近日，同济大学工程风险研究团队薛亚东研究员和舒禄山硕士生等在《Underground Space》期刊上发表了题为“MatDEM-based study of disc cutter force model in open TBM tunnels: Incorporating installation radius and synergistic effects”的研究论文，通过开展滚刀破岩室内试验与旋转破岩数值模拟，基于CSM模型建立了考虑滚刀安装半径与协同效应的滚刀切削力预测模型，分析了不同安装半径下切削力变化规律与滚刀协同效应对破岩模式的影响规律，此外，基于额尔齐斯河运输工程现场实测数据，验证了研究建立模型的准确性与适用性。

随着地下空间的开发，隧道掘进机（TBM）在实际工程中取得了巨大成功，但一些尚未解决的理论和技术问题仍然严重制约着TBM更灵活的选择和更高效的开挖，这些问题的解决很大程度上取决于滚刀受力的准确确定。滚刀受力影响岩石开挖、滚刀磨损、刀盘受力和稳定性，TBM掘进中的滚刀破岩是一个复杂的岩-机相互作用过程，刀具位置、切削模式、多把刀具的协同作用等因素都影响刀具的破岩行为，而现有的滚刀受力预测研究大多基于理论和室内实验，缺乏全断面滚刀受力状态的考虑。基于此，本文通过对已有的经典模型进行改进，引入刀具安装位置和多刀协同破岩影响参数，预测不同位置滚刀受力。

  论文基本思路如下：分析安装半径和协同作用影响，将滚刀破岩过程划分为三个阶段（图1），并将安装半径和协同作用通过影响因子形式引入CSM模型，建立滚刀全断面组合破岩模型，得到不同位置滚刀受力公式；为确定三个影响因子表达式，使用MatDEM 建立了单刀和三刀切割模型（图2），研究不同安装半径和刀间距下滚刀受力变化，得到安装半径和协同作用影响因子变化（图3），并通过多元回归分析得到了三个影响因子定量表达式；最后，基于引额工程现场数据对模型做了验证（图4）。

图1 协同作用影响示意

图2 单刀和三刀切割模型

(a) 安装半径影响因子Kr

图3 安装半径和协同作用影响因子变化

图4 现场数据与全断面模型计算对比

  本文采用理论分析、室内实验、数值模型、现场数据验证等多种方法，引入安装半径和协同作用影响，改进CSM模型并通过现场工程数据进行了验证。文章考虑了安装半径对滚刀受力影响，也考虑了多刀协同作用对滚刀受力影响，揭示了滚刀在刀盘上的受力变化规律，为后续刀盘受力状态的研究提供了研究基础。

第一作者和通讯作者

薛亚东 研究员

主要从事岩石力学与工程、硬岩隧道掘进力学TBM和地下工程结构健康研究

邮箱：yadongxue@tongji.edu.cn

第二作者

舒禄山 硕士研究生

研究方向：TBM滚刀破岩机理、刀盘布置优化

邮箱：2132558@tongji.edu.cn

文献格式：

Y. Xue, L. Shu, L. Zhao, W. Luo, Y. Guo, MatDEM-based study of disc cutter forcemodel in open TBM tunnels: Incorporating installation radius and synergistic effects, Underground Space, 2025, 20: 293-310.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.undsp.2024.02.008

二维码：

撰稿：舒禄山、贾非

编辑：曾诗怡

校对：章艺严

审核：申轶尧