城市轨道交通以其安全、迅捷、容量大、能耗低、污染少等优点受到青睐,是现代城市建设中的“绿色交通”。盾构法由于其速度快、施工安全、机械化程度高、地层适应性好等优点在城市地铁的建设中应用的最为广泛。我国地铁区间隧道建设过程中,部分城市遇到了大面积卵石地层,例如:北京、成都、兰州、沈阳等。盾构在卵石地层中掘进,由于卵石强度高、磨蚀性强,刀具磨损严重,需频繁开舱检修刀具,盾构掘进效率低下,严重影响工期,导致工程造价急剧增加。本文采用理论分析、试验、数值计算相结合的方法,针对盾构施工过程刀盘刀具磨损特性的问题进行了深入研究。主要研究内容包括:刀具磨损机理分析、基于颗粒离散元的刀具受力及磨损状态分析、地层磨蚀性分析以及刀具磨损预测公式优化,主要研究成果如下所示:（1）基于摩擦磨损原理对切刀、先行刀切削砂卵石地层时刀具的磨损机理进行了分析,结果表明刀具的磨损类型以磨粒磨损及粘着磨损为主。对磨粒磨损的影响因素进行了重点分析,主要因素包括相对硬度指标、相互作用力,并对其中相对硬度指标在刀具切削砂卵石地层时的应用进行了分析,确定对于刀具切削砂卵石地层时地层中主要的磨粒材料为石英及硬度高于石英的矿物颗粒。（2）基于PFC3D数值计算软件,提出了刀盘刀具切削砂卵石地层的受力磨损分析方法。总结了基于簇模板的砂卵石颗粒生成方法及基于模型导入法的复杂刀盘刀具模型生成方法;通过对盾构切削过程中切削系统环境状态的分析,确定了模型的边界条件;提出了基于固结试验及三轴压缩试验的砂卵石地层细—宏观参数标定方法;通过PFC3D中Fish语言实现了刀具受力状态的记录,结合刀具磨损机理的分析,提出了Fl磨损量指标来代替实际磨损状态的方法;最后基于可视化软件实现了各种状态的直观展示。（3）基于提出的数值计算方法对切刀、先行刀、刀盘切削卵石地层的受力及磨损进行了分析。研究结果表明,在切削过程中,刀具迎土切削面的受力最大,刀具磨损状态与受力状态具有相似性。对比分析了不同上覆土压力及切削速度对刀具受力及磨损的影响,两因素的增加均会引起刀具表面受力及磨损的增大,两者之间的关系可用线性函数表示。对于切刀而言,切削速度对受力的影响要大于上覆土压力,上覆土压力对磨损的影响要稍大于切削速度;对于先行刀而言,上覆土压力对受力的影响稍大于切削速度,上覆土压力对磨损的影响明显大于切削速度。刀盘切削地层过程中,刀盘正面受力最大约为背面的10倍,约为侧面的2～3倍,刀盘正面存在少部分区域受力明显偏大,主要分布在刀具缝隙较窄处。刀盘磨损整体呈内侧小外侧大分布,刀盘外周圈正面的磨损约为中心块处磨损的4倍,刀盘外周圈外侧磨损约为外周圈正面的一半。刀盘正面部分区域磨损量较大,这些区域与受力较大的区域基本相同。（4）分别采用图像分析法、X射线衍射分析法、LCPC试验等对北京大兴机场线典型砂卵石地层的土体颗粒形状特征、EQC、磨蚀性进行了分析。结果表明:从同一地层中筛出的不同粒径颗粒的圆度、轴向系数、棱角性系数和EQC等指标无显著性差异;颗粒级配是影响土样LAC的重要因素,本文提出了ESop指标,土样的LAC与ESop之间关系可用二次函数表示;含水率是影响土样LAC的另一个重要因素,土样的饱和含水率是含水率对LAC影响阶段的一个分界点。在LCPC试验中,钢片磨损量与试验时间呈非线性关系,试验时间对土样LAC的影响按稳定时间可分为两个阶段,当小于稳定时间时,则LAC与试验时间的关系可用二次函数来描述。当大于稳定时间时,则LAC与试验时间的关系为线性的。（5）采用JTS磨损量计算公式对工程实测数据进行了拟合,拟合时将高先行刀、低先行刀及切刀分开进行计算,分析得到粉细砂卵石复合地层中高先行刀的磨损系数约为102.31～113.73μm/km,低先行刀的磨损系数35.94～42.55μm/km,切刀的磨损系数38.60～40.34μm/km,低先行刀与切刀的磨损系数约为高先行刀的40%;刀盘最外侧刀具的磨损量明显高于内侧,采用经验公式对最外侧刀具进行磨损量计算时应考虑修正系,实例中切刀的修正系数为1.2～1.4,先行刀的修正系数为2～3。理论分析及实测数据分析证明开挖断面内地层分布、单一地层磨损系数取值、刀具安装半径对于复合地层磨损系数的取值有着重要影响,尤其是复合地层中不同安装半径刀具的磨损系数有着较大的差别,在计算过程中应对个安装半径的磨损系数进行分别计算。基于轨迹加权法提出了一种JTS刀具磨损预测公式的优化模型,实现了对复合地层中不同安装半径刀具磨损系数的分别计算,并根据实测数据对优化模型进行了验证,同时对比分析了几种刀具磨损量预测公式,结果证明本文提出的轨迹加权法更加适用于复合地层中刀具磨损量的计算。