盾构是以土质地层为主的全断面施工的地下工程机械装备,其刀盘结构是实现掌子面稳定、进行隧道开挖掘进的关键部件,随着城市地铁的大批建设,有些工程技术难题伴随出现,如盾构在砂卵石、砾石、桩基和古树根等地层的挖掘效率差等问题。为提高刀盘地质适应性,从结构形状出发对盾构刀盘进行探究。本文基于锥形刀盘结构形状对刀盘进行理论与应用研究。首先,对锥形刀盘盾构的两个关键掘进参数——推力和扭矩,进行理论计算模型建立推导,并验证计算模型的可靠性和应用性。其次,通过对刀盘的静态分析研究同工况下随刀盘锥角的变化调整,不同刀盘刚度及强度的变化规律;还建立了盾构挖掘过程的模拟仿真模型,来研究不同刀盘情况时密闭舱内土体流动和压差情况。进而探析锥形刀盘理论应用的可行性和优越性,为锥形刀盘结构设计应用提供理论参考。本文主要工作内容概述如下:(1)总结盾构在国内的应用及发展历史和盾构刀盘适应性、结构设计和推力及扭矩计算模型的国内外研究现状;概述了盾构构造组成、作业原理及其分类,详尽介绍分析了刀盘系统构造、刀具布置和其他功能结构。(2)根据土压理论,使用力学和数学知识,分别建立了锥形刀盘盾构的推力和扭矩计算求解模型。将盾构正常掘进时刀盘产生的推进阻力进行细化,即,刀盘开挖面土压力产生的推进阻力、刀盘侧面与地层的摩擦力、辐条侧面与渣土的摩擦力、刀具贯入地层时产生的阻力;经过刀盘推力扭矩的各组成因素系统剖析,对锥形刀盘盾构推力和扭矩的各组成成分进行理论计算公式推导;并基于两类盾构施工实例的盾构及地质参数,对锥形刀盘盾构推力和扭矩计算理论模型进行验算,结果均满足经验需求,为锥形刀盘盾构的推力和扭矩设计计算提供很好的理论参照。(3)使用三维建模和有限元软件,分别在三种工况下对不同锥角的刀盘进行静态分析,探究刀盘锥角对刀盘刚度和强度的影响及变化规律,进而对刀盘锥角进行优化;还做了盾构正常推进过程的模拟仿真,对密闭舱内流场压力分布及土体流动状况进行分析。通过对不同刀盘前后的压力进行监测,探析刀盘锥角与刀盘压差的关系。