城市地铁隧道建设中，盾构因其掘进速度快、安全性高、环境影响小等优势得到普遍应用。由于地质条件的复杂性，盾构刀具的配置通常不同。例如，岩层中需配置以滚刀为主的破岩刀具，而在泥土层中，多配置以切刀和刮刀为主的切削工具。砂卵石地层是中国的一种典型地质环境，广泛分布于北京、沈阳、成都等地区，该地层粒径不均，卵石强度高、磨蚀性强，咬合力强，不易普通切削。因此针对砂卵石地层中的盾构掘进，多采用大开口率辐条式刀盘，配置楔犁刀以及刮刀，以楔犁刀具犁松原状地层为主，刮刀剥落搅拌为辅，遵循“楔犁-松动-剥落”的开挖机理[1]。在楔犁原状地层过程中，刀具会出现严重的磨损，磨损超限时，往往会引起刀盘扭矩上升，掘进困难，频繁开仓换刀等问题[2]，导致掘进效率大幅降低。因此，国内学者对砂卵石地层刀具磨损机制和控制措施进行了诸多研究。
孙振中[3]依托成都都江堰站—蒲阳站区间砂卵石隧道工程，对滚刀消耗及失效形式进行统计分析，指出滚刀的磨损形式为划痕和块状凹坑。周建军等[4]依托成都地铁1，7号线，得到了砂卵石地层盾构掘进过程中滚刀的磨蚀规律。秦银平等[5]总结了盾构盘形滚刀和切刀的磨损失效形式，分析了刀具磨损失效的原因。张厚美[6]统计了秦岭隧道TB880E掘进机完整的滚刀磨损数据，分析了滚刀磨损规律和磨损机制。张晋勋等[7]揭示了重型刀具与大粒径卵漂石的相互作用机理，基于能量原理提出重型刀具的劈裂破岩机理。王振飞等[8]基于现场实测数据，分析了富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损规律。近年来，学者们利用计算机仿真技术对卵砾石等硬岩地层盾构展开研究。乔金丽等[9]利用ABAQUS有限元软件分析了全断面隧道掘进机滚刀破岩历程。江华等[10]利用PFC3D数值模拟与现场测试相结合，研究了刀盘开口率、刀具组合高差、刀间距等参数对掘进效率的影响。蒋明镜等[11]应用离散元软件PFC2D，对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀作用下的破岩机理进行数值模拟研究。谭青等[12]用颗粒离散元PFC2D建立了岩石与切刀的二维数值模型，研究了切刀切削岩石过程中，刀具表面的破坏作用。国外学者重点关注TBM工程中刀具的磨损情况，鲜有对砂卵石地层盾构刀具磨损特征的研究。
综上所述，国内外学者对盾构刀具磨损特征的研究主要集中在滚刀磨损上，对目前砂卵石地层广泛配置的楔犁刀和刮刀磨损特征的研究不够充分，个别案例中对楔犁刀、刮刀磨损的观测存在一定的技术难度及观测误差，无法建立规律性的砂卵石地层盾构刀具磨损特征。计算机技术的发展给盾构的研究带来了便捷，但目前多采用有限元软件将砂卵石地层等效成连续介质，无法研究离散体颗粒对刀具的磨损效果，而利用离散元软件PFC的分析中，由于缺少接触磨损的本构模型，无法直接研究刀具的磨损特征。基于此，本文为可视化刀具磨损特征并获得稳定的磨损数据，综合采用室内试验、EDEM离散元数值方法，建立精细化刀盘刀具配置模型，进行砂卵石地层盾构掘进的仿真计算，并基于EDEM软件内置的Archard Wear磨损模型，获得砂卵石地层盾构刀具磨损特征及磨损规律，旨在为砂卵石地层盾构掘进刀具磨损控制及刀具设计和布置提供理论依据。值得注意的是，对于富含巨粒的卵漂石地层，一般配置具有冲击破碎作用的重型刀具，本文不作研究。
通过数值分析方法对砂卵石地层盾构典型刀具磨损特征进行了研究与验证，主要得到以下4点结论。
（1）进行了多围压条件下的室内三轴及数值三轴试验，标定符合工程实际的砂卵石土细观参数，并构建了砂卵石地层辐条式土压平衡盾构掘进EDEM离散元模型，可视化了砂卵石地层中典型盾构刀具（楔犁刀、刮刀）的磨损特征。
（2）楔犁刀具是砂卵石地层盾构掘进的主切削刀具，磨损量较大，表现为刀头合金表面以及刃角处连续的摩擦磨损形式；刮刀磨损量相对较小，主要发生在刀身迎土面及刀头合金表面，表现为随机的划痕和点蚀磨损，分析结果与实际工程中刀具磨损特征相近。 （3）径向刀具不均匀磨损现象明显，刀具磨损量均值随轨迹半径的增大而增加；同半径的环向轨迹上，190 mm楔犁刀平均磨损速率约为0.0039 mm/m，155 mm楔犁刀平均磨损速率约为0.003 mm/m，体现了高刀对低刀的保护作用。在砂卵石等岩性地层中，应将楔犁刀具沿刀盘径向、环向进行刀高梯次化交错布置，延长换刀距离，提高掘进效率。
（4）EDEM离散元数值分析软件适用于砂卵石地层盾构掘进的建模和分析，基于Archard wear的接触本构能够获得刀具的磨损特征及刀具不同区域的磨损数据。本文微观参数标定方法及建模手段可为砂卵石地层盾构研究提供参考。
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