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全断面岩石隧道掘进机(TBM)是集机、电、液、光于一体的高端大型装备,TBM设计参数要针对具体工程要求、工程地质条件等因素确定,不同的隧道工程TBM的各设计参数是不同的,可以说没有完全相同的两台全断面岩石隧道掘进机。作为TBM的关键部件,TBM刀盘参数设计确定要综合考虑地质水文条件、高效破岩理论、制造技术等多方面因素影响,其设计过程复杂,属于复杂工程系统设计问题。刀盘设计的优劣反映在TBM刀盘的地质适应性,直接关系到破岩、出渣的快慢,进而影响工程进度。攻克TBM刀盘关键设计技术,掌握刀盘设计的理论方法,提高自主创新能力,攻克长大隧道关键掘进技术,具有重要的战略意义。本课题来源于国家863项目“大直径硬岩隧道掘进装备关键技术研究及应用”。本文对特殊围岩条件下TBM刀盘的地质适应性设计理论、TBM刀盘的设计理论方法及制造技术进行了研究。主要研究工作如下:(1)分析硬岩隧道掘进机(TBM)的研究背景和国内外使用现状。详细阐述了我国在不同阶段对硬岩隧道掘进机(TBM)的使用情况,指出了当前我们对TBM设计制造核心技术掌握的不足之处,以及今后攻克的方向。(2)研究了甘肃引洮引水工程TBM掘进段的地质情况,对其地形地貌、水文地质情况进行了分析,明确疏松砂岩、粉质泥岩等软岩地层对刀盘开口率的具体要求,指出了六角形菱形管片设计存在的不足之处。结合上述,研究分析了原有刀盘设计的失败原因。(3)对TBM滚刀的破岩机理及滚刀受力进行了分析。结合引洮工程特殊地质条件明确了滚刀布置的基本原则,确定了滚刀刀间距和刀盘受不平衡力的设计要求,最后根据优化后刀盘实际布置,对滚刀刀间距和刀盘不平衡力进行理论验证。(4)建立刀盘的三维模型,分别对刀盘受极限负载、不均匀负载和偏心负载三种特殊工况条件下进行有限元受力仿真分析,分析刀盘在三种工况下的应力和变形情况,验证TBM刀盘设计理论方法的适用性。