盾构法是在土层或岩层中暗挖隧道的一种方法,具有施工速度快、振动小、噪声低、对周围环境影响较小等优点。盾构施工法作为现代隧道施工最先进的工法代表,在国内外运用非常广泛。盾构机是盾构施工法的主要设备,而盾构机的刀盘与刀具作为盾构机的开挖土体部件,在盾构施工中起着非常关键的作用。在地层中施工,盾构刀具磨耗严重,容易磨损脱落。一旦出现这种情况,将导致刀盘扭矩上升,施工困难。研究如何减少刀具磨损,到盾构施工具有重要的意义。本文研制了一种盾构机模拟试验系统,包括试验台鞍座、土箱、切削机构、输送机构、液压系统等。该试验系统可以模拟对各种地质条件岩土的掘进,为施工工艺参数和技术决策提供科学依据。在核心参数计算基础上,设计了试验台的刀盘、刀盘驱动系统、推进系统、输送系统、土箱等部件。对于液压系统进行了设计和计算。对整个系统设计的液压元件、减速箱以及各种传感器进行了元件选型。论文以土力学、岩石破碎学为基础,从土体性能研究入手,对不同盾构刀具切削机理进行研究,通过对刀盘扭矩构成因素的全面分析,建立了刀盘扭矩估算的理论模型,导出了各扭矩分量的计算公式,由岩土性能参数分析计算了切削刀具的受力,分别计算出刀盘上每把刀具所承受的力和扭矩。论文系统分析了刀具的磨损原因和影响因素,并通过算例说明刀具寿命预测的分析方法,运用掘进参数检测滚刀的失效原理,滚刀磨损和失效的判断方法,介绍了刀具失效的常用判断方法,并给出了提高刀具寿命的建议。运用PRO/E设计软件对盾构机模拟试验台的主要组件进行了结构设计,利用有限元分析软件ANSYS对主轴和切削刀具工作过程中所受的剪切力进行了有限元分析,为刀具的选择、安全系数的选取等提供了重要参考。