构掘进参数的控制范围和盾构姿态控制措施、同时以现场实验为基础提出了针对不同地层的渣土改良方法,有效地避免了刀盘结泥饼、喷涌情况的发生,保证了盾构机在该地层的顺利掘进。针对区间刀具过快磨损的风险,在参数控制、渣土改良以及盾构姿态控制策略的基础上提出了评估上软下硬土层分布情况、盾构施工地质适应性问题的方法以及土压平衡盾构在上软下硬地层掘进时的刀具磨损超前控制策略,并通过工程实际进行了验证分析。