随着城市化的不断发展,地铁交通越来越受到青睐。在地铁建设中,盾构法修建隧道具有对周围环境影响小、自动化高、优质高效、安全环保等优点。盾构刀盘是实现盾构机掘进的关键部件,由于我国岩土结构复杂多变,掘进过程中刀盘与土体不相适应的问题多有出现。其中钙质结核是一种力学特性极不稳定的地层,也是事故多发地层,因此基于钙质结核地层开展对盾构刀盘的掘进力学特性研究具有重大的现实意义。本文以郑州地铁10号线某区间盾构机施工穿越钙质结核地层为工程背景,借助切削理论、运用ABAQUS有限元软件,针对施工过程中存在的盾构刀盘、刀具与钙质结核地层的适应性难题,进行受力特性研究,根据模拟结果提出对盾构刀盘、刀具的优化措施,达到改善刀盘载荷分布、减少刀具磨损、提高盾构掘进效率的目标。本文主要研究内容如下:（1）介绍区间工程地质概况,分析钙质结核土的成因、特点以及分布情况,总结刀盘设计基本准则和刀具的切削理论,探究刀盘刀具地质适应性问题。（2）基于本工程地质特点,构建盾构刀盘和土体的三维仿真模型,引入刀盘刀具切削荷载计算理论,模拟盾构刀盘在钙质结核地层中的掘进过程,得出刀盘的切向荷载、法向荷载和扭矩的变化规律,先对比分析不同含量钙质结核土地层中（钙质结核土、弱钙质结核层、完整钙质结核层）刀盘结构的力学响应;再对比分析完整钙质结核地层中不同刀盘旋转速度和推进速度等掘进参数下刀盘的力学响应。（3）建立切刀和土体的三维模型,分析模拟结果得到切刀切削力的变化规律,先对比分析不同含量钙质结核土地层切刀的力学响应;再对比分析完整钙质结核地层中不同切刀的切深和前角情况下切刀的力学响应。（4）根据刀盘仿真模拟结果,针对出现的刀盘受载分布不均、刀具磨损严重、掘进效率低等问题,基于阿基米德螺旋线法优化盾构刀具布置方式;建立掘进效率评价标准,优化掘进参数,提出适合本工况的刀盘推进速度和转速;增加滚刀辅助盾构掘进,改善刀具地质适应性;对比优化前后的刀盘刀具磨损量实测值,验证模拟结果,为盾构穿越钙质结核地层施工提供理论指导。