TBM常截面盤形滾刀破巖過程受力研究

摘要：

針對目前工程上常用的常截面盤形滾刀受力分析問題，應用有限元方法建立了滾刀破巖的三維旋轉切割模型，模擬滾刀破巖過程。通過計算得出常截面盤形滾刀破巖時的切削力，并與實驗數據和文獻數據進行比較，結果表明模擬的滾刀切削力與實際情況較為吻合，驗證了仿真模擬的可靠性。同時，滾刀破巖掘進試驗結果表明，所測滾刀垂直力隨時間變化曲線與仿真結果一致，呈波動特征，且滾刀切削力試驗值與仿真數據誤差較小。進一步將模擬數據與科羅拉多礦業大學（CSM）模型對比，發現整體結果較CSM模型值偏大，但與實驗值更接近。通過對仿真模型巖石強度、掘進加載速率、刀刃寬度3個因素進行參數敏感性分析，得出在相同貫入度下，垂直力隨上述因素的增大而提高，但掘進加載速率對垂直力的影響較小。相關成果可為TBM隧道的掘進設計與施工提供參考。

關" 鍵" 詞：

滾刀破巖； 切削力； 有限元； 掘進試驗； CSM模型

中圖法分類號： U455.3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.023

收稿日期：2024-01-19；接受日期：2024-04-17

基金項目：

江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）項目（BK20210721）

作者簡介：

李忠艷，女，講師，碩士，主要從事工程管理方面的研究。E-mail：963624907@qq.com

通信作者：

張雯超，男，講師，博士，主要從事地下空間與智能交通技術方面的研究。E-mail：anwei1256@126.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2025） 01-0173-07

引用本文：

李忠艷，劉楊，張雯超，等.TBM常截面盤形滾刀破巖過程受力研究

［J］.人民長江，2025，56（1）：173-179，204.

0" 引 言

隨著中國基礎建設的不斷發展，隧道建設特別是水利工程面臨的工況更復雜、規模更大，施工難度更高，對TBM刀具提出了更高的要求［1］。滾刀作為TBM掘進過程中主要的破巖工具直接作用于被切削體，根據刀刃形式可以分為盤形滾刀與球齒滾刀，按每個刀箱上刀刃數量可以分為單刃滾刀、雙刃滾刀及多刃滾刀。對于雙刃或多刃滾刀，在破巖時易因受力不均而造成磨損，一般不適用于硬巖。因此，在刀盤空間布置容許的情況下，單刃盤形滾刀是最常用的破巖工具之一。在破巖過程中，滾刀與掌子面巖石直接接觸的部位是刀圈，其直接影響破巖效果及施工效率。盤形滾刀按刀圈截面形狀可以分為3類：尖刃截面、楔形截面和近似常截面。尖刃截面易侵入巖石，但刀刃容易鈍化；楔形截面在切削硬巖條件下，較大荷載同樣會造成刀刃磨損過度而鈍化。鈍化后的刀刃使刀圈與巖石接觸面積增加，容易增大刀具荷載。近似常截面盤形滾刀在磨損后接觸面積變化較小，在工程中應用較多。

巖石作為一種天然材料，物質成分多樣，內部裂紋情況復雜，不具有各向同性，其破壞模式主要分為張拉破壞與剪切破壞［2］。滾刀侵入巖體過程中一般認為滾刀受3個主要外荷載的影響，即滾刀垂直力FN、滾刀滾動力FR、滾刀側向力FS。在切削過程中對于安裝傾角為0°的滾刀，其側向力一般忽略不計。目前對滾刀的受力預測公式按巖石的破壞模式分為基于擠壓破壞機理的受力模型和基于擠壓-剪切破壞機理的受力模型兩類。國內外學者對此進行了大量的理論與實驗研究，得出了許多經典的滾刀破巖平均力預測模型。伊萬斯建立了尖刃截面盤形滾刀切割巖石垂直力預測公式，認為滾刀垂直力平均值為巖石單軸抗壓強度與滾刀和巖石接觸面投影面積的乘積，其中投影面積可以看成兩條拋物線圍成的面積一半進行計算［3］。伊萬斯公式將復雜的滾刀破巖受力模型簡化，認為只有刀刃正下方的巖石發生擠壓破壞，雖然實驗表明該公式計算得到的垂直力比實際值小，但其思想為后面學者推導奠定了基礎。Roxborough等［4］基于伊萬斯公式思想，將巖石接觸面投影面積修正為矩形，建立了尖刃截面盤形滾刀垂直力與滾動力計算公式，該模型同樣僅考慮了巖石擠壓破壞的情況。秋三藤三郎［5］在推導滾刀垂直力時依然采用伊萬斯模型，但在側向力的推導時考慮了巖石剪切破壞，認為尖刃截面盤形滾刀側向力為相鄰滾刀間巖石受剪剝落受到的反作用力。科羅拉多礦業大學模型（CSM）［6］是在滾刀線性切割試驗基礎上建立的經驗受力模型，該模型形式簡單，輸入參數簡單。

Li等［7］融合Roxborough模型和CSM模型提出了滾刀受力預測模型（RCC），對比發現該模型比CSM模型更準確。She等［8］基于巖石的摩爾-庫侖破壞準則，建立了恒定截面（CCS）滾刀的切削荷載力學模型，得到滾刀的法向和切向力與巖石力學特性、刀具幾何參數和切削參數的定量關系。不難發現，國內外對于滾刀破巖的機理與受力模型預測已有較成熟的研究成果，但是這些模型對于常截面盤形滾刀的受力預測還存在一定誤差［9-12］。

在現場與室內試驗方面，李克金等［13］對濟南市地鐵R1線復合地層盾構區間進行了試驗研究，使用不同強度試件進行滾刀貫入力學試驗，研究發現臨界貫入度與貫入速率呈對數關系。韓偉鋒［14］對工程巖樣開展不同刀間距的破巖試驗，分析了不同地質條件下的最優刀間距。隨著數值仿真技術的發展與計算機性能的提高，越來越多的學者利用有限元、離散元數值軟件針對滾刀破巖機理與受力情況展開了大量的研究。Cho等［15］對滾刀切削巖石進行了三維動態仿真，發現在刀間距一定的情況下，貫入度與刀間距之比存在最優值使比能耗最小。程永亮［16］使用有限元理論，采用擴展的Drucker-Prager模型作為巖石的本構模型，對雙滾刀切削巖石的過程進行了三維動態模擬，研究了TBM盤形滾刀的破巖效率及最優貫入度。耿麒等［17］針對“刀下超破、刀間欠破”問題開展了仿真與試驗，研究表明當刀間距在60～110 mm范圍內變化時，切削比能隨刀間距增大呈先減小后增大的規律。

綜上所述，隨著施工環境的變化和盾構技術的不斷發展，新截面滾刀的使用將導致傳統滾刀受力模型不適用，給刀具的設計與刀盤掘進參數的設定帶來困難。盡管滾刀破巖機理與經典受力模型已有大量的研究，但成果主要集中在“V”字形截面，將其應用于常截面盤形滾刀的受力計算將造成較大誤差。本文以目前水利工程TBM中常用的常截面滾刀為研究對象，采用數值模擬與掘進試驗的方法分析常截面滾刀受力及其影響，彌補目前研究的不足。另一方面，現階段基于數值仿真與數據挖掘的研究方法雖得以運用，但研究方法單一，且缺乏普適性的規律，特別是在三維數值仿真方面，主要采用單刀切削。為此，本文基于有限元軟件LS-DYNA建立了刀盤+刀具的一體三維旋轉切削模型，更貼合實際切削情況，并通過室內掘進試驗進行驗證，得到常截面盤形滾刀破巖受力規律。

1" 滾刀切削仿真建模

LS-DYNA是一款功能全面的顯式動力分析有限元數值分析軟件，被廣泛應用于爆破、侵徹、沖擊等問題的數值模擬中，具有多種單元類型，并且自適應網格劃分。因此，本文選取該軟件建立常截面盤形滾刀切削巖石的三維模型。

1.1" 模型參數設置

參考文獻［18］，采用RHT模型描述巖石、混凝土類材料的初始屈服強度、失效強度及殘余強度的變化。該模型有3個極限面，即彈性極限面、失效強度面和殘余強度面，如圖1所示。

圖1中失效面強度由規范化壓力p、羅德角θ、應變率ε· 3個函數定義：

Yfail（p，θ，ε·）=Yc（p）·r3（θ）·Frate（ε·）（1）

式中：Yc（p）為壓縮子午線，表達式為

Yc（p）=fc［A·（p-pspall·Frate（ε·））N］（2）

式中：層裂強度pspall=ft/fc，ft為巖石單軸抗拉強度，fc為巖石單軸抗壓強度；A，N為與混凝土有關的常數；Frate（ε·）為動力增強因子。

另，

r3（θ）=r/rc=2（1-ψ2）cosθ+（2ψ-1）4（1-ψ2）cos2θ+5ψ2-4ψ4（1-ψ2）cos2θ+（1-2ψ）2

（3）

式中：r3（θ）為混凝土失效強度與偏應力張量第二不變量J2、第三不變量J3及靜水壓力有關的實驗結果；θ是關于偏應變張量第二、三不變量的函數

θ=13arccos33J32J1/22，0≤θ≤π3（4）

ψ=rt/rc

拉壓子午線情況下滿足：θ（0）=ψ，θπ3=1。

其中，rt是拉子午線處的偏應力，rc為壓子午線處的偏應力。

圖1中彈性極限面強度函數為

Yela=Yfail（p/Fela）·Fela·Fcap（p）（5）

Fcap=0，p≥p0/fc1-p-1/3p0/f-1/3" ，13＜p＜p0fc1，p≤1/3（6）

式中：p0為彈性強度極限值，Fela為材料彈性強度與極限強度之比，Fcap為應變率強化因子。

圖1中殘余強度面函數為

Yres=B·（p）M·［sgn（p）+1］/2（7）

式中：B和M為常數，符號函數sgn（p）=-1plt;00p=01pgt;0。

本文開展了試驗混凝土材料的力學性質試驗，此處試樣與后文掘進試驗具有一致性。混凝土無側限抗壓強度試驗的軸向應力-應變曲線如圖2所示。取平均值計算得出試驗模擬材料的無側限抗壓強度為48.1 MPa。結合力學性質試驗參數與有關文獻［18］，模型主要材料參數如表1所列。

為了節省計算時間并簡化模型，在不考慮刀具磨損變形的情況下，滾刀采用剛體材料，并僅對刀圈部位進行建模，其模型參數如下：物質密度為8 g/cm3，剪切模量為210 GPa，泊松比為0.25。

1.2" 切削模型的建立

滾刀刀盤切削巖樣模型如圖3所示。其中刀盤采用四面體網格劃分，混凝土采用六面體網格，對上層混凝土進行網格加密。混凝土模型尺寸為1 100 mm×1 100 mm×100 mm。為了最大限度模擬實際工程情況，約束混凝土底部節點各個方向的位移及轉動，四周節點定義為無反射邊界條件。在切削過程中，混凝土表現為明顯的非線性破壞。因此，刀具混凝土之間采用面-面侵蝕接觸。

建立直徑為1 200 mm的刀盤模型，分別以378，462，562 mm為極徑，建立3個滾刀模型，滾刀采用直徑為432 mm的標準17英寸常截面盤形滾刀，刀刃寬度為15 mm。為簡化計算將滾刀與刀盤固定限制其自轉，刀盤做2 r/min的圓周運動，并以20 mm/min的掘進速度向混凝土方向推進。

2" 仿真結果分析

由于滾刀剛接觸碾壓混凝土時的情形與實際情況存在差距，因此選取滾刀進入穩定切削后3 s內的切削力數據進行分析，導出滾刀的垂直力與滾動力曲線，如圖4所示。由穩定段滾刀荷載曲線可知，垂直力基本在30～210 kN波動，滾動力基本在5～25 kN波動，荷載的波動反映了巖石類材料在破壞過程中是躍進式的，這與滾刀破巖機理中密實核的存在有關。經計算，3把滾刀平均垂直力分別為104.3，107.1，116.6 kN，平均滾動力分別為13.51，14.41，15.23 kN。滾刀平均垂直力與滾動力略有增加，主要是由滾刀刀間距與相對切削速度增大所致。

3" 掘進試驗

采用TBM刀盤掘進性能試驗平臺開展常截面盤形滾刀破巖試驗，掘進機刀盤結構如圖5所示。試驗刀盤直徑為2.280 m，驅動轉速為0～6 r/min，最大總推力400 t，裝備扭矩為250 kN·m。刀盤面板可安裝3把中心雙刃刀具和8把單刃刀具，刀間距調整范圍為80～100 mm。試驗共配置14把直徑為432 mm的17寸常截面盤形滾刀，其中1～6號刀具為3把刀間距84 mm的中心雙刃滾刀，7～14號為8把刀間距為100 mm的單刃滾刀。滾刀安裝排布參數見表2。

3.1" 試驗方案

試驗采用C45號混凝土作為樣本代替天然巖樣。將購置的商用混凝土灌注至試驗平臺巖箱內振搗均勻，標準養護14 d，并留取樣本澆筑標準混凝土試塊。試驗前測試混凝土試塊無側限抗壓強度。試驗平臺布置多個傳感器，操作平臺控制面板可對刀盤轉速、進尺、推力和扭矩進行實時記錄。

設定掘進平臺刀盤轉速為2 r/min，掘進速度為20 mm/min。推進刀盤將掌子面混凝土碾磨均勻。在整個試驗過程中，可獲取分析的數據有：① 刀盤的實時掘進數據；② 刀盤的推力、扭矩；③ 14把滾刀的垂直力。

3.2" 試驗結果分析

由于掘進過程中有14個刀刃進行破巖，選取與仿真環境相近的5，6，7號3把滾刀作為研究對象，分析破巖切削力，并與仿真結果對比驗證。取切削穩定后60 s數據進行研究，3把滾刀的垂直力隨時間變化曲線如圖6所示。由圖6可知，滾刀的垂直力曲線與本文仿真結果接近，總體上在40～180 kN波動。由于數值滾刀切削力采集頻率比試驗高，因此切削力曲線數值比試驗波動更大。由于試驗設備條件限制，對于滾刀滾動力的獲取可通過切削系數C一致性這一原則確定，如式（8）所示：

C=Tni=1Fn·rn（8）

式中：T為刀盤平均扭矩；Fn為第n把滾刀的平均法向力；rn為滾刀安裝極徑。

計算試驗過程中3把試驗刀的平均垂直力與平均滾動力，結果如表3所列。由表3可知，隨著滾刀安裝極徑的增大，垂直力與滾動力同樣增大，這是因為切削力隨刀間距與切削速度的增大而增加。由于模擬過程中對滾刀的運動進行了簡化，模擬值與試驗值存在差異。模擬刀的平均滾動力比試驗刀略小，但在合理范圍之內。綜合掘進試驗的結果，驗證了本文仿真結果的可靠性。

4" 結果分析

4.1" 模型驗證

CSM模型是在線性切割模型基礎上與眾多學者理論相結合得出的一種實用預測模型［6］，滾刀垂直力FN、滾刀滾動力FR的計算如式（9）～（10）所示。

FN=CφRT1+ψSσ2cσtφRT13cosφ2（9）

FR=CφRT1+ψSσ2cσtφRT13sinφ2（10）

式中：C為無量綱系數，取2.12；R為滾刀半徑；φ為滾刀與巖石接觸角，φ=arccosR-hR，h為滾刀侵入深度；T為刀刃寬度；ψ為刀尖壓力分布系數，ψ=-0.2～0.2；S為刀間距；σc為巖石的抗壓強度；σt為巖石的抗剪強度。

趙海雷等［19］根據三角函數的泰勒展開式將CSM模型公式進一步簡化為（11）～（12）：

FN=0.8T5/6S1/3σch1/3（11）

FR=0.8T5/6S1/3σch5/6（12）

通過改變仿真模型的貫入度，獲取不同貫入度下滾刀的垂直力切削曲線。取3把試驗滾刀的平均值，分別計算不同貫入度下滾刀垂直力值。將仿真數據與CSM模型進行對比，如圖7所示。由圖7可以看出，雖然仿真數據與CSM模型計算得到的數據規律一致，隨貫入度的增加而增大，但通過CSM模型計算得出的結果比仿真結果小，且差距較大。因此，傳統的滾刀破巖模型與現階段使用的常截面盤形滾刀破巖實測值存在一定的差值，這也是本文研究的目的所在。

為了進一步確定本文數值仿真的可靠性，選取國內外文獻中與本文工況相似的試驗與仿真數據進行對比，如表4所列。由于滾刀的切削力受巖石強度、刀具類型、掘進參數、貫入度等多個因素的影響，因此本文選取的文獻數據會存在一定偏差，但參數大致與本文相似。表中，

引入掘進加載速率ε來表征滾刀切削時的掘進參數，其值由刀盤轉速決定，如式（13）所示：

ε=N/60（13）

式中：N為轉速，r/s。

表4中前4個試驗與仿真所用刀具皆為直徑432 mm的17英寸盤形滾刀，抗壓強度與本文近似。由圖8可知，當貫入度分別為2 mm/r和5 mm/r時，本文仿真數據的計算結果分別為69.54 kN和91.69 kN，該計算結果與表4文獻中試驗結果相似，驗證了本文仿真數據的可靠性。薛亞東等［22］對19英寸滾刀破巖進行了離散元模擬，在貫入度相似的情況下，抗壓強度為105.6 MPa巖石對應的平均垂直力為239 kN，在量級上對本文有參考意義。

4.2" 影響因素分析

滾刀垂直力可以直接反映TBM刀盤推力的大小，且是實際工程中較多關注的參數。因此，通過改變仿真模型掘進參數和材料參數，選取滾刀破巖時巖石強度、掘進加載速率、刀刃寬度因素進行參數敏感性分析，計算不同工況下不同貫入度的滾刀垂直力。

4.2.1" 巖石抗壓強度對垂直力的影響

取直徑為432 mm，刀刃寬度為15 mm的17英寸常截面盤形滾刀，掘進加載速率0.033 r/s，滾刀的貫入度分別設置為2，5，10，15 mm/r；僅改變巖石材料中抗壓強度參數，分別計算并繪制抗壓強度35，45，55，65 MPa 4種情況下的滾刀垂直力變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著巖樣抗壓強度的增加，滾刀的垂直力也隨之增加。實際工程中，TBM掘進往往采用“慢推慢磨”的方式，滾刀的貫入度控制在較低的范圍內，因此17英寸的常截面盤形滾刀可以切削大部分中軟硬巖。

4.2.2" 掘進加載速率對垂直力的影響

取直徑為432 mm，刀刃寬度為15 mm的17英寸常截面盤形滾刀，抗壓強度σc=45 MPa，滾刀的貫入度分別設置為2，5，10，15 mm/r，分別計算并繪制掘進加載速率0.033，0.05，0.067，0.083 r/s 4種情況下的滾刀垂直力變化曲線，分別對應刀盤轉速為2～5 r/min，如圖9所示。由圖9可知，掘進加載速率對滾刀垂直力的影響較平和，且貫入度越小，影響越小。總體來說，垂直力隨著掘進加載速率的提高而增大，但是不會存在急劇增長的情況。因此在實際工程中，如果遇到推力較大的情況，最主要的是要降低推進速度而減小貫入度，刀盤轉速應保證在合理范圍內不宜過低。

4.2.3" 刀刃寬度對垂直力的影響

為研究不同尺寸滾刀對垂直力的影響，取影響因素最大的幾何參數刀刃寬度進行研究。改變模型中滾刀刀刃寬度，分別取值為15，20，25 mm，其與17～19英寸常截面盤形滾刀刀刃寬度值近似。抗壓強度σc=45 MPa，掘進加載速率ε=0.033 r/s，滾刀的貫入度分別設置為2，5，10，15 mm/r；計算并繪制4種情況下的滾刀垂直力變化曲線，如圖10所示。由圖10可知，垂直力隨著刀刃寬度的增大而增大，可見合理的刀具尺寸選擇至關重要。在實際工程中應該預估滾刀承受的垂直力荷載，不應超過單刀的極限荷載承受值。

5" 結 論

（1） 通過LS-DYNA有限元軟件建立滾刀破巖三維旋轉切割模型，計算了常截面盤形滾刀破巖時的切削力，所得滾刀的切削力值與本文掘進試驗和文獻數據吻合較好，驗證了仿真模擬的可靠性。

（2） 開展了滾刀破巖掘進試驗，驗證數值模擬結果。試驗表明所測滾刀垂直力隨時間變化曲線與數值模擬結果一致，呈波動特征，且滾刀切削力試驗值與仿真數據誤差較小。將本文仿真數據與CSM模型進行對比，發現整體結果較CSM模型值偏大，但更接近實驗值。

（3） 通過改變數值模型中的巖石強度、掘進加載速率、刀刃寬度三大因素進行參數敏感性分析。研究得出在相同貫入度下，垂直力隨上述影響因素的增大而提高，但掘進加載速率對垂直力的影響較小。后續可進行多因素正交敏感性參數研究，從更深層次剖析常截面滾刀的破巖受力規律。

參考文獻：

［1］" 倪錦初，朱學賢，凌旋，等.香爐山深埋長隧洞TBM選型研究［J］.人民長江，2022，53（1）：154-159.

［2］" 王超，喬世范，劉紅中.TBM破巖過程的滾刀受力計算模型研究［J］.工程力學，2021，38（10）：54-63.

［3］" TEALE R.The concept of specific energy in rock drilling［C］∥International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts.Pergamon，1965，2（1）：57-73.

［4］" ROXBOROUGH F F，PHILLIPS H R.Rock excavation by disc cutter［C］∥International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts.Pergamon，1975，12（12）：361-366.

［5］" 秋三藤三郞.デイスクカツタ一巖石破壞理論［J］.小松技術ミヤ一ナル，1970，16（3）：56-61.

［6］" ROSTAMI J.Development of a force estimation model for rock fragmentation with disc cutters through theoretical modeling and physical measurement of crushed zone［D］.Golden：Colorado School of Mines，1997：210-215.

［7］" LI X J，ZHANG Y Y，SUN X M.Numerical analysis for rock cutting force prediction in the tunnel boring process［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2021，144：104696.

［8］" SHE L，ZHANG S R，WANG C，et al.A cutting mechanics model of constant cross-section type disc cutter and its application based on dense core theory［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2022，150：105025.

［9］" 張桂菊，譚青，勞同炳.TBM盤形滾刀切削力學模型分析［J］.中南大學學報（自然科學版），2020，51（10）：2792-2799.

［10］張旭輝，夏毅敏，譚青，等.節理巖體下TBM單刃和雙刃滾刀破巖特性研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2016，37（10）：1424-1431.

［11］ZHANG Z X，WANG S F，HUANG X，et al.Application of block theory for evaluating face stability under disc cutters loading of TBM，case study of a water-conveyance tunnel project［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2019，90：249-263.

［12］耿麒，盧智勇，張澤宇，等.全斷面隧道掘進機滾刀預切槽破巖數值模擬［J］.西安交通大學學報，2021，55（9）：9-19.

［13］李克金，張德文，李文，等.復合地層不同巖石強度下滾刀貫入試驗研究［J］.現代隧道技術，2020，57（1）：148-155.

［14］韓偉鋒.基于滾刀復合破巖物理實驗的盾構刀間距設計［J］.科學技術與工程，2022，22（32）：14451-14457.

［15］CHO J，JEON S，YU S，et al.Optimum spacing of TBM disc cutters：a numerical simulation using the three dimensional dynamic fracturing method［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2010，25（3）：230-244.

［16］程永亮.TBM盤形滾刀破巖最優貫入度的數值模擬［J］.中南大學學報（自然科學版），2017，48（4）：936-943.

［17］耿麒，張俊杰，汪珂，等.基于FEM-SPH耦合的TBM滾刀切削仿真與試驗研究［J］.山東大學學報（工學版），2022，52（1）：93-102.

［18］陳斌，羅夕容，曾首義.穿甲子彈侵徹陶瓷/鋼靶板的數值模擬研究［J］.彈道學報，2009，21（1）：14-18.

［19］趙海雷，孫振川，張兵，等.基于CSM改進模型的TBM刀盤關鍵參數相關性研究［J］.隧道建設（中英文），2020，40（增1）：169-178.

［20］PAN Y，LIU Q，PENG X，et al.Full-scale rotary cutting test to study the influence of disc cutter installment radius on rock cutting forces［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2018，51：2223-2236.

［21］XIA Y，GUO B，TAN Q，et al.Comparisons between experimental and semi-theoretical cutting forces of CCS disc cutters［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2018，51：1583-1597.

［22］薛亞東，周杰，趙豐，等.基于MatDEM的TBM滾刀破巖機理研究［J］.巖土力學，2020，41（增1）：337-346.

（編輯：鄭 毅）

Research on force of disc cutter during TBM rock breaking process

LI Zhongyan1，LIU Yang2，ZHANG Wenchao3，WU Zhiqiang1，LI Ruihong1

（1.School of Civil Engineering，Nantong Vocational University，Nantong 226007，China；

2.Suzhou High-Tech Zone High-speed Railway Construction Development Co.，Ltd.，Suzhou 215011，China；

3.School of Rail Transportation，Soochow University，Suzhou 215131，China）

Abstract：

Considering inadequacy of the traditional force models for commonly used constant-section disc cutters in engineering，a study was conducted to establish the rock-breaking force law for constant-section disc cutters to guide the design and construction of practical engineering projects.In this study，a three-dimensional rotational cutting model of disc cutters for rock breaking was developed using the finite element method to effectively simulate the rock-breaking process.By calculation，the cutting force of the constant-section disc cutter during rock breaking was obtained and compared with experimental and literature data.The results indicated a good agreement between the cutting force of the disc cutter and the actual situation，validating the reliability of the simulation.Rock-breaking excavation tests show that the measured normal force of the cutters varied with time，with fluctuating characteristics，which was consistent with the simulation results，at the same time the measured cutting force values deviated somewhat with simulated values.A comparison between the simulated values with the CSM model revealed that the overall results were slightly higher than those of the CSM model and closer to the experimental values.A parametric sensitivity analysis of the simulation model on rock strength，excavation loading rate，and blade width concluded that，under the same penetration depth，the normal force increased with the increase of the aforementioned factors，while the impact of the excavation loading rate on the normal force was relatively small.

Key words：

rock-breaking by disc cutter； cutting force； finite element； excavation test； CSM model