全断面硬岩隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）凭借高集成化、高自动化及掘进效率高的特点，被广泛应用于水电、铁路和地铁等隧道工程。滚刀通过刀座系统固定在刀盘上，是TBM切削破岩的核心部件。在TBM掘进过程中，滚刀刀座系统因承受较大的冲击载荷而产生剧烈振动，易发生刀圈崩刃、滚刀窜动、刀轴脆断、刀座开裂、螺栓断裂及螺栓松动等严重的失效问题^[1-2]。据部分工程统计，TBM刀具损耗成本占隧道施工总成本的1/5~1/4，尤其是当将滚刀安装在刀座上的锁紧系统松动时，会造成大量滚刀脱落，严重影响隧道施工，极大地增加了工程成本^[3-5]。目前，TBM已被应用于长距离山岭引水隧道、山岭公路/铁路隧道等工程项目，这对TBM的施工效率和成本提出了更高的要求。因此，亟须开展破岩载荷对TBM滚刀刀座系统振动特性影响的研究。

现阶段，针对TBM滚刀刀座系统的研究主要集中在动力学分析和结构优化方面。霍军周等^[6]考虑结合面刚度、阻尼特性和螺栓预紧力等因素，研究了滚刀-刀座联接结构的动态响应特性，并对刀座系统中的楔块结构进行了改进设计。Lin等^[7]分析了TBM主机的载荷传递规律并提出了一种等效的动力学模型，同时对TBM主机各部件的动态响应特性进行了研究。Huo等^[8-9]通过引入刀具载荷、主轴承刚度和齿轮啮合误差等影响因素，进一步完善了TBM滚刀-刀盘的动力学模型。Li等^[10]建立了TBM刀盘驱动系统的多输入-多输出非线性时变动力学模型。Werner^[11]利用有限元分析和全尺寸测试方法对TBM的刀座系统进行了疲劳测试，并通过优化刀座几何尺寸、联接结构、焊接装配工艺以及刀座材料来提高刀座寿命。Entacher等^[12]对维尔特端盖式刀座结构进行了有限元受力分析，并提出了一种滚刀载荷监测方法。Ning等^[13]分析了盾构机中心刀座螺栓断裂的失效原因。Zhu等^[14]对TBM刀座焊接位置的失效模式进行了研究，并提出了一种新的刀座焊接结构。上述文献通过理论建模和仿真的方法探究了TBM滚刀刀座系统的动力学性能，但目前关于振动特性的研究主要集中在TBM刀盘及其他零部件上^[15-16]，缺乏对实际破岩载荷下滚刀刀座系统的振动响应特性的研究。

基于此，笔者依托多功能刀具切削性能测试实验台，以花岗岩和红砂岩作为典型地层，开展滚刀破岩实验，并对比分析不同地层下滚刀切削过程中的破岩载荷特性和振动特性，旨在为TBM滚刀刀座系统的失效机理分析提供理论依据。

如图1所示，多功能刀具切削性能测试实验台主要由龙门机架、活动横梁、控制系统、液压系统、滚刀刀座系统和数据采集系统等组成。其中，滚刀固定在梁式刀座内，梁式刀座固定在活动横梁上，通过驱动活动横梁来调整刀座的位置；岩样箱安装在活动平台上，可分别实现纵向与横向移动。在破岩实验开始前，先驱动水平横移平台以选择滚刀的切削轨迹，再通过双向液压锁和前后4根螺杆上的锁紧螺母来调整活动横梁的位置，以改变滚刀的贯入度，最后通过纵移平台移动岩样箱来实现滚刀直线切削岩石（可0~50 mm/s无级调速）。

为了测量滚刀的破岩载荷，在梁式刀座的立柱上粘贴应变片，并利用动态应变仪采集滚刀切削过程中刀座的应变信号，如图2(a)所示。通过对刀座进行标定得到相应的转换公式，并利用实验测得的应变值计算相应的滚刀破岩载荷。同时，为了采集滚刀刀轴的振动加速度，将1块金属板焊接在刀轴的端面上并在金属板的3个方向上安装振动加速度传感器，如图2(b)所示。利用INV3060S采集仪实时获取滚刀切削过程中刀轴的三向振动加速度，采样频率为50 Hz。滚刀的三向载荷与刀座应变的关系如下：

式中：ε_N、ε_R、ε_S分别为垂直方向应变、滚动方向（纵向）应变和侧向应变，F_N、F_R、F_S分别为垂直载荷、滚动载荷和侧向载荷，kN。

红砂岩、花岗岩为实际施工工程中常见的典型软岩和典型硬岩。花岗岩的抗压强度约为红砂岩的2倍；红砂岩内部胶结强度小且较疏松，而花岗岩内部胶结强度大且紧致完整。本文选用红砂岩和花岗岩为破岩对象，分别制作尺寸为400 mm×160 mm×100 mm（长×宽×高）的实验岩块，并制作指定规格的岩样。通过单轴压缩试验与巴西劈裂实验对待测岩样进行力学检测，得到岩样的力学参数，如表1所示。

本次破岩实验采用的滚刀为特制的直径为432 mm的盘形滚刀，设置滚刀的切削速度为15 mm/s。根据TBM施工过程中常用的掘进参数，在滚刀破岩实验中，取刀间距为60 mm，贯入度为2，4，6 mm。

基于上文设置的实验参数，分别开展TBM滚刀切削红砂岩和花岗岩的实验。滚刀贯入度为6 mm时红砂岩和花岗岩的破碎形貌如图3所示。由图可以看出，红砂岩表面的破碎程度明显高于花岗岩。

在相同刀间距、不同贯入度工况下，滚刀切削红砂岩时的三向载荷动态变化曲线如图4所示（侧向载荷取向左为正，向右为负）。由图4可知，在切削红砂岩过程中，滚刀的三向载荷呈现明显的波动趋势；当滚刀刚接触岩石并开始切削时，滚刀的三向载荷急剧增大；当岩石破碎后，滚刀的三向载荷急剧减小，即破岩载荷曲线呈现明显的阶跃式波动特征。此外，滚刀的垂直载荷、滚动载荷和侧向载荷的变化趋势基本相同。分析图4(a)可知，当贯入度为2 mm时，滚刀切削红砂岩时垂直载荷的最大值为61.19 kN，平均值为25.47 kN，方差为196.94 kN²；当贯入度为4 mm时，垂直载荷的最大值为54.61 kN，平均值为33.79 kN，方差为85.24 kN²；当贯入度为6 mm时，垂直载荷的最大值为209.10 kN，平均值为147.22 kN，方差为743.25 kN²。分析图4(b)可知，当贯入度为2 mm时，滚刀切削红砂岩时滚动载荷的最大值为21.96 kN，平均值为11.96 kN，方差为18.92 kN²；当贯入度为4 mm时，滚动载荷的最大值为37.17 kN，平均值为13.46 kN，方差为77.17 kN²；当贯入度为6 mm时，滚动载荷的最大值为102.86 kN，平均值为45.36 kN，方差为712.04 kN²。分析图4(c)可知，当贯入度为2 mm时，滚刀切削红砂岩时侧向载荷的最大值为6.96 kN，平均值为4.97 kN，方差为14.41 kN²；当贯入度为4 mm时，侧向载荷的最大值为42.73 kN，平均值为3.84 kN，方差为225.97 kN²；当贯入度为6 mm时，侧向载荷的最大值为65.94 kN，平均值为35.02 kN，方差为463.37 kN²。通过对比滚刀的三向载荷可知，当滚刀在切削红砂岩时，垂直载荷大于滚动载荷和侧向载荷，且随着贯入度的增大，三向载荷的幅值和方差均呈增大趋势，说明贯入度增大会导致载荷增大且波动剧烈。另外，垂直载荷在波动过程中不会降为零，这说明在破岩过程中，即使岩石已被破碎，滚刀也不会与岩石完全脱离，即破碎的岩块仍会对滚刀施加阻力作用。

在相同刀间距、不同贯入度工况下，滚刀切削花岗岩时的三向载荷动态变化曲线如图5所示。由图5可知，滚刀切削花岗岩时的破岩载荷曲线同样呈现阶跃式波动特征。分析图5(a)可知，当贯入度为2 mm时，滚刀切削花岗岩时垂直载荷的最大值为113.92 kN，平均值为50.91 kN，方差为494.533 kN²；当贯入度为4 mm时，垂直载荷的最大值为186.46 kN，平均值为103.04 kN，方差为1 194.64 kN²；当贯入度为6 mm时，垂直载荷的最大值为411.60 kN，平均值为212.41 kN，方差为7 556.79 kN²。分析图5(b)可知，当贯入度为2 mm时，滚刀切削花岗岩时滚动载荷的最大值为35.30 kN，平均值为21.38 kN，方差为46.94 kN²；当贯入度为4 mm时，滚动载荷的最大值为56.87 kN，平均值为38.85 kN，方差为74.19 kN²；当贯入度为6 mm时，滚动载荷的最大值为73.92 kN，平均值为37.04 kN，方差为228.44 kN²。同样，在切削花岗岩过程中，滚刀的垂直载荷和滚动载荷的最小值均维持在较高水平，不会降为零。分析图5(c)可知，当贯入度为2 mm时，滚刀切削花岗岩时侧向载荷的最大值为65.57 kN，平均值为15.14 kN，方差为781.66 kN²；当贯入度为4 mm时，侧向载荷的最大值为58.21 kN，平均值为6.36 kN，方差为380.78 kN²；当贯入度为6 mm时，侧向载荷的最大值为177.73 kN，平均值为0.99 kN，方差为5 433.79 kN²。通过对比三向载荷发现，在切削花岗岩过程中，滚刀的垂直载荷远大于滚动载荷和侧向载荷。结合三向载荷的方差变化可知，滚刀在切削花岗岩时三向载荷的波动幅度与波动频率明显要比切削红砂岩时大，这是花岗岩的密度和抗压强度比红砂岩大所导致的。

在TBM中，滚刀刀轴与刀座之间为机械连接，刀轴作为滚刀的支撑部分，其振动会直接传递到刀座系统上。因此，滚刀刀轴的振动能够反映刀座系统整体的振动情况，可通过监测刀轴振动加速度的变化情况来间接分析刀座系统的振动特性。

在滚刀切削红砂岩的过程中（贯入度为6 mm），监测滚刀刀轴的振动加速度，其变化曲线如图6所示。分析图6可知，滚刀刀轴垂直方向振动加速度的平均幅值为0.005 9 m/s²，有效值为0.009 8 m/s²；刀轴滚动方向振动加速度的平均幅值为0.008 1 m/s²，有效值为0.008 7 m/s²；刀轴侧向振动加速度的平均幅值为0.010 6 m/s²，有效值为0.010 9 m/s²。

同样，在滚刀切削花岗岩的过程中（贯入度为6 mm），监测滚刀刀轴的振动加速度，其变化曲线如图7所示。分析图7可知，滚刀刀轴垂直方向振动加速度的平均幅值为0.007 5 m/s²，有效值为0.007 7 m/s²；刀轴滚动方向振动加速度的平均幅值为0.007 8 m/s²，有效值为0.009 9 m/s²；刀轴侧向振动加速度的平均幅值为0.010 8 m/s²，有效值为0.011 9 m/s²。

对图6和图7所示的振动响应曲线进行进一步分析可知，在切削红砂岩、花岗岩的过程中，滚刀刀轴的振动响应曲线同样呈现出明显的阶跃式波动特征。这是因为在滚刀切削岩石的过程中，岩石破碎瞬间引起的载荷突变对滚刀产生了剧烈冲击，使得滚刀刀轴的振动加速度发生突变。

对切削红砂岩过程中（贯入度为6 mm）滚刀刀轴的振动加速度进行快速傅里叶变换，得到振动加速度的频域曲线，结果如图8所示。通过分析图8可知，滚刀刀轴振动加速度的频率成分复杂，其中垂直方向振动加速度的频率分布在0~5 Hz频段内，滚动方向振动加速度与侧向振动加速度的频域为0~1 Hz。

同理，对切削花岗岩过程中（贯入度为6 mm）滚刀刀轴的振动加速度进行快速傅里叶变换，得到其频域曲线，如图9所示。分析图9可知，在切削花岗岩的过程中，滚刀刀轴垂直方向振动加速度的频率向低频集中，频率为0~1 Hz；在5~15 Hz频段内，滚刀刀轴的滚动方向振动加速度略大于该频段内切削红砂岩时的滚动方向振动加速度；切削花岗岩时滚刀刀轴侧向振动加速度的频率与切削红砂岩时的相似，均集中在0~1 Hz频段内。

在TBM掘进过程中，强冲击破岩载荷会导致滚刀刀座系统剧烈振动，造成螺栓断裂、滚刀掉落等严重的工程问题。基于此，本文以红砂岩和花岗岩为研究对象，通过开展滚刀破岩实验来研究TBM滚刀刀座系统的振动特性，所做工作和结论如下。

1）通过开展滚刀切削红砂岩和花岗岩的实验，监测得到滚刀三向载荷的动态变化特性。在岩石强度为53.9 MPa的红砂岩地层下，滚刀以6 mm贯入度切削时的垂直载荷、滚动载荷和侧向载荷的平均值分别为147.22，45.36，35.02 kN，三向载荷的最大值分别为对应平均值的1.4，2.3，1.9倍；当贯入度为4 mm时，三向载荷的平均值分别为33.79，13.46，3.84 kN，其最大值分别为对应平均值的1.6，2.8，11.1倍；当贯入度为2 mm时，三向载荷的平均值分别为25.47，11.96，4.97 kN，其最大值分别为对应平均值的2.4，1.8，1.4倍。在岩石强度为100.3 MPa的花岗岩地层下，滚刀以6 mm贯入度切削时的垂直载荷、滚动载荷和侧向载荷的平均值分别为212.41，37.04，0.99 kN，三向载荷的最大值分别为对应平均值的1.9，2.0，179.5倍；当贯入度为4 mm时，三向载荷的平均值分别为103.04，38.85，6.36 kN，其最大值分别为对应平均值的1.8，1.5，9.2倍；当贯入度为2 mm时，三向载荷的平均值分别为50.91，21.38，15.14 kN，其最大值分别为对应平均值的2.2，1.6，4.3倍。

2）在滚刀切削红砂岩和花岗岩的过程中，监测滚刀刀轴三向振动加速度的变化情况并分析其时域和频域特性。在红砂岩地层下，滚刀刀轴垂直方向、滚动方向和侧向的振动加速度的有效值分别为0.009 8，0.008 7，0.010 9 m/s²；滚刀刀轴垂直方向振动加速度的频率主要分布在0~5 Hz频段内，滚动方向和侧向振动加速度的频率主要分布在0~1 Hz频段内。在花岗岩地层下，滚刀刀轴垂直方向、滚动方向和侧向的振动加速度的有效值分别为0.007 7，0.009 9，0.011 9 m/s²；滚刀刀轴三向振动加速度的频率均集中在0~1 Hz频段内。

3）在不同的岩石地质下，TBM滚刀刀轴的三向振动加速度的大小和变化趋势存在明显差异，这是因为滚刀在切削较软的红砂岩时所受的载荷小于切削花岗岩时的，且载荷波动性也较切削花岗岩时平缓。由此可知，滚刀刀轴的振动加速度与滚刀所受载荷呈正相关。研究结果可为TBM滚刀刀座系统的减振设计提供参考。