谭青，徐孜军，夏毅敏, ，张魁,

(1.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083；2.中南大学 现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，湖南 长沙，410083)

随着全断面岩石掘进机(TBM)在隧道施工中发挥的作用日趋重要，我国已把全断面岩石掘进机的自主研制纳入“十一五”规划中。该课题中一个极为重要的分支——在 TBM 刀具作用下岩石裂纹的生成与扩展规律研究，不但能够指导 TBM 刀具的研制，而且可以在不同地质条件下，为刀盘刀具的选型以及切削参数的拟定提供理论依据[1−2]。裂纹扩展问题是岩石力学研究领域中一个经典的课题。Hertz最早于19世纪80年代初定量地描述了在2个弹性体接触过程中，当侵入体载荷达到临界值时，在被侵入体内所产生的圆锥形裂纹及其向下的扩展问题。近年来，尹喜云等[3]针对动静组合加载破岩理论进行了研究，进一步获得了岩石裂纹真实的扩展模式。然而，实验研究具有一定的局限性。随着计算机性能的不断提高，数值模拟作为研究岩石材料破坏的有效手段日益被各国研究者所接受[4]。Liu等[5−6]建立了TBM刀具侵入岩石的有限元单元模型，成功模拟了岩石裂纹的生成与扩展过程。Su等[7]通过离散单元法模拟了岩石材料的微裂纹损伤演化过程。Wu等[8]将离散单元法应用于土压平衡盾构的沙土流动性问题，取得很好的效果。这些研究有助于了解 TBM 刀具的破岩机理，但一些关键的问题尚待进一步研究。例如，通过综合分析某型NFM、海瑞克、LOVAT盾构刀盘以及某型岩石掘进机刀盘的特点发现：复合土压平衡盾构刀盘上相邻2把正滚刀之间相位角的差值一般为60°，90°和180°；……