砂卵石层是北京地铁施工主要地层之一,其密实度高、饱和抗压强度大,盾构隧道施工过程中刀盘磨损快与单次掘进距离要求长的矛盾突出,是当前急需解决的关键难题之一。当前,刀盘掘进机理研究仅考虑地层物理力学性质,忽略了不同部位地层破碎所需应力的不均匀性。本文从控制和利用掌子面应力状态角度,开展刀盘-地层之间的耦合作用机理研究,可为高效刀盘设计和盾构施工提供参考依据。本文首先根据砂卵石土体的物理力学特性,提出了评价砂卵石地层在盾构工法下的开挖难易程度的指标。然后从盾构刀盘与待开挖地层相互作用的角度出发,开展了岩机耦合机理研究,并据此提出了刀盘结构优化设计的目标函数。最后依托北京地铁19号线某盾构隧道区间工况,运用有限元分析软件ABAQUS,对三种典型掌子面形状情况下应力分布规律做了数值分析研究,同时对实际工况下刀盘动态切削地层过程做了模拟分析。主要研究成果如下:(1)砂卵石土体的颗粒级配差和整体结构松散的特性决定了其失效破坏型式以剥离式为主,该类地层主要采用大开口率辐条式刀盘,刀具以切削刀、先行刀以及中心刀为主。砂卵石地层的破坏难易程度可由地层可掘进强度(?)表示,在切削单元的形状和布置角度以及土体性质一定的情况下,该参数与掌子面形状有关。平面型掌子面形状整体无变化,凹面型掌子面形状中地层下凹处的(?)较大,凸面型则外凸处的(?)较小。(2)刀盘旋转切削过程中各个刀具的作用包络面连续化一个整体的切削轮廓面,一定形状的切削轮廓面对应一定形状的掌子面形状,由于掌子面形状不同而使得掌子面上各位置处(?)不同;与此同时,刀盘上各刀具由于旋转半径不同而单位时间内各刀具的切削进程不同,旋转半径越大位置处刀具的磨损量越大,上述刀盘与地层相互作用、相互影响的过程可表述为岩机耦合原理。从刀盘做功和能耗的角度出发,提出以刀盘每转破碎功(?)作为刀盘结构优化的目标函数。(3)盾构刀盘动态切削地层过程中,在前3秒的平滑加载进程中,当t=0.9s时,掌子面上部分土体达到损伤变形的临界点,旋转半径较大位置处对应的土体率先进入损伤破坏阶段,且该型刀盘形成的掌子面的(?)值符合平面型掌子面形状情况下分布规律。实际刀盘磨损量与掌子面切应力强度呈线性关系,同一辐条上不同位置处贝壳刀磨损量最大差值达6.5mm,切刀达到3.2mm,不均匀磨损严重。最后依据上述岩机耦合原理和实际磨损情况,对本型刀盘的刀具布置和外轮廓结构优化提出了建议。