盾构机是国家基础建设、资源开发和国防建设急需的重大技术装备,被广泛应用于地铁、市政、铁路、公路、水利、矿山、军事等地下工程建设。由于有对施工环境影响小、掘进效率高等优点,正发挥着越来越重要的作用。盾构机一般依靠冗余驱动的推进系统和回转系统带动刀盘旋转进行岩土切削。由于施工过程中复杂地质条件,盾构机在施工过程中往往出现偏载、突变载荷等工况,载荷突变范围甚至处于500-125000kNm的范围。尽管盾构机设计时一般考虑施工区域的地质特点,由于对刀盘载荷的估计不足,在施工过程中参数的选择不适当,往往容易出现刀盘的过度磨损、堵转等事故的发生,因此,对复杂地质条件下刀盘载荷进行研究,对盾构机的设计以及施工过程中的推进载荷以及驱动扭矩的设定具有十分重要的意义。论文基于盾构机工作过程中复杂地质条件的特点,对复合地层进行数学建模,建立刀盘截面圆等效地质模型;根据复合式盾构机上单个盘形滚刀和切削刀的切削机理,建立含岩土力学性能、刀具布局等因素影响的刀盘异质岩土掘进等效推进力、等效弯矩和等效扭矩的数学描述方法。以海瑞克某型刀盘的刀具布置为例,分析刀盘在异质岩土掘进时刀盘推力阻力、扭矩和弯矩的波动特性,并与工程案例进行比较,在此基础上,研究推进载荷与扭矩之间的耦合特性,采用数学模型进行描述。以沈重11号盾构机的冗余驱动的机械系统为例,考虑盾构机主轴齿轮的变形,采用有限元方法分析偏载工况下冗余驱动载荷非均匀传递特性,采用仿真方法对偏载工况下冗余驱动回转系统载荷非均匀传递进行研究。具体研究内容及结论如下:1.复合式盾构机刀盘载荷等效模型的建立。将复杂的地层数学化,建立针对异质岩土的刀盘截面圆土层等效模型;根据复合式盾构机上单个盘形滚刀和切削刀的切削机理,建立刀盘异质岩土掘进等效推进力、等效弯矩和等效扭矩的数学描述方法。2.异质岩土掘进刀盘等效载荷特性分析。基于刀盘异质岩土掘进载荷等效模型,采用德国产海瑞克土压平衡盾构原型,计算其刀盘在异质岩土下所受到的推力、扭矩和弯矩载荷,并对其进行波动载荷研究。研究表明:在盾构刀盘截面圆内软质地质元素含量在30%～33%,65%～68%时,刀盘遭受强烈振动,运动很不平稳,掘进阻力矩也大大高于平均阻力矩,刀盘极易发生堵转,研究结果与云南上公山堵转事故现场基本一致;刀盘所受的推力载荷随刀盘截面圆百分比含量的增加而增加;刀盘的弯矩载荷与刀盘旋转角度之间存在正弦或余弦函数关系。3.异质岩土掘进刀盘推进载荷与扭矩之间耦合特性分析。基于对刀盘载荷波动关系的研究结果,在Simulink环境下进行刀盘载荷仿真,得出正常掘进时“推力”与“扭矩”之间的系数曲线,给出异质岩土掘进推力与扭矩之间函数的参数确定方法和具体参数。4.偏载工况下冗余驱动回转系统的载荷传递特性分析。考虑偏载下主轴结构的非均匀变形,得到偏载工况下冗余驱动主轴系统啮合刚度的非均匀分布规律。针对扭矩载荷波动最为剧烈地质结构,考虑材料内蠕变损伤,对回转系统在异质岩土中掘进扭矩载荷分布进行仿真。研究表明:啮合刚度差异带来电机的损伤演化速度差异,最后导致某个电机首先出现破坏,研究结果部分解释了武汉过江隧道断轴事故的原因。