近年来盾构施工法在城市隧道工程中的应用越来越广泛,边缘滚刀作为盾构刀盘系统的主要组成部分之一,其破岩特性和布置方式的研究对于提升盾构施工质量和效率具有重要意义。本文在查阅国内外大量文献的基础上,结合工程实际,建立了边滚刀破岩数值仿真模型,利用正交试验方法分析破岩效率影响因素的显著性,并提出了边滚刀的优化布置方案。具体研究工作如下:1、根据滚刀的安装位置将其分为中心滚刀、正面滚刀和边滚刀,在正面滚刀破岩力预测模型的基础上,考虑边滚刀安装倾角的影响,给出了边滚刀的垂直力、滚动力和侧向力的理论计算模型;基于破岩比能耗概念给出了边滚刀破岩体积的计算方法并分析了破岩效率的影响因素。2、以成都地铁某盾构刀盘为例,确定了滚刀与岩体的材料和尺寸参数,利用ABAQUS有限元分析软件对#29-#32边滚刀建立破岩数值仿真模型,将仿真得到的破岩力与理论计算值对比,结果显示,仿真值与理论值的变化趋势基本一致,并计算得到越靠近刀盘边缘的滚刀破岩比能耗越大,与工程实际相符,验证了数值仿真的可行性。3、基于边滚刀破岩仿真模型研究了滚刀刀圈刃宽、刃角、安装倾角、刀盘圆弧过渡半径单因素作用下破岩效率的变化规律,并进一步利用正交试验方法研究多因素综合作用对破岩效率的影响,运用SPSS软件求解得到安装倾角是影响最显著的因素。在此基础上对该刀盘边滚刀安装倾角进行优化,通过多组仿真得到首把边滚刀最优倾角为7°,并以倾角差递减的方式布置后序滚刀,仿真验证了优化后总体比能耗减小12.17%。4、在安装倾角优化结果的基础上对边滚刀的安装位置进行重新布置,建立了以刀盘最小径向不平衡力和最小倾覆力矩为目标函数的多目标优化模型,利用粒子群算法进行求解,结果显示,径向不平衡力减小了15.31%,倾覆力矩减小了19.39%,且满足刀具布置原则。