随着科学和技术的不断发展,盾构掘进机已被广泛应用于城市地下铁路、越江通道和地下管线等隧道工程的施工中,并取得了巨大的成功,形成了一系列有关盾构掘进机地层适应性设计理论和方法。然而在实际施工过程中,由于刀具布局不合理,导致工程事故时常发生,给整个工程的工期、造价、质量带来严重影响,甚至威胁人的生命。因此掌握刀具布局设计的关键技术,提高自主创新能力,进而降低工程造价,科学指导施工,具有重要的战略意义。本文首先回顾了国内外有关刀具布局和磨损研究所取得的成果,从中发现其科学问题。然后围绕盾构掘进机刀具布局相关问题,做了如下几方面的研究:(1)基于D-H矩阵,分析盾构掘进机刀盘上安装的正滚刀、切刀的运动过程,得到刀具破岩的运动规律,建立了工作刀刃的掘进运动学模型,完成对刀具速度、加速度的分析和研究;(2)通过研究揭示了刀具的磨损及影响磨损的相关因素,主要包括地质参数、刀具(种类、材料、结构)、掘进参数等,并从设计和施工等各方面,概括总结提高刀具耐用度的各项措施,最后根据实验数据建立刀具磨损量的预测模型;(3)针对土压平衡盾构机,依据刀具磨损的等寿命原则,提出了确定刀具数量的方法,该方法同时可以预测盾构在隧道开挖区间刀具是否需要更换以及需要更换的次数,或者满足磨损条件下掘进的有效距离,考虑刀具磨损的等寿命原则,采用阿基米德螺旋曲线作为优化刀具在刀盘上布置方法;(4)基于刀具平面对称布局原则,计算先行刀的超前量,建立了土压平衡盾构刀盘上先行刀的立体布置方法;(5)通过实例计算和对沈重试验台刀具布局评价,验证了刀具布局方法的合理性、正确性。最后,对下一步地研究工作做了总结和进一步研究的展望。