土压平衡盾构掘进机是国家基础建设隧道施工中重要的技术装备。刀盘是盾构的关键部件,掘进过程中起到破碎岩土、过流碴土和支撑掌子面的作用。研究碴土在刀盘系统内的运动规律以及碴土对刀盘系统的动态载荷对揭示刀盘与岩土的交互作用机理、设计和优化刀盘结构具有重要的理论和现实意义。论文在国家自然科学基金项目“盾构刀盘与岩土动态交互作用机理及刀盘系统设计理论研究(E51105048)”的资助下,主要完成了一下内容:(1)以某土压平衡盾构机刀盘系统为研究对象,应用离散元软件PFC3D建立刀盘系统掘进系统的离散元仿真几何模型,根据盾构刀盘系统掘进过程中的工作原理,施加了相应的载荷边界条件和工作参数,为进一步的仿真分析奠定基础。(2)以辐条式盾构刀盘为例,分别获取了掘进过程中刀盘阻力和刀盘扭矩,仿真得到的阻力值和扭矩值与理论计算的推力值和扭矩值相比对,从两方面验证仿真模型的合理性;变化刀盘转速,获取了不同时刻下刀盘内、刀盘前方和密封舱内的土颗粒位移分布;得出土颗粒的运动规律呈现周期性变化,且周期与刀盘转速有关。(3)改变刀盘开口形式,选取刀盘前方不同位置处的颗粒组,并跟踪颗粒的流动情况,经过对比得出辐条式刀盘颗粒通过率为67%,辐板式刀盘颗粒通过率为33%,辐条式优于辐板式刀盘,并对两种刀盘形式的隔板压力和刀具正压力进行对比分析。结果表明辐条式刀盘结构在综合性能上优于辐板式刀盘结构。但仍然需要改进辐条式刀盘中心区域的结构;减小辐板式刀盘辐板与土颗粒的摩擦,改进刀具的布置倾角,以改善颗粒的流动。(4)在基础仿真模型参数的基础上,单独调节颗粒接触刚度、摩擦系数以及刀盘转速、推进速度和螺旋输送机转速,研究参数变化对刀盘扭矩、推力和密封舱隔板压力等宏观掘进性能指标的影响,为盾构刀盘系统结构设计和操作参数选用提供理论基础。