随着各种地下隧道工程建设规模的快速发展，对不同岩石地层条件下的钻掘设备与技术都提出了更高要求。课题组针对大量赋存的混合体地层条件下的隧道机械开挖关键问题：刀具与地层的相互作用机理开展了较系统的研究。课题主要从三方面开展工作，（1）混合体岩土层本身的结构特征与力学特性的试验研究；（2）盘形滚刀切削破岩机理研究；（3）盘形滚刀在混合体地层条件下的破岩过程与规律。其中有关地层结构特征的研究，提出了表征块石形态特征的球度、磨圆度、形态分形维数的综合指标，编制了基于数学形态学的图像处理软件，可实现块石、混合体平面特征的自动分析。根据混合体结构特征，提出了相应的数值网格模型实现方法。盘形滚刀破岩机理研究方面，主要通过PFC软件，建立了二维和三维条件下滚刀侵入、滚刀破岩的数值模型，对地层岩石强度、围压、切深、刀间距等参数开展了系统的模拟计算与分析。对于混合体材料，采用PFC中的“簇”方法进行模拟，可以较好模拟不同硬度块石与不同基质的搭配。PFC软件的模拟过程比较接近真实的破岩过程，但通常模型单元数量巨大，运算效率比较低，课题组也尝试采用CDEM方法进行试验。与数值模拟相对应，开展了足尺滚刀切削室内试验，由于整套设备为自主研制，时间方面延误，后续将大量开展室内试验，以期获得系统的复杂地层条件下的切削破岩规律，真正为工程实践中的刀具设计与选型提供支持。 2100433B