岩土盾构机是一种专用的隧道掘进设备,在中国日益重视开发地下空间的今天,具有十分广阔的市场前景。刀盘系统是盾构机的核心部件,具有破碎岩石、开挖土体和稳定掌子面等功能。设计合理的刀盘系统可以大幅提高盾构机掘进性能、刀盘寿命和刀盘大轴承寿命,降低掘进成本,降低工作振动,降低噪音等。目前,国内有关盾构掘进机盘形滚刀破岩特性的研究与国外相比较,存在一定差距。因此,本文对滚刀振动、滚刀破岩、滚刀磨损和刀具布置等进行深入研究,从而达到提高盾构机掘进效率的目的。本文的主要研究工作有：(1)针对盾构机掘进过程中的滚刀振动问题,采用ABAQUS软件对双刃滚刀进行模态分析,得出滚刀的固有频率值和振型图,为避免滚刀共振提供理论依据；对于滚刀受力过大失效问题,对滚刀进行静力学分析,得出不同受力状态下滚刀的应力分布,为滚刀结构设计提供理论参考。(2)对单刃滚刀进行破岩仿真分析,得出滚刀所受垂直力、滚动力和侧向力与掘进时间的关系；设置滚刀不同切深,仿真滚刀不同切深下岩石的应力状态,得到岩石所受应力达到岩石抗压强度时滚刀的切深；选取滚刀不同刀间距,分析滚刀不同刀间距下岩石的应力状态,得到滚刀一定切深下的最优刀间距；对滚刀刀圈正面不同均匀磨损量进行破岩仿真,得到滚刀受力的变化曲线,获取滚刀刀圈截面形状对磨损的影响。(3)针对刀具的磨损问题,选取硬岩颗粒对刀具的磨损进行有限元分析,分析硬岩颗粒对刀具造成的磨损后刀具表面金属的应力分布和变形情况。根据滚刀磨损量的计算公式,分析了均匀磨损和弦偏磨损的预测公式,预测滚刀在均匀磨损和弦偏磨损情况下的磨损量。(4)研究了切刀布置曲线和刀具数量确定方法；针对刀盘不同半径上刀具磨损量不同的现象,采用等寿命原则对切刀布置数量进行优化,达到提高岩土盾构机切刀使用寿命的目的。(5)分析了滚刀和刀盘受力状态,基于刀盘受力平衡原则,采用对称阿基米德螺线的刀具布置方法,对刀具布置进行优化,为刀盘设计提供理论参考。