砂卵石地层具有卵砾石含量高、粒径大、级配差、强度高、结构松散的特点,具有很强的磨蚀特性,盾构刀具在砂卵石地层施工常常发生短距离磨损破坏。砂卵石地层盾构刀具磨损是一个复杂的多学科交叉课题,研究砂卵石地层盾构刀具磨损机理,对于指导砂卵石地层盾构的科学施工、延长盾构刀具健康服役寿命,实现盾构的一次长距离穿越具有重要意义。本文通过理论分析、室内试验、现场数据分析等多种方式相结合的方法开展研究。主要研究内容与取得的成果如下:(1)分析了北京无水砂卵石地层特征,砂卵石地层盾构推进模式及刀盘刀具配置,刀具工作机理及失效模式。研究表明辐条式刀盘和切削型刀具是砂卵石地层盾构使用的主要刀盘刀具组合形式,砂卵石地层主要以剥落型切削为主,磨粒磨损和粘着磨损是盾构切刀磨损的主要机制,并分析了砂卵石不同粒径颗粒对刀具磨损的影响机制及刀具磨损的影响因素。(2)基于对砂卵石组构及盾构动态掘进特点的分析,研制了可用于砂卵石土体且考虑重力作用下土体大位移运动的刀具磨损测试装置。基于该装置研究了砂-砾混合土体磨蚀特性及刀具磨损规律,从磨损量、表面磨损形态、颗粒破碎、作用强度等多个角度揭示了砂-砾混合土体对刀具磨损的作用机制。同时,研究了土体湿度环境、刀具材料、磨损时间3个因素对盾构刀具磨损的影响规律。(3)土体改良在改善砂卵石流动性的同时可以降低刀具磨损,研究了常用的固-液二相泥浆和气-液二相泡沫改良剂对砂卵石流动性及磨蚀特性影响效果,研究表明泡沫可以同时降低砂卵石引起的冲击磨损和粘着磨损,泥浆可以降低砂卵石冲击磨损,但是会增强其粘着磨损,基于刀具减磨延寿角度,提出砂卵石地层泡沫为主、泥浆为辅的土体改良思路。同时,获得了刀具布设方位及布设半径对刀具磨损的影响规律。(4)针对平行双盾构施工情况,提出盾构刀具非正常磨损量化表征方式,建立考虑不同类型刀具协同作用的刀具整体服役健康评价方法,并提出盾构刀具健康服役系数计算流程,以北京新机场线砂卵石地层盾构长距离掘进刀具检修情况为依托进行分析,具有工程适用性。同时,分析了新旧刀具共同工作模式及新换刀具非正常磨损的原因,并提出改善措施。