盾盘切割机在复合地层中的切削特性：来自全尺寸切削试验和理论研究的见解

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Impact characteristics of shield disc cutters under composite strata: insights from full-scale cutting tests and theoretical studies

盾构机刀盘在软硬复合地层中穿越时动态响应及冲击载荷预测模型研究。通过线性切割试验揭示不同软硬岩强度差异和界面粘结条件对冲击载荷的影响规律，建立考虑岩石损伤演化的动态载荷预测模型，验证了模型在复合地层中评估刀盘动态响应的有效性。

　　

孙尚渠|江志斌|李丽萍|魏英杰

山东科技大学土木工程与建筑学院，中国山东省青岛市266590

摘要

在硬-软复合地层中建造盾构隧道时，由于界面冲击载荷导致的圆盘切割器异常损坏严重影响了施工的安全性和效率。随着盾构隧道开挖直径的增大，切割器受到的冲击问题变得更加突出。本研究通过线性切割试验，研究了不同软硬强度对比和界面粘结条件下的复合岩体中圆盘切割器的动态响应以及冲击载荷的变化。提出了一种新的复合地层界面冲击载荷预测模型，该模型考虑了岩石损伤效应，并解释了复合地层中冲击载荷的起源。试验结果表明，界面冲击载荷受软硬岩石强度差异和界面粘结条件的影响。随着穿透深度的增加，复合岩体的破坏模式从塑性破碎转变为脆性破碎。由于岩性差异，软硬复合界面处的岩体损伤表现出不连续的变化。本研究揭示了圆盘切割器的界面冲击机制，并为复合地层中圆盘切割器的应力分析提供了一种实用的预测方法。

引言

随着中国城市地下空间的快速发展，以其高效性、安全性和环境可持续性著称的盾构法已广泛应用于地下隧道建设。目前，大直径盾构隧道正处于快速建设和发展的阶段。众多穿越河流和海洋的大直径盾构隧道项目推动了盾构技术向超大直径、超长掘进和日益复杂的地质条件发展（钱和陈，2021；冯等人，2022）。随着盾构直径的增加，隧道施工越来越多地遇到异质软硬复合地层，在这些地层中，界面处岩体刚度的突然变化会对圆盘切割器产生严重的冲击载荷，从而根本改变其应力状态（杨等人，2025；韩等人，2020；刘等人，2024；赵等人，2025）。当盾构直径增大时，圆盘切割器在穿越复合地层界面时所承受的冲击载荷加剧。这导致由于周期性冲击振动而引起的切割器异常损坏显著增加，严重阻碍了隧道施工的效率和大直径盾构隧道的发展（胡等人，2024；任等人，2018a；Vergara和Saroglou，2017；吴等人，2025）。因此，深入分析复合地层界面处圆盘切割器与岩石的相互作用机制，并明确圆盘切割器穿越复合地层界面时切割力的演变过程，对于揭示复合地层中圆盘切割器的冲击损伤机制至关重要。

已经进行了大量关于圆盘切割器在复合地层中破岩机制和切割力特性的实验研究。随着盾构半径的增大，圆盘切割器的安装半径显著影响破岩力的分布，切割头载荷分布的不均匀性也随之增加（潘等人，2018；李等人，2020a；孙等人，2025a）。关于界面效应，实验研究一致观察到，穿越软硬边界会导致切割阻力突然增加，且随着材料强度对比度和旋转速度的提高，波动幅度加剧（康等人，2015；甘等人，2022；熊等人，2025）。邹等人（2024）在受限压力下进行连续冲击破岩试验时发现，随着冲击次数的增加，内部岩石损伤累积，导致传递应力波的峰值幅度减弱，动态模量降低，从而证实了周期性冲击对复合地层中岩体承载能力的恶化影响。此外，相关研究表明，界面的存在及其力学特性显著影响岩体的整体力学行为和裂纹扩展路径（韩等人，2022；夏等人，2017；李等人，2026；邱等人，2020）。崔和Gratchev（2020）研究了界面填充状态对岩体强度的影响。结果表明，裂纹填充密度影响岩石破坏过程中的局部应变分布，从而提高岩体的整体强度。刘等人（2017）通过楔形穿透试验研究了软硬夹层因素对切割器破岩效果的影响。试验表明，岩石损伤的程度受承载层和作用层强度的共同控制，当承载层强度降低时，作用层中的应力集中减小，损伤区域扩大。然而，大多数现有实验仅关注界面前后的稳态力，未能捕捉到穿越界面时的高频瞬态力演变过程；此外，界面粘结条件对这种动态响应的具体影响仍大多未被探索。

在复杂的地质条件下，圆盘切割器的破岩机制及其切割力预测对软硬岩层之间的岩性变化非常敏感（文和张，2022；张等人，2020）。尚等人（2024）使用周动方法模拟并分析了辅助切割槽对软硬复合地层中圆盘切割器切割力的影响。孙等人（2025b）通过DEM-FEM耦合方法比较了复合岩体中裂纹扩展特性和损伤演变，分析了圆盘切割器在复合地层界面的冲击机制。任等人（2018b）将地质非均质性纳入切割器寿命评估框架，并基于复合地层下的圆盘切割器磨损数据建立了磨损预测模型，该模型考虑了摩擦能量和关键地质参数。孙等人（2023）基于腔体膨胀理论开发了圆盘切割器的动态载荷模型，并通过实验研究进行了验证。吴等人（2020）通过引入动态载荷系数计算了圆盘切割器在界面处的瞬时冲击载荷，并利用极限载荷分析评估了其对切割头性能的影响。在理解复合地层中圆盘切割器的破岩机制方面取得了显著进展。然而，现有的复合地基圆盘切割器力预测模型通常将界面冲击简化为瞬态事件，未能捕捉到软硬界面处接触力分布的演变过程。因此，这些模型无法准确评估盾构圆盘切割器在复杂地质条件下的动态响应。

为了研究圆盘切割器穿越复合地层界面时的冲击损伤特性，本研究制备了具有不同软硬强度比的粘结复合岩样，并进行了全尺寸线性切割试验。实验研究了复合岩体的破坏模式，并分析了切割力的演变过程，从而揭示了其对动态振动响应的影响。随后，建立了一个理论框架来阐明控制圆盘切割器冲击效应的机制，从而提出了一个考虑岩体损伤演变的改进冲击载荷预测模型。最后，通过将预测的冲击载荷曲线与线性切割试验获得的实验测量结果进行比较，验证了所提模型的有效性。

圆盘切割器冲击破岩试验平台

本研究采用的试验方案按照全尺寸线性切割试验流程进行。图1展示了本研究专门为圆盘切割器破岩设计的线性切割试验平台。该平台主要由三部分组成：试验台、液压动力控制系统和数据传感与采集系统。

圆盘切割器冲击和破岩试验平台的主要结构采用高强度合金钢焊接而成，具有较高的

圆盘切割器破岩力的分析

基于圆盘切割器破岩过程中的力和位移振动，分析了圆盘切割器切割岩体的动态力学响应特性。在均匀硬岩条件下（D型），通过传感器监测获得的圆盘切割器的法向力和水平推力如图8所示。圆盘切割器首次接触岩体时的位置被设定为相对位置的起始节点

复合地层中圆盘切割器载荷分布的特性

试验结果表明，圆盘切割器在界面处的冲击效应源于其动态载荷下的累积岩体损伤。这导致切割器底部的载荷分布与均匀岩体中的载荷分布有显著差异。现有的圆盘切割器冲击载荷预测方法通常试图通过引入动态因子来量化冲击效应，但未能有效捕捉界面的响应特性（吴等人，2020，

与现有研究的比较及本研究的贡献

现有关于复合地层中圆盘切割器冲击的研究往往将界面穿越过程简化为瞬态事件，通过冲击放大因子或基于能量原理来估算冲击载荷。虽然这些方法在一定程度上量化了界面冲击的强度，但未能捕捉到圆盘切割器从软岩过渡到硬岩过程中接触力学的瞬态演变过程。

结论

本研究研究了盾构圆盘切割器在复合地层界面的冲击损伤问题。通过制备具有不同软硬强度比的粘结复合岩样并进行重复的线性切割试验，系统分析了圆盘切割器在复合地层中的力特性和振动响应规律，并建立了考虑岩体损伤的冲击载荷预测模型。研究结果为

作者贡献声明

孙尚渠：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。江志斌：撰写 – 原稿撰写，可视化，数据整理。李丽萍：资源获取，项目管理，资金获取。魏英杰：方法论研究，实验调查。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2024YQ038）、泰山学者青年专家计划（tsqn202312192）、国家杰出青年科学基金（资助编号52025091）、山东省高等教育机构青年创新团队（2022KJ214）以及山东大学智能建造机械国家重点实验室（ACMKF2024-05）开放项目的支持。