摘要：在对实际掘进条件做出合理简化的基础上，主要从仿真与试验2个方面对齿刀破岩机制进行研究。首先将Hertz弹性接触理论引入仿真，从而考虑刀具的初始应力分布对裂纹扩展的影响；然后利用基于2D离散法的UDEC软件建立TBM双刃球齿滚刀侵入砂岩的模型，并进行仿真分析；最后在原有线切割试验台的基础上设计观测试验。首次利用高速摄像仪捕捉到岩石崩裂及破碎的现象，并巧妙地使用普通数码相机不连续记录球齿下密实核的产生过程。该模型成功地模拟裂纹的生成与扩展，由仿真结果可知：随着侵深的增加，球齿底部承受压应力过大逐步出现密实核；球齿之间的侧向裂纹由于拉应力失效迅速扩展并趋于交汇，最终裂纹贯穿导致岩体破碎；破碎前刃侧出现的小块岩石崩裂现象是由拉应力失效引起的。仿真结果与实验室观测结果表明，研究成果和施工现场数据存有良好的一致性，可适用于浅地层TBM掘进机破岩机制的研究。

关键词：岩石力学 数值仿真 球齿滚刀 裂纹扩展 高速摄像仪 

单位：中南大学机电工程学院 湖南长沙410083 中南大学资源与安全学院 湖南长沙410083 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