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随着城市隧道的广泛应用,盾构机己成为隧道挖掘过程中的不可缺少的工具,有关专家已预言,未来全球50%的隧道建设将在中国。然而,在砂卵石地层中施工,是盾构机当前面临的一个重要课题。盾构在砂卵石地层中施工时,刀盘故障频频发生,而且刀具磨损非常严重,这给施工工程造成了不小的经济负担,己占至整个施工工程成本三分之一。此外,在砂卵石地层施工所需的刀盘扭矩与推进力,一直居高不下,如在某盾构工程中盾构最大的推进力达到了34000KN,最大刀盘扭矩接近5100KN·m,致使刀盘过载较为频繁,从而进一步加剧了刀具的磨损。本文针对目前砂卵石地层盾构施工所面临的问题,以砂卵石地层为研究对象,在前人的研究基础之上提出了“铣削——离散——碾压”的破岩新方法,以达到降低刀具磨损,同时减少盾构机在砂卵石地况下能耗的目的。具体研究内容如下：(1)研究了砂卵石的强度特性,如单轴抗压强度、剪切强度、长期抗压强度等。分析了砂卵石地层盾构刀具的破岩机理、破岩力以及刀盘载荷；对刀具磨损、刀盘故障的原因进行了理论研究。(2)针对目前盾构在砂卵石地层中施工中磨损严重的问题,提出了“铣削——离散——碾压”的破岩新方法：在盾构刀盘上安装铣刀,该铣刀先于其他刀具切削岩石,在原始岩石表面铣削出条状相间的沟痕(称之为“离散化”),然后滚刀再碾压开挖面,从而达到了降低盾构机的切削力、刀具的磨损和节约盾构机的掘进能耗的目的,进而提高了盾构机的掘进效率。(3)为实现“铣削——离散——碾压”的破岩新方法,设计了链轮驱动的行星轮机构,以便实现动力的传递。(4)利用ANSYS Workbench模拟仿真离散化岩石表面沟痕的间距、直径与滚刀摩擦力之间的关系,结果表明当离散化岩石表面沟痕的间距为100mm,直径为60mm时,滚刀破岩时所受的摩擦力比在连续的岩石表面情况下降低了77%。(5)利用ANSYS/LS-DYNA,对滚刀破岩过程进行了显式动力分析,并模拟仿真了岩石表面离散化与滚刀破岩力之间的关系,发现滚刀的垂直力与滚动力分别比在连续的岩石表面情况下降低了75%和90%。(6)利用数值模拟结果,分析了岩石表面离散化后,滚刀磨损量和比能耗的降低率,得出的结论是：滚刀比能耗与磨损量比传统破岩方式分别降低了95%和73%。