盾构掘进机是隧道施工主要的机械设备,它的安全性和可靠性对于施工安全和效率至关重要。盾构刀盘是盾构机的核心,在隧道掘进过程中起着开挖并稳定掌子面、搅拌排出渣土的作用。但在目前施工过程中经常出现盾构刀盘阻塞、开裂和刀具异常磨损问题,为保证盾构施工的顺利与安全,在不同的地层中应采用不同的刀盘结构和开口设计。不适宜的刀盘结构和开口设计可能引起盾构刀盘开裂,刀具磨损进而影响施工安全和施工效率,本文为盾构刀盘开口设计、静力学和动力学性能评估提供了系统的理论研究和数值模拟分析。本文研究内容包括以下四个方面:(1)刀盘开口起着将渣土从开挖面排出到土舱的作用,针对刀盘开口率不能反映刀盘开口实际排渣效果的问题,本文提出了用刀盘分区开口率代替刀盘开口率的方法,将刀盘分成若干等宽的圆环形区域,分别计算每一区域开口率以此判断刀盘开口位置开口大小是否合理。本文所提方法可以更准确更有效地评估刀盘的实际排渣效果。(2)施工过程中,刀盘固有频率与外部激励频率接近会引起刀盘共振,从而导致刀盘开裂问题。本文设计了一套用于监测盾构刀盘振动的设备,并成功用于济南地铁盾构施工过程的振动监测。在该设备采集到刀盘的振动信号后,本文利用卡尔曼滤波算法和快速傅里叶变换对振动信号进行处理分析,得到了刀盘振动的主频,为设计刀盘时避免刀盘共振提供了参考。(3)盾构刀盘开裂在盾构施工过程中是种严重问题,为研究刀盘结构强度,本文首先采集了济南地铁某盾构区间工程数据,利用有限元分析的方法对刀盘在静力作用下的应力和变形进行了模拟和分析,刀盘结构经过三次焊接钢板加固后,其安全系数从1.22提升至1.39;其次,本文分析了刀盘牛腿角度、刀盘牛腿支撑位置和刀盘牛腿壁厚三个结构参数对刀盘应力和变形分布的影响规律,可以据此对刀盘的静力学性能进行优化。(4)刀盘模态是刀盘本身一种动力学特性。本文对济南地铁盾构刀盘进行了模态分析,刀盘经过三次焊接钢板加固后,刚度不断提升,固有频率不断增大,又对影响刀盘模态的因素进行分析,得到了牛腿角度、牛腿支撑位置、刀盘开口率、牛腿壁厚对刀盘模态的影响规律。设计刀盘时可以根据此规律改变刀盘固有频率防止刀盘共振开裂以此优化刀盘动力学性能。本论文的研究结果可以为刀盘设计人员在布置刀盘开口时提供理论指导。并从静力学和动力学两个方面为盾构机刀盘结构设计提供计算依据,可以据此对刀盘结构设计进行优化,避免局部应力过大及固有频率与施工频率接近引起刀盘共振开裂。本文研究结果可以进一步加快国产盾构刀盘的研究和开发进程。