基于TBM破岩机理的新型刀环材料的设计与性能评估

为什么更好的隧道切削器很重要

现代城市依赖隧道来承载地铁、管线和道路。深埋地下，这些隧道由巨型盾构机（TBM）通过旋转的钢制圆盘对岩石施压切削而成。在由坚硬砂岩和较软泥岩交替组成的混合地层中，这些切削圆盘会迅速磨损，迫使施工人员频繁停机更换。本文解释了这些圆盘如何以及为何失效，并提出了一种新的刀环材料，使其使用寿命更长，从而提升隧道施工的安全性、速度与经济性。

岩层分层处的掘进方式

作者将研究重点放在中国重庆的一段地铁区间，该区间穿越厚且不规则的砂岩与泥岩层。盾构机采用圆形钢盘（称为刀环），以巨大的力压向岩面。随着机器推进，每个圆盘既有压入力又在滚动，压碎并崩落岩石。在所研究区域，砂岩尤为坚硬且具有强烈磨蚀性，导致刀环快速磨损、刀口几何形状频繁变化，从而增加维护和更换的停机时间。

在计算机中观察岩石断裂

为了解在钢与岩石接触处发生的过程，研究人员建立了一个详细的虚拟模型，模拟盾构圆盘在砂岩和泥岩块体上压入并滚动的情况。利用先进的有限元软件，他们模拟了应力如何累积、裂纹如何在接触点处产生并向岩体扩展。模拟显示在刀口下方存在强烈的应力集中，内部裂纹形成V形损伤区域并逐步扩大，最终导致岩块剥离。在两种岩石中，向下的法向力被证明是岩石破碎的主要驱动力，而滚动力则是较小但仍重要的辅助因素。

比较不同刀环形状

研究团队随后比较了三种常见圆盘设计：光边刀环、单刃嵌入式刀具（带一排硬齿）和双刃嵌入式刀具（带两排）。光边圆盘因接触更均匀，产生更稳定的力和更慢的裂纹扩展，尤其在较软的泥岩中表现良好。嵌入式刀具为应对极硬、磨蚀性强的岩石而设计，将载荷集中于小的接触区。这导致局部应力剧增、裂纹传播更快并出现更突发、跳跃式的岩石碎裂。单刃嵌入件在每个齿反复咬入并离开岩面时表现出强烈且高度波动的力。双刃嵌入件则放大了这一效应，产生更高的峰值力和更复杂的裂纹网络，但在坚硬砂岩中也带来了更强的破岩能力。

从内部设计更坚韧的钢材

掌握这些机制后，研究人员将注意力转向刀环材料本身。他们以一种常用的热作模具钢为起点，调整其化学成分以更好地平衡硬度（以提高耐磨性）与韧性（以避免脆性断裂）。通过略微增加碳含量并精细调节铬、钼、钒等合金元素，他们制备了多个候选钢种，并将其锻造成型并进行热处理，制成全尺寸刀环。实验室测试表明，其中两种钢种同时具备较高硬度和优越冲击韧性，成为重载刀具的有希望基材。

在表面加装抗研磨装甲

由于刀环外缘承受最苛刻的工况，团队进一步用一种特殊涂层对其进行了强化。他们采用等离子熔敷，将镍基合金与非常硬的陶瓷颗粒混合并熔覆到刀环表面，形成厚且耐磨的表层。在旋转磨损试验中，从这些涂层刀环上切取的短圆柱样件在载荷下被压向砂岩和花岗岩。新开发的材料在质量损失方面始终最小，且在光学检查与电子显微镜下显示出最平整、损伤最轻的表面。轮廓仪测量证实，其磨损沟槽深度约为常规材料的一半，表明对岩石颗粒的研磨具有更高的抵抗力。

在真实隧道中验证新刀具

最后，将新刀具安装在另一项同样穿越坚硬砂岩和砂质泥岩的重庆地铁工程的盾构机上。经过数百米的掘进，改进后的圆盘未出现异常开裂或不均匀磨损。与在类似地层条件下使用的标准刀具相比，新设计将磨损速率约降低了五分之一，并将刀具更换次数减少了约28%。更少的换刀意味着更少的停机、掘进更顺畅以及更低的维护成本。

对未来地下工程的意义

这项工作将细致的破岩物理与实用的刀具设计联系起来。通过明确不同刀具形状下应力如何累积与裂纹如何扩展，并根据这些工况定制钢材成分与表面涂层，作者开发出在要求苛刻的分层岩石中寿命更长的刀环。对非专业读者来说，结论很直白：在钢与石接触的微小区域采用更聪明的设计，能够转化为城市地下工程更安全、更可靠和更经济的施工成果。

引用: Zhong, Z., Yang, Z., Li, X. et al. Design and performance evaluation of a novel cutter-ring material based on TBM rock-breaking mechanisms. Sci Rep 16, 8110 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38954-1

关键词: 盾构机, 岩石切削, 刀具磨损, 砂岩·泥岩, 先进钢材