本研究针对上软下硬、软硬交替等复杂地层中(本文中简称为土岩转换地层)盾构刀具易于磨损的问题,特别是盾构掘进时滚刀磨损问题,致力于探索如下几个方面的滚刀磨损相关科学与工程问题:1)滚刀磨损破坏的特点、影响因素以及分类问题;2)滚刀正面连续磨损预测问题;3)滚刀侧向连续磨损过程中摩擦能与磨损质量的转化关系问题;4)滚刀刀圈侧向受力情况与侧向力预测问题。研究中采用理论分析、数值模拟、现场数据验证等方法对上述问题展开了深入的研究。基于研究成果,提出了土岩转换地层滚刀磨损新分类方法;提出了基于摩擦能计算的滚刀正面连续磨损预测模型;提出了基于质能转换的滚刀侧向连续磨损质量预测模型;提出了适应于滚刀侧向脆性破坏分析的刀圈侧向力计算方法。具体的创新成果如下:(1)分析了各类磨损的发生机理并提出了滚刀磨损新分类方法。分析不同类型滚刀磨损的出现位置与破坏特点,建立了由刀圈、刀轴以及岩样组成的颗粒模型,并对滚刀切割磨损过程进行模拟分析。模拟结果表明:(1)正面连续磨损是由刀圈与岩样间的滑动摩擦和滚动摩擦引起的、发生在刀圈正面的刀圈材料连续剥落现象;(2)正面脆性磨损是由刀圈与岩样间冲击荷载引起的、发生在刀圈正面的刀圈材料脆性破坏现象;(3)侧向连续磨损是由刀圈与岩样间的滑动摩擦和滚动摩擦引起的、发生在刀圈侧面的刀圈侧向材料连续剥落现象;(4)侧向脆性破坏则与实际切割过程中刀圈两侧存在的不平衡力有关。(2)提出了适用于上软下硬地层的滚刀正面连续磨损预测模型。分析滚刀磨损过程,发现了接触面滑动摩擦是造成滚刀正面磨损的主要原因。采用接触面正压力均匀分布假设,提出了接触面正压力计算方法。通过对刀盘运动状态的分析,确定了由上软下硬地层特性引起的冲击荷载对滚刀正面连续磨损的影响,并基于能量法提出了滚刀切割过程中产生摩擦能的计算方法。根据刀圈磨损体积不变假设,提出了将滚刀正面连续磨损的磨损量统一为均磨形式的磨损量统计方法。通过结合实际案例,分析摩擦能与磨损量之间的线性关系,并提出了滚刀正面连续磨损的半经验预测模型。(3)提出了松散地层条件下滚刀侧向连续磨损预测模型。分析松散地层滚刀切割过程,发现了刀圈侧向挤压是松散地层切割槽的主要成因。确定了松散地层中的石英等强磨蚀性矿物是造成以刀圈磨尖为主要特点的侧向连续磨损的主要原因。提出利用圆孔扩张理论将松散地层变形分为圆孔扩张、类圆孔扩张和均匀变形三个区域。利用圆孔扩张理论的一般解与插值法确定各个区域内滚刀受力情况以及滚刀侧向磨损产生摩擦能的计算方法。通过对典型磨蚀性试验结果的分析,并将摩擦能与磨损质量相关系数作为松散地层质能转换系数,提出了松散地层滚刀侧向连续磨损预测模型。(4)提出了滚刀侧向脆性破坏力学分析新方法。根据全风化地层滚刀侧向脆性破坏集中出现在刀盘中心区域的现象,发现了刀圈与岩层侧向挤压作用随转动半径的变化规律与其存在一致性。采用圆周切割理论分析了滚刀侧向破岩过程,结果表明:(1)随着转动半径的增大,侧向挤压破岩的面积占整个切割槽面积的比重逐渐降低;(2)随着切入深度的增加,侧向挤压破岩比例增长速度略有下降;(3)刀盘转动角速度越大,滚刀接触面受到的冲击荷载也越大。建立三维有限元模型分析滚刀圆周切割过程中刀圈侧面受力情况,并反演计算由刀盘转动引起的冲击效应系数,最终确定了引起滚刀侧向脆性破坏的滚刀侧向力计算方法。(5)验证分析了研究成果在实际工程案例中的应用效果。对于提出的理论模型,应用两个实际施工案例进行了验证。首先基于广州地铁7号线谢钟区间盾构隧道工程案例,分析了滚刀正面连续磨损和侧向脆性破坏的现场观测特点,预测了区间内滚刀正面连续磨损的磨损量和刀圈侧向力的大小;现场实测结果验证了正面连续磨损预测模型和刀圈侧向力计算方法的有效性。基于深圳穗莞深城际铁路机明区间盾构隧道工程案例,分析了侧向连续磨损的现场观测特点;现场实测结果验证了侧向连续磨损预测模型的可用性。