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随着我国大规模基础建设的展开,所需建设和在建的隧道越来越多,而TBM能够以更快的速度和更高的质量以及更低的成本完成对隧道的开挖,因此,TBM的应用将越来越广泛且会不可避免的面临复合地层掘进问题。在TBM开挖隧道的过程中,掘进机前端的刀盘所处的工作环境十分复杂,尤其是在复合地层中掘进时,滚刀破岩过程中滚刀对刀盘的作用力直接影响着掘进机掘进的方向,而在不同的地质条件和施工参数下盘形滚刀破碎岩石的效果又不一样,且滚刀的磨损情况十分严重,在复合地层中还会出现滚刀偏磨的现象,直接影响着施工的进度和成本。因此,对TBM盘形滚刀破岩机理及磨损情况进行研究就变得十分重要。本文综合采用理论分析及数值模拟方法对这一问题进行研究。主要内容如下:(1)基于对盘形滚刀磨损因素的分析,介绍了包含滚刀结构参数和掘进参数的定量预估滚刀磨损量的方法,并且对滚刀在复合地层条件下发生偏磨的条件和滚刀偏磨的磨损量进行了分析,得到了滚刀正常磨损量与滚刀偏磨量的预估方法。(2)通过对盘形滚刀破岩运动的分析,在单点双角度变量理论的基础上,建立了TBM盘形滚刀破岩三维力学模型,并进行了相应的研究,推导出了盘形滚刀垂直力、滚动力和侧向力的数值模型,且结合了已有理论模型对其进行了可行性验证。(3)将盘形滚刀三维破岩力学模型应用到复合地层中,并对复合地层条件下的滚刀破岩力和滚刀破岩时的岩体应力场进行讨论和分析,得到了滚刀作用下岩石的破坏区域和损伤区域,通过研究发现岩石损伤区域是不对称的且损伤区域被划分为两部分:左损伤域和右损伤域。(4)对复合地层条件下的滚刀偏磨进行了分析,研究了偏磨在软硬复合地层中发生的风险因素。此外,还通过参数分析研究了滚刀切深和滚刀安装半径对滚刀偏磨量的影响。(5)采用通用有限元程序ANSYS/LS-DYNA对滚刀贯入下的岩石应力场及破坏特征进行分析,讨论了盘形滚刀破岩过程中的受力变化及岩石破碎过程;研究了均一地层和复合地层情况下滚刀的破岩力变化情况,并分析了复合地层滚刀破岩的掘进效率。