盾构机作为隧道施工专用设备,广泛应用于城市地铁、市政管网、公路隧道等工程建设中。刀盘是盾构机核心部件,直接承担开挖土体切削任务,刀盘结构设计及刀具选型布置能否与地质相适应,直接关系到隧道建设的成败。本文依托国内长江某公路隧道工程,采用盾构法隧道施工,线路长度5530 m,衬砌直径达14.5 m。工程水文地质条件复杂,具有开挖断面大、覆土厚度浅、掘进距离长以及切口水压高等特点,尤其是江中段上软下硬地层,基岩石英含量超过65%,单轴抗压强度平均值超过40MPa。本文在对比分析现有刀盘刀具理论研究的基础上,选用理论分析、数值模拟及工程应用等手段对复合地层盾构机刀盘刀具进行优化设计和工程应用分析。主要工作如下:1.针对本工程复杂水文地质条件,对盾构机刀盘刀具选型分析,进而开展大直径盾构机刀盘结构设计。利用有限元软件对三种不同工况下刀盘结构受力分析,结果表明其强度、知施工中不会产生共振,结构安全可靠。同时为满足施工需求,进刚度满足设计和施工需求。通过模态分析,得到刀盘固有频率,得一步提升刀盘功能配置,开发出常压切削刀更换装置及方法,降低换刀风险,提供施工效率。2.刀具选型方面,在研究刀具破岩机理和布置规律的基础上,对本工程各类刀具合理选型,确定其布置方法和布置参数。当地层变换时,通过优化调整刀具高度、数量等布置参数,确保满足不同地层开挖需求。3.通过工程实践分析刀盘刀具应用效果,重点对刀盘技术参数和刀具选型配置进行分析。根据施工数据分析得知,刀盘结构实际推力和扭矩值小于设计值,从而验证刀盘结构设计满足不同工况条件。通过对不同地层刀盘刀具适应性分析,进一步验证刀盘刀具与地质之间的匹配性。通过滚刀磨损分析得出三种破坏方式和原因,并对刀具参数进一步优化,选配重型滚刀刀圈,刀鼓表面耐磨硬化处理,对比分析优化前后施工数据,滚刀破岩能力和效率得到了提升,进而验证滚刀和施工参数优化的合理性。