盾構機扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖性能對比研究

摘要：盾構機在復雜地質條件下施工時，易出現刀具磨損嚴重、刀具消耗量大和掘進效率低等一系列問題。為了明晰不同巖石特性下鑲齒滾刀破巖性能變化規律，提高鑲齒滾刀破巖效率和使用壽命，保證水利隧洞工程安全高效施工，基于非線性有限元動力學軟件，開展了不同巖石特性下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖仿真模擬。通過多組仿真模擬，探究了不同巖石特性下兩種鑲齒滾刀和貫入度的最優組合，并通過室內破巖試驗對仿真結果進行了驗證。研究結果表明：凝灰巖地質條件下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖載荷差異性較小，但球齒型鑲齒滾刀破巖效率更高；砂巖和花崗巖地質條件下，扁齒型鑲齒滾刀貫入巖石能力更強，可進一步提升滾刀破巖效率。此外，在不同巖石特性下，兩種鑲齒滾刀破巖比能耗均隨著貫入度的增大而呈現出先減小后增大的趨勢，并在貫入度6 mm左右出現最小值。研究結果可為隧道工程的盾構機刀具選型提供參考。

關 鍵 詞：盾構機；鑲齒滾刀；巖石特性；破巖性能；有限元方法

中圖法分類號：TV554；TV53

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.023

0 引 言

盾構機作為一種集機、電、光、液、信息技術于一體的大型隧道施工機械，憑借其自動化程度高、施工速度快和施工安全性高等諸多優勢，被廣泛應用于市政交通、鐵路和礦山等地下空間工程^［1-5］。隨著地下空間資源的開發利用，盾構機逐漸被應用到引調水工程、抽水蓄能電站等水利工程。滾刀作為盾構機的核心部件，其破巖性能直接決定了盾構機的施工效率。由于水利隧洞埋深大、地應力高和地質情況復雜，滾刀作用在不同地質易產生磨損斷裂甚至導致刀具失效，從而影響水利隧洞的施工進度和施工成本^［6-10］。長期以來，工程領域非常重視提高刀具破巖能力和延長滾刀壽命相關技術。鑲齒滾刀憑借其高效和高耐磨性的優勢，逐漸在隧道施工行業得到廣泛應用。鑲齒滾刀通過在刀圈上鑲嵌不同類型的硬質合金齒，從而提高滾刀破巖效率，延長滾刀壽命^［11-12］。中國幅員遼闊，地質條件復雜，巖土層物性變化大，盾構機在隧道施工過程中會遇到各種類型的地層^［13-14］。因此，針對不同的地質條件開展鑲齒滾刀選型研究，對盾構機安全高效施工具有重要意義。

目前，國內外學者對鑲齒滾刀破巖機理、破巖性能及破巖參數優化等方面進行了諸多研究。Hu等^［15］通過建立鑲齒刀破巖仿真模型，研究了不同貫入度下滾刀破巖載荷變化規律，發現球形齒可減少刀具磨損。Zou等^［16］通過新型破巖試驗裝置探究不同應力條件和切削速率下球齒和圓錐齒對硬巖破碎的影響。譚青等^［17］基于離散元仿真方法，分析了球齒型鑲齒滾刀作用下巖石內部裂紋拓展規律，發現球齒底部巖石承受壓應力過大而逐步出現密實核。吳帆等^［18］開展球齒型鑲齒滾刀回轉破巖試驗，結果表明鑲齒滾刀破巖呈現“遞進式“破巖特征，并在排齒間距62 mm和貫入度1.5 mm時，鑲齒滾刀破巖效率最高。譚昊^［19］開展了鎬型鑲齒滾刀破巖試驗，發現鑲齒滾刀有效鉆壓和巖石抗壓強度近似呈線性關系，并推導得出有效鉆壓約為巖石抗壓強度的75.48%。侯義輝等^［20］基于有限元數值模擬結果，分析了刀盤轉速、鉆壓和鑲齒數等破巖參數對球齒型鑲齒滾刀破巖效率的影響規律，并得出最優破巖參數組合。劉毅等^［21］基于矩陣分析法，分析了齒寬、齒高和齒數等齒形參數對鎬齒型鑲齒滾刀破巖性能的影響規律，并得出最優齒形參數組合。鄒久群等^［22］基于顆粒離散元法模擬球齒型鑲齒滾刀破巖過程，發現巖石內部裂紋以拉伸裂紋為主，齒端曲率是影響微裂紋數量的核心因素。

綜上所述，目前雖然關于盾構機鑲齒滾刀破巖研究不少，但關于扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖性能對比的研究不多。因此，本文依托潛江—韶關輸氣管道工程岳陽段穿越長江隧道工程 ，對不同巖石特性下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖性能進行研究，利用有限元仿真軟件，開展扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖數值模擬，重點分析不同巖石特性下兩種鑲齒滾刀破巖性能的差異性，為盾構機刀具選型和配置提供參考。

1 鑲齒滾刀破巖仿真設計

1.1 巖石模型

潛江—韶關輸氣管道工程岳陽段穿越長江隧道工程，盾構法施工全長3 481 m。隧道穿越的地層包括了凝灰巖、砂巖和花崗巖，地質條件差異較大。為了探究扁齒型和球齒型鑲齒滾刀在該工程不同巖石特性下的適應性，對3種地層下的刀具破巖性能進行研究。3種巖石材料均采用HJC（Holmquist-Johnson-Cook）本構模型^［23-24］，巖石的材料參數如表1所列。考慮到計算精度和計算時間，巖石模型尺寸設置為400 mm×300 mm×200 mm（長×寬×高），巖石模型均采用六面體網格，網格尺寸為3 mm。

1.2 鑲齒滾刀破巖有限元模型

由于滾刀實際破巖過程中滾刀刀圈與巖石直接接觸，因此以工程中常用的鑲齒滾刀模型為例，忽略刀轂和刀軸等部件，只保留刀圈關鍵部件，建立扁齒型和球齒型鑲齒滾刀模型。扁齒型鑲齒滾刀刀圈直徑也為432 mm，齒頂高10 mm；球齒型鑲齒滾刀刀圈直徑為432 mm，齒頂高為7 mm。兩種鑲齒滾刀均采用剛體材料模型MAT_RIGID，材料模型主要參數為：密度7 850 kg/m³、彈性模量210 GPa、泊松比0.3。考慮到鑲齒滾刀安裝結構復雜，鑲齒滾刀采用四面體網格進行網格劃分，相鄰滾刀間距為60 mm，兩種鑲齒滾刀破巖模型如圖1所示。

1.3 邊界約束條件

為了更真實地模擬實際工況，對巖石的底部進行6自由度全約束，并在巖石底部和側面施加無反射邊界條件，防止巖石有限尺寸對巖石破碎產生影響。考慮到滾刀材料為剛體，對其添加水平方向的移動和繞自身質心旋轉的轉動。設置刀圈移動速度為1.04 m/s，刀圈轉速為0.52 rad/s，從而實現鑲齒滾刀以質心為中心自轉以及沿著水平方向對巖體進行切削。鑲齒滾刀的合金齒尖端需穿透巖石的表面，鑲齒滾刀與巖石之間的接觸模型采用侵蝕面-面接觸，從而更好地模擬滾刀與巖石的接觸作用過程。滾刀和巖石之間的動態和靜態的摩擦系數分別設置為0.35和0.30，保證部分單元失效刪除后，剩余單元依然可提供接觸作用。

1.4 仿真參數設置

為了分析不同巖石特性下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖性能的差異性，從而為現場施工的刀具選擇提供參考。兩種鑲齒滾刀在每種地質下均進行5種貫入度的數值模擬，共進行30組破巖仿真，具體參數如表2所列。

2 仿真結果及分析

2.1 兩種鑲齒滾刀破巖特性對比

基于上述鑲齒滾刀破巖有限元模型，首先進行扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破碎砂巖仿真模擬，兩種鑲齒滾刀的貫入度均為4 mm，刀間距為60 mm。兩種鑲齒滾刀作用下巖石損傷狀態如圖2所示，由于球齒和扁齒尺寸結構不同，其侵入巖石過程中會產生不同類型的破碎坑，扁齒在巖面上留下了較為明顯的長方形破碎坑，而球齒在巖面上留下了類似半球體的破碎坑。

圖3是扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖垂直力動態變化曲線，兩種鑲齒滾刀破巖載荷均呈現出明顯的周期性。隨著鑲齒滾刀不斷向前滾壓，合金齒與巖石發生接觸，巖石局部應力明顯增大，滾刀破巖載荷增大，而后合金齒又脫離巖石繼續向前滾壓，滾刀破巖載荷減小。

2.2 凝灰巖地質下仿真結果分析

根據1～10組仿真結果可知，凝灰巖地質條件下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖特性隨貫入度變化如圖4所示。由圖4（a）和圖4（b）可知，兩種鑲齒滾刀破巖的垂直力和滾動力整體隨著貫入度的增加呈現增大趨勢，但兩者的滾刀破巖載荷相差不大。這主要是因為巖石強度較低，達到臨界破碎所需載荷較小，盡管扁齒和球齒尺寸結構不同，但對破巖載荷影響較小。

目前，破巖比能耗通常用來評估滾刀破巖效率^［25］，比能耗越小，則表示破碎單位體積巖石所需的能量越小，破巖效率越高。凝灰巖地質條件下，兩種鑲齒滾刀破巖比能耗如圖4（c）所示。兩種鑲齒滾刀破巖比能耗均隨著貫入度的增加呈現出先減小后增大的趨勢。當貫入度小于8 mm時，隨著貫入度增大，巖石破碎量逐漸增大，比能耗逐漸減小。然而，由于刀間距固定，當貫入度大于8 mm后，巖石破碎量提升有限，導致比能耗有所增大。此外，球齒型鑲齒滾刀破巖比能耗整體小于扁齒型鑲齒滾刀，這主要是因為扁齒型鑲齒滾刀的齒形為三角錐形，齒形直接侵入巖石面積較小，巖石破碎量有所減小。因此在凝灰巖地質下，扁齒型鑲齒滾刀和球齒型鑲齒滾刀破巖載荷相差不大，但球齒型鑲齒滾刀破巖量相對較大，進而導致破巖效率有所提升。

2.3 砂巖地質下仿真結果分析

根據11～20組仿真結果可知，砂巖地質條件下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖特性隨貫入度變化如圖5所示。由圖5（a）和圖5（b）可知，兩種鑲齒滾刀的垂直力和滾動力均隨著貫入度的增大而增大。但在貫入度較小時，球齒型鑲齒滾刀破巖載荷大于扁齒型鑲齒滾刀，而后隨著貫入度的增大，兩者的破巖載荷差距逐漸減小。這主要是因為球齒的接觸表面為圓弧面，巖石接觸區域更大，導致滾刀破巖載荷有所增大，而后隨著貫入度的增大，滾刀刀圈與巖石直接接觸，使得兩者的破巖載荷差距減小。

砂巖地質條件下，兩種鑲齒滾刀破巖比能耗隨著貫入度變化如圖5（c）所示。隨著貫入度增大，比能耗整體也呈現出先減小后增大的趨勢。當貫入度為2 mm和4 mm時，兩種鑲齒滾刀上相鄰齒之間的巖石難以貫通破碎，僅在齒滾壓巖石處出現破碎，破巖量有限。隨著貫入度的增加，刀圈上的合金齒與巖石接觸充分，相鄰齒之間出現協同破碎作用，滾刀破巖體積逐漸增大，比能耗有所減小。值得注意的是，隨著巖石強度的增大，巖石難以起裂破碎，鑲齒滾刀破巖量提升有限，但扁齒與巖石接觸面積小，破巖載荷有所減小，因此扁齒型鑲齒滾刀破巖比能耗小于球齒型鑲齒滾刀。

2.4 花崗巖地質下仿真結果分析

根據21～30組仿真結果可知，花崗巖地質條件下球齒型和扁齒型鑲齒滾刀破巖特性隨貫入度變化如圖6所示。由圖6（a）和（b）可知，兩種鑲齒滾刀破巖垂直力和滾動力也隨著貫入度的增大而增大，但由于巖石強度高，巖石難以破碎，滾刀破巖載荷增長幅度明顯增大。同樣的，扁齒型鑲齒滾刀破巖載荷也普遍小于球齒型鑲齒滾刀破巖載荷。這主要是因為鑲齒滾刀主要依靠刀圈上鑲嵌的合金齒擠壓剪切巖石，然而扁齒截面形狀為三角錐，合金齒與巖石接觸面積小，使得滾刀破巖載荷有所降低。

兩種鑲齒滾刀破巖比能耗隨貫入度變化趨勢也較為接近，如圖6（c）所示。隨著貫入度的增加，兩種鑲齒滾刀破巖比能耗先減小后增大。當滾刀貫入度較小時，花崗巖強度高硬度大，兩種鑲齒滾刀破巖效果均較差。而后隨著貫入度的增大，刀圈上的合金齒與巖石接觸面積逐漸增大，巖石破碎量有所上升，破巖比能耗減小。相較而言，扁齒齒尖較為突出，相同條件下巖石局部應力大，巖石更易發生局部破碎。因此，硬巖地質條件下，相較于球齒型鑲齒滾刀，扁齒型鑲齒滾刀破巖效果更好。

3 室內試驗驗證

3.1 多功能刀具切削性能測試試驗臺

為了驗證數值模擬結果的準確性，開展球齒型鑲齒滾刀破碎砂巖試驗。鑲齒滾刀破巖試驗在中南大學的多功能刀具切削性能測試試驗臺上進行，如圖7所示。整個試驗臺分為機械系統、測試系統、液壓操作系統。通過液壓操作系統控制試驗臺的機械系統，調節貫入度與試驗臺的平移升降運動，再經過測試系統，采集三向力傳感器的力信號。破巖試驗和數值模擬的球齒型鑲齒滾刀具有相同尺寸結構，巖樣具有相同的材料力學特性。

3.2 試驗方案

采用17英寸（直徑為432mm）球齒型鑲齒滾刀進行線性切割破巖試驗，并對仿真結果進行驗證。設定4組貫入度為2，4，6，8 mm的滾刀破巖試驗，為了與仿真效果對比，設定刀間距為60 mm。通過分析巖石破碎狀態和滾刀垂直力的試驗結果，來比較試驗與仿真的誤差。

3.3 試驗結果分析

當貫入度為4 mm時，球齒型鑲齒滾刀破巖試驗與數值模擬結果對比的巖石破碎狀態與破巖載荷，如圖8所示。數值模擬和破巖試驗均顯示出鑲齒滾刀在巖面上形成不連續的破碎坑。隨著鑲齒滾刀不斷向前滾壓，刀圈表面的球齒直接與巖石接觸，并形成應力集中，當巖石內部損傷積累超過巖石強度極限，巖石起裂破碎形成破碎坑，隨后不斷重復上述過程，巖面最終出現一道不連續的半球體破碎坑。

滾刀破巖載荷是引起巖石起裂破碎的直接因素，同時也是導致滾刀磨損失效的重要因素。整理貫入度分別為2，4，6，8 mm時的4組試驗數據，將測量得到的垂直力取平均值，并與仿真結果進行對比，結果如圖9所示。

隨著貫入度的增大，試驗與仿真的滾刀垂直力均有所增大，且垂直力上升的幅度也隨之增加。在貫入度為6 mm及以上時，隨著球齒貫入巖石更深，滾刀刀圈也即將碰到巖面，使得切削阻力大幅上升。這可能是由于數值模擬中滾刀為不變形的剛體，而實際試驗中滾刀存在一定的變形，此外，試驗中巖樣尺寸也大于數值模擬，提供了更強的邊界約束，導致滾刀垂直力更大。垂直力誤差最大為24.8%，總體誤差在可接受范圍內。從上述分析可知，仿真曲線與試驗曲線變化趨勢相近，仿真結果接近鑲齒滾刀實際破巖情況，進一步說明了有限元仿真方法的可行性。

4 結 論

本文主要建立了扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖仿真模型，模擬了兩種鑲齒滾刀動態破巖過程，分析了兩者在不同巖石特性和貫入度下的破巖特性，并進行了球齒型鑲齒滾刀破巖試驗，驗證了數值模擬結果的準確性，主要結論如下：

（1）鑲齒滾刀破巖動態載荷呈現出明顯的周期性，隨著貫入度的增大，鑲齒滾刀的垂直力和滾動力明顯增加。凝灰巖地質條件下，扁齒型鑲齒滾刀和球齒型鑲齒滾刀在各個貫入度下垂直力平均值相差在8.7%左右，而在砂巖和花崗巖地質條件下，相較于球齒型鑲齒滾刀，扁齒型鑲齒滾刀在各個貫入度下的垂直力平均值明顯減小，約下降了18.12%。

（2）給定刀間距下，兩種鑲齒滾刀在貫入度6～8 mm范圍內能使巖石破碎完整，比能耗最小。凝灰巖和砂巖地質條件下，扁齒型和球齒型鑲齒滾刀在貫入度8 mm時，破巖比能耗最小，即在盾構機推力允許范圍內可適當增加貫入度，提高掘進效率。花崗巖地質條件下，兩種鑲齒滾刀在貫入度6 mm時破巖比能耗最小。

（3）凝灰巖地質條件下，球齒型鑲齒滾刀破巖性能整體優于扁齒型鑲齒滾刀，而隨著巖石強度的增大，扁齒型鑲齒滾刀更易貫入巖石，提高滾刀破巖效率。因此，扁齒型鑲齒滾刀更加適用于砂巖和花崗巖地質條件。

（4）上述扁齒型和球齒型鑲齒滾刀在凝灰巖、砂巖和花崗巖3種地質條件下的破巖性能對比研究，可為實際隧道工程刀具選取提供指導意義。在以砂質板巖為主的潛江—韶關輸氣管道工程岳陽段穿越長江隧道工程，配置扁齒型鑲齒滾刀進行施工，刀具平均使用壽命為488環，最多可達831環，工作性能良好，有效改善了該工程的綜合經濟效益。

參考文獻：

［1］陳湘生，徐志豪，包小華，等.中國隧道建設面臨的若干挑戰與技術突破 ［J］.中國公路學報，2020，33（12）：1-14.

［2］連繼業，王緒湘，朱海平，等.盾構機雙滾刀在復合地層中破巖機理 ［J］.科學技術與工程，2022，22（13）：5340-5347.

［3］劉斌，李術才，李建斌，等.TBM掘進前方不良地質與巖體參數的綜合獲取方法［J］.山東大學學報（工學版），2016，46（6）：105-112.

［4］DESHMUKH S，RAINA A K，TRIVEDI R，et al.Roadheader-a comprehensive review［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2020，95：103148.

［5］湯勝旗，曾亞武，葉陽.臨空面對TBM楔刀貫入破巖效果影響試驗研究［J］.人民長江，2021，52（11）：175-182，189.

［6］趙力，蘇巖，王博，等.秦嶺隧洞花崗巖段掘進機滾刀破巖規律及掘進特征［J］.人民長江，2023，54（4）：170-176.

［7］秦東晨，李帥遠，周鵬，等.TBM雙刃滾刀破巖過程模擬研究［J］.重慶理工大學學報（自然科學版），2020，34（6）：97-101.

［8］DU L，YUAN J，BAO S，et al.Robotic replacement for disc cutters in tunnel boring machines［J］.Automation in Construction，2022，140：104369.

［9］LIU Y，HUANG S，WANG D，et al.Prediction model of tunnel boring machine disc cutter replacement using kernel support vector machine［J］.Applied Sciences，2022，12（5）：2267.

［10］吳遁.盾構切刀磨損與溫度在線監測系統設計與應用［J］.人民長江，2020，51（6）：154-158.

［11］李鳳遠，陳橋，馮歡歡.海底隧道基巖突起段地層典型滾刀破巖實驗研究 ［J］.隧道建設（中英文），2019，39（10）：1720-1727.

［12］WANG L，QU C，KANG Y，et al.A mechanical model to estimate the disc cutter wear of tunnel boring machines［J］.Advanced Science Letters，2011，4（6/7）：2433-2439.

［13］夏毅敏，柯杰，齊夢學，等.TBM掘進參數與不同巖性地層相關性分析 ［J］.東北大學學報（自然科學版），2021，42（3）：401-407，421.

［14］LIN L，XIA Y，MAO Q，et al.Experimental study on wear behaviors of TBM disc cutter ring in hard rock conditions［J］.Tribology Transactions，2018，61（5）：920-929.

［15］HU X K，JIANG H X，DU C L.Finite element method for prediction of rock breaking performance of the tipped hob with different tooth profiles［J］.IEEE Access，2020，8：50421-50430.

［16］ZOU J，YANG W，ZHANG T，et al.Experimental investigation on hard rock fragmentation of inserted tooth cutter using a newly designed indentation testing apparatus［J］.International Journal of Mining Science and Technology，2022，32（3）：459-470.

［17］譚青，張魁，周子龍，等.球齒滾刀作用下巖石裂紋的數值模擬與試驗觀測 ［J］.巖石力學與工程學報，2010，29（1）：163-169.

［18］吳帆，殷麗君，張浩，等.鑲齒滾刀破巖機理及效率的旋轉破巖試驗 ［J］.中國公路學報，2018，31（10）：150-159.

［19］譚昊.基于特征粒徑理論的鑲齒滾刀最優鉆壓分析 ［J］.巖土工程學報，2023，45（6）：1222-1230.

［20］侯義輝，王薇，張心源.球型鑲齒滾刀參數對破巖比能影響性研究 ［J］.鐵道科學與工程學報，2020，17（5）：1286-1294.

［21］劉毅，曹殿彬，崔建波，等.硬巖地質下鑲齒滾刀齒形對破巖性能影響的數值研究 ［J］.中國測試，2024，50（3）：62-68，102.

［22］鄒久群，張金松，龐建勇.基于離散元法的鑲齒沖擊與切削破巖效果數值分析研究 ［J］.振動與沖擊，2022，41（22）：173-183.

［23］凌天龍，吳帥峰，劉殿書，等.砂巖Holmquist-Johnson-Cook模型參數確定 ［J］.煤炭學報，2018，43（8）：2211-2216.

［24］畢程程.華山花崗巖HJC本構參數標定及爆破損傷數值模擬 ［D］.合肥：合肥工業大學，2018.

［25］陳曉東，陳居乾.TBM刀盤及滾刀施工機理試驗研究［J］.人民長江，2019，50（增1）：154-158，275.

（編輯：郭甜甜）

Comparative study on rock breaking performance of flat tooth and

ball tooth inserted disc cutter

CHEN Chen¹，GUO Honghai¹，FU Jie²，LUO Xingchen³

（1.China Railway 14th Bureau Group Shield Engineering Co.，Ltd.，Nanjing 211899，China; 2.College of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Abstract：With the maturity of the shield machine construction technology，the shield machine plays a critical role in the water conservancy tunnel projects.However，series of problems such as severe cutter wear，intensified cutter consumption and low excavation efficiency are prone to occur during the construction of shield tunneling machines under complex geological conditions.To clarify the change rule of rock breaking performance under different rock properties，improve the rock breaking efficiency and service life of inserted tooth disc cutter，and to ensure the safe and efficient construction of water conservancy tunnel projects，based on a nonlinear finite element dynamics software，we carried out a simulation on rock breaking performance under different rock characteristics for inserted tooth disc cutter of flat tooth and ball tooth respectively.The optimal combinations of two types of tooth disc cutters and penetration under different rock properties were investigated through several sets of simulations，and the simulation results were verified by indoor rock-breaking tests.The results indicated that under the geological conditions of tuff，there was less difference between breaking load of flat tooth and ball tooth of inserted disc cutter，but the breaking efficiency of ball tooth inserted disc cutter was higher.Under the geological conditions of sandstone and granite，the ability of flat tooth disc cutter to penetrate into the rock was stronger，and the efficiency of rock breaking could be further improved.In addition，under different rock characteristics，the specific energy consumption of the two types of tooth disc cutters showed a trend of decreasing and then increasing with deepening of penetration，and the minimum value occurred around the penetration degree of 6 mm.The results of this study can provide a reference for the selection of shield machine cutters for tunneling projects，and promote the development and application of tooth disc cutters.

Key words：shield machine; inserted disc cutter; rock property; rock breaking performance; finite element method