全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)由于其地下施工效率高、安全性好和环保性强等特点,越来越被广泛地应用在地下隧道工程中。刀盘位于TBM的最前端,承受着滚刀群破岩时带来的不均匀载荷,可能会出现滚刀磨损、刀盘变形和主轴承损坏等情况。为保证滚刀、刀盘、主轴承不受损伤以及隧道顺利施工,需对刀盘上滚刀受力和磨损进行分析以确保刀盘的强度和刚度,避免刀盘发生过大的变形和振动。本文基于秦岭I线隧道工程的TB880E型号刀盘,采用有限元软件ABAQUS建立符合实际工程的刀盘-岩石物理仿真模型,研究对称与不对称刀具下的TBM刀盘受力特性。首先,对边缘滚刀(磨损程度较高)建立破岩模型进行仿真模拟分析,确定边缘滚刀的最优刀圈切削刃角;其次,不仅对刀盘在模拟过程中的质量缩放系数进行确定,还对刀盘施加均布载荷分析其强度和刚度;最后,将不对称滚刀应用到整个刀盘与对称滚刀刀盘对比,研究两种刀盘的总推力、总扭矩、不平衡载荷特性以及刀盘变形,分析滚刀受力与磨损的规律,为TBM刀盘的结构设计提供一定理论参考。本文的主要工作内容如下:(1)简单总结了全断面岩石掘进机在国内外的现状以及其发展历程,以及边缘滚刀破岩、刀盘载荷力学性能和刀盘仿真分析的国内外研究现状;阐述了全断面岩石掘进机的分类、选型、掘进原理、刀盘系统组成(包括滚刀布置和安装)以及刀盘主参数,对盘形滚刀破岩受力模型、边滚刀刃角和受力理论、刀盘的力学荷受载理论进行归纳和推导。(2)通过有限元软件ABAQUS建立边缘滚刀的动态破岩仿真模型,对边缘滚刀的三向力(垂直力、滚动力和侧向力)、破岩体积和比能耗进行提取计算分析,分析边缘滚刀三向力的变化趋势,验证模型的正确性;尔后,研究分析刀具对称和不对称刃角的变化对边缘滚刀破岩效率的影响,并对边缘滚刀的对称不对称刀圈刃角进行优化分析;(3)根据秦岭Ⅰ线隧道实际施工的TB880E型号刀盘,用PROE三维软件建立刀盘-岩石物理模型,首先,对导入ABAQUS软件中的刀盘基体通过静力学以分析其刚度和强度性能;然后,对TBM刀盘施加边界条件分析其掘进过程(包括岩石损伤、每个滚刀所受三向力、刀盘推力和扭矩),最后通过模拟数值与理论数值进行对比验证岩石-刀盘仿真模型的正确性。(4)通过对刀盘施加一定边界条件,研究对比分析对称刀盘与全部更换边滚刀的不对称刀盘的推力、扭矩、不平衡载荷和刀盘变形,同时分析滚刀受力与磨损的规律,探索对称刀盘与不对称刀盘的变形特点和规律。