摘要：论文主要依托北京地铁四号线14标、北京地铁四号线4标土压平衡盾构工程及南京纬七路过江通道泥水平衡盾构工程,同时总结国内成都、沈阳等砂卵石地层地铁盾构隧道工程相关案例,采用理论分析、现场实验、盾构模型实验等手段对砂卵石地层盾构刀盘刀具设计及其与土相互作用进行了系统深入的研究,取得了一系列有益于理论和实践的研究成果。1)总结提出了刀盘设计流程,以刀盘设计流程为主线,全面论述了刀盘设计的各个环节,根据前人研究成果和个人工程经验提炼总结了各种地质条件下刀盘刀具合理设计参数及材料工艺选择,建立了刀盘设计理论框架；2)总结提出了刀具磨损机理,首次明确提出将合金崩裂等工况列入磨损范畴,定义为非正常磨损；3)借鉴露天煤矿犁松破岩工作原理,提出了砂卵石地层刀具切削机理并命名为“犁松原理”：砂卵石地层盾构刀具切削以鱼尾刀与先行刀犁松原状地层为主,刮刀剥落搅拌为辅,刀具切削扭矩为鱼尾刀、先行刀犁松扭矩之和：综合采用现场实验及室内模型实验对所提出切削机理进行了验证；4)对刀盘刀具过度磨损造成的停机事故中停机机理进行了研究,研究结果表明：停机前的扭矩急增并非源于切削扭矩的增大,而是源于刀盘与地层挤压摩擦扭矩的急速上升；挤压效应对盾构推力影响甚小,但对刀盘扭矩影响显著；5)根据工程案例应用对比及现场实验研究分析,提出了刀盘刀具选型配置原则,给出刀盘刀具设计合理参数建议值,并指出：刀盘选型相比刀具配置更为重要,砂卵石地层土压平衡盾构采用辐条式刀盘综合适应性最强、大直径泥水平衡盾构采用辐条面板式刀盘合理可行,刀具配置中先行刀最为重要,刮刀仅为辅助剥落作用,且刮刀宜采用“钝刀”形式,抗冲击性能优越,不影响掘进效能,值得提倡推广；6)采用理论分析、现场实验、室内模型实验等技术手段研究了土压平衡盾构刀盘结构、刀具配置、刮刀参数对切削扭矩及刀盘扭矩的影响,在此基础上建立了土压平衡盾构刀盘扭矩计算模型T=1250D_e³·μ·P_m·[（π/12）·k·（1-η）+0.5π·ζ],同时取定典型工程条件及地质参数,得出砂卵石地层刀盘扭矩包络经验计算式T=（10.9-23.6）De3,可作为日本学者关于刀盘扭矩统计经验计算式的理论验证；7)采用理论分析及现场实验等技术手段研究了泥水平衡盾构刀盘结构、刮刀参数、泥水性质、掘进参数对切削扭矩及刀盘扭矩的影响,在此基础上建立了切削扭矩及刀盘扭矩计算模型：切削扭矩：T_cut=0.25k_cut（?）D_e²p,刀盘扭矩：T=K{13G_s-mud-13)[（1-η）D_e/12+0.56_刀盘]πD_e²P_f+0.25k_cutD_e²（?）p+k_sealD_e³},(G_s-mud≤1.4)。