目前在我国地下工程建设的高潮中,盾构法被使用的越来越多。盾构法施工是一个多元素、多参数协同作用的过程,在盾构法施工中尚且存在着很多未被掌握的规律,比如盾构参数与地表沉降、围护结构变形等之间的关系。为了探明这些规律,目前较为直观的方法是三维地质力学模型试验,通过三维地质力学模型试验探寻到一定的规律,通过严格的相似比转化即可得到原型工程中的规律。本文以北京砂土地层为工程背景,以1:5的几何比尺为研究基础,通过试验研究及理论推导的方法,对盾构机-地层相似系统进行了研究,包括模型相似材料配比试验研究、模拟盾构机的设计研究、以及盾构施工相似研究等内容。该研究让三维地质力学模型试验的盾构机-地层相似系统理论更加完备,方便后续学者开展有关盾构的模型试验。研究取得的具体成果如下:1)通过量纲分析法和方程分析法推导出了相似系统中各相应物理量的相似准则,根据1:5的相似比尺,分别计算出了地层和盾构机的中各个原型和模型相对应物理量的相似比尺;2)通过计算分析,阐释了模拟盾构机机身与地层接触相似的内容,总结出了模拟盾构机掘进过程中推力计算的一般公式,并验证了其准确性。该公式包含盾构机参数以及模型地层参数,很好地将模拟盾构机和模型地层联系了起来。适用于各种模拟盾构机的掘进推力计算,对于模型试验中的盾构掘进部分是一个非常重要的理论补充;通过计算分析,推导出了模拟盾构机掘进过程中的掘进速度、刀盘转速与几何比尺的关系,将“时间”因素考虑进了相似系统,使整个盾构机-地层相似系统的理论体系更加完善;3)结合理论研究成果,通过土工试验,成功研制出符合几何比尺为1:5的相似材料,并给出了模型相似材料的配比具体值;并对试验结果进行了因素敏感性分析,得出了磁铁矿粉、粉土、粉砂以及含水率这四个组成部分对模型相似材料物理性质的影响规律;并对试验过程进行了总结分析,提出相应的建议;4)结合理论研究成果,自主设计了符合几何比尺为1:5的模拟盾构机,该模拟盾构机能够完成切削出土等主要掘进功能,主要内容包括模拟盾构机主机即刀盘、盾壳、主驱动、主推机油缸及螺旋输送机;辅助设备即出渣系统、反力架、始发和接收基座、止退装置、洞口密封、测量系统及控制与操作平台;并明确了模拟盾构机的各系统相应参数,参照这些内容即可生产制造出模拟盾构机。