0 引言

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)因安全高效、机械化、智能化优点及适应各种复杂地下地质环境的优势，规模性应用于交通隧道、水利水电隧洞、煤矿井巷建设领域^[1-2]，并将在未来中国一系列重大基础设施建设中凸显身手。滚刀是位于TBM刀盘的最前端掘进破岩的利器^[3]，适用中硬岩掘进。针对中国西部弱胶结砂岩，破岩虽不是难题，但TBM易陷入岩石破碎、变形、塌陷危险状态^[4]，不同刃宽对弱胶结砂岩的破碎效果和隧道掘进效率会有差异。研究不同刃宽的滚刀对围岩的贯入方式和破碎效果，可以优化TBM的掘进性能，减少对围岩的扰动和损伤。

认识岩体裂缝的分布规律是岩土力学研究的核心内容之一，也是该领域创新的关键所在^[5]。交通隧道软弱围岩隧道大变形控制^[6-7]与裂纹扩展息息相关，TBM滚刀破岩的目的是使掌子面岩石在刀盘刀具上所施加的有限推力与扭矩作用下，产生有效裂纹并实现剥离，同时追求滚刀损耗最小化。江玉生等^[8]通过室内磨蚀性试验，认为研究刃宽是十分必要的；龚秋明等^[9]通过V刃、平刃、圆刃滚刀对重庆青砂岩开展线性切割试验，刃型参数事关岩石内部裂纹扩展方式；Tumac等^[10]开展不同尺寸平刃滚刀破岩试验，指出滚刀的平均法向力与滚刀直径和刃宽具有相关性；Roxborough等^[11]认为应该考虑岩石的剪切破坏，提出了使滚刀受力模型与实际吻合的计算模型；Lawn等^[12]依据格里菲斯拉伸破坏理论开展了脆性材料的压头贯入试验，探讨裂纹扩展模式并建立破岩机制模型；谭青等^[13]利用离散元二维数值模型对盘形滚刀的结构参数进行破岩研究，发现法向力随贯入度呈跃进状态变化，刃宽是影响滚刀法向推力的主要因素。

随着中国西部地区公路、铁路和能源战略的推进，对先进掘进技术的需求日益增长。其中，TBM在提高施工效率方面发挥着核心作用。特别是在中国西部地区广泛分布的弱胶结砂岩地质环境中，TBM盘形滚刀的破岩效率问题亟待解决。为了提高TBM在弱胶结砂岩中的适应性与工作性能，本研究通过细砂岩微观结构试验及贯入数值模拟分析，探讨了不同刃宽滚刀在白垩系细砂岩中的裂纹扩展特征及其机理，为中国西部弱胶结砂岩高效破岩选择TBM盘形滚刀刃宽提供技术支撑。

1 砂岩微观结构试验 1.1 XRD试验、SEM试验、偏光显微镜试验

岩石的矿物成分和微观结构直接关系到岩石的抗压、抗拉强度及孔隙发育情况，是不同刃宽贯压数值模拟裂纹形成和扩展过程的内因。数值模拟模型输入参数的准确性和可靠性，需要依赖于充分而准确的试验数据，包括弱胶结砂岩的XRD试验和SEM试验。

开展XRD试验、SEM试验、偏光显微镜试验，全面深入地探究岩石或矿物的晶体结构、微观形貌及光学特性。XRD和SEM提供了岩石矿物组成和孔隙结构等方面的信息，偏光显微镜揭示了岩石的微观结构特征，可以全面地解释不同刃宽贯压弱胶结砂岩的裂纹特征，关乎隧道掘进过程中的岩石力学响应和掘进效率。

XRD试验设备采用Ragiku Smartlab多功能衍射仪。试样来源于中国西部某TBM隧道工程白垩系洛河组细砂岩密封保湿试样。精选样品经过烘干研磨后，过200目筛子，按照《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 5163—2018)进行岩样的晶体结构解析、成分定性、半定量相分析。

SEM试验采用的TESCAN MIRA4型高分辨场发射扫描电镜。将粉末样品切割、磨光、干燥后，放置在载物台上用吸耳球吹去多余粉末，将载物台放入喷金(涂覆导电材料)仪器中；喷金2 min后，取出放入扫描电镜样品仓中；然后用导电胶将待测样品固定在扫描电镜样品室，调整位置，捕捉图像，选取不同放大倍数电子枪在待测面上进行详细观察，分析获取的图像。

1.2 试验结果分析

细砂岩矿物XRD试验结果如图 1所示。砂岩石英和长石的含量占比为73.1%，胶结物包括方解石、赤铁矿、伊利石、蒙脱石、绿泥石及角闪石，其含量占比为26.9%。胶结类型为泥质胶结，属于典型弱胶结砂岩，各矿物成分占比如表 1所示。

由表 1可见，石英(Q)、长石(F)、岩屑(R)含量分别为28.7%，44.4%，26.9%，弱胶结砂岩的成分成熟度指数为：

(1)

式中，w_Q, w_F, w_R分别为石英、长石，岩屑的含量。

弱胶结砂岩呈现中等偏低成熟度的特征，这一特性意味着该岩石的矿物成分保留着较为原始的状态。由于缺乏长时间压实与胶结作用所形成的稳定矿物，其内部结构相对疏松。细砂岩的SEM试验结果如图 2所示。在不同的放大倍率之下，可以清晰地观察到弱胶结砂岩的孔隙边界，这些边界轮廓分明且深邃，其中分布着众多大小各异的微米级孔径。进一步查看SEM试验放大图(见图 2 (b))，能够发现分布于石英、长石等矿物骨架颗粒之间的胶结物呈现出卷曲的形态及鱼鳞般的多孔特征，整体结构松散，并且胶结物内部含有大量微孔。这些微孔及胶结物的松散状态将会成为裂纹扩展的潜在通道。

细砂岩偏光显微试验结果如图 3所示。可以直接观察到主要矿物颗粒石英和长石的形态、大小、分布，二者星罗密布、交织繁复。石英晶体呈粒状，自形到半自形，其硬度高且具有良好的耐风化性质，使得它在显微镜下的形态特征能够较为稳定地呈现。石英在单偏光下(见图 3(a))呈现出无色透明，在正交偏光下，干涉色为一级灰白色；长石在单偏光下通常呈现出白色或淡色，在正交偏光下(见图 3(b))显示不同的干涉色，为一阶白色到二阶蓝色。聚片双晶和风化造成的颜色改变是长石在显微镜下的两大特征。

分选性差是指在岩石中不同矿物颗粒的大小分布范围较广，颗粒大小悬殊较为明显。由图 3可见，石英和长石矿物颗粒聚集和排列混杂，不规整，这会导致岩石内部应力分布不均匀。当受外部力作用时，容易在薄弱处集中产生裂纹，大幅降低岩石的抗压和抗拉强度。矿物颗粒呈现出较为尖锐的棱角，有较多的破碎和裂纹，这表明岩石的磨圆度较差。不规则形状和尖锐边缘的石英、长石矿物颗粒在岩石内部因接触面积相对较小会引起较多的应力集中点，这有利于裂纹的起始和扩展，为裂纹的形成和扩散提供了路径，并且这些裂纹将沿着颗粒间的弱胶结材料扩展，而不是穿过颗粒本身。

2 数值模拟试验 2.1 数值模拟模型

离散单元方法能够用颗粒模拟岩石的真实力学行为。颗粒是带质量的刚性体，可以平移和转动，模拟介质开裂、分离等非连续现象^[14]，特别是滚刀破岩及微宏观裂纹萌生、扩展过程情况，模拟运算高效且精准，因而离散元得到广泛的应用^[15]。滚刀破岩实质是滚刀法向集中力侵入岩石内部，裂纹萌生并不断扩展形成宏观裂纹进而生成岩渣。在颗粒流程序(Particle Flow Code，PFC)模拟中，平行黏结模型能抵抗力与扭矩作用，当其所承受的力超过强度极限(即黏结键失效或断裂)，此时形成一个裂纹。但是室内试验与现场原位试验均无法直观反映这一客观现象，而PFC2D程序可以直观有效地用鲜明的颜色演绎这一完整过程，能够揭示常规连续介质力学无法描述的复杂材料力学特性^[14]。本研究采用平行黏结接触模型如图 4所示。骨架颗粒之间的接触与胶结物的物理状态和力学参数密切相关，当平行黏结接触的抗拉或抗剪能力失效时产生微裂纹，并根据失效形式划分裂纹性质为拉伸裂纹(见图 4 (a))与剪切裂纹(见图 4 (b))，通过Fish语言进行监测统计。

2.2 材料宏细观参数确定

TBM隧道工程累深150 m处现场勘察采样细砂岩，按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266— 2013)规范加工试验，如单轴压缩试样尺寸为圆柱体Φ50 mm×100 mm，上、下端面打磨精度为±0.05 mm，自然状态下测得细砂岩密度为2.23 g/cm³。采用RMT-150B电液伺服实验机进行单轴压缩试验，同时开展巴西劈裂试验以测定材料的抗拉强度，以及直剪试验来获取材料的内聚力与摩擦角，所获得的宏观力学参数见表 2。室内单轴压缩和巴西劈裂宏观试验与模拟标定试验(运用试错法^[16])结果如图 5所示，由此得出的细观参数如表 3所示。

由图 5可知，单轴压缩试验与试错法模拟标定结果取得较为一致的结论，这就为数值模拟的准确性和可信度提供了保障。同时可见，细粒砂岩具有较高的脆性破坏性质特征。1.2节XRD结果表明砂岩主要由脆性矿物(如石英和长石等)组成，SEM结果显示矿物颗粒间的结合较弱，存在较多的微裂缝，胶结物质的分布不均匀，这就是砂岩的抗压强度和抗拉强度呈现脆性破坏特征的机理。这表明力学参数标定与砂岩的微观结构特征相契合。

2.3 破岩滚刀机械参数选取

根据文献[17]建立了岩石的受剪破坏模型，并假设岩石的剪切破坏条件满足摩尔库伦理论，单刀破岩刀刃下方岩石受压破坏受力(见图 6)为：

(2)

单滚刀刀刃两侧接触压力的合力为：

(3)

刀法向破岩力为：

(4)

式中，S₂为刀-岩接触部位在平行于刀圈平面上的投影；β为刀刃角的一半；p为滚刀贯入深度；T为滚刀刃宽；F为刀与岩石接触应力；F_V1为与刃宽有关的滚刀垂直x第一分量；σ_c为岩石抗压强度；σ为剪切面上法向应力；φ_b为岩石的内摩擦角；c为岩石黏聚力；R为滚刀半径；Ψ为剪切破坏面与自由面之间夹角；φ为滚刀与岩石接触角。

由式(3) 可见，当滚刀半径、滚刀刃角、贯入度和岩石的岩性(岩石破碎角)、黏聚力及内摩擦角确定的前提下，滚刀刃宽是一个影响滚刀破岩的一个重要因素。

2.4 模拟试验模型及方案

为了对破岩过程进行分析，建立的二维颗粒流模型尺寸均为宽320 mm×高160 mm(见图 7)。颗粒数为45 919个，颗粒最大与最小直径比值为1.67，颗粒最大半径为0.668 mm，颗粒模型与周边约束(墙)假定没有摩擦。在颗粒流程序中，由于滚刀刀刃刚度远大于颗粒(岩体)的刚度，赋予墙的属性^{[13, 18]}；盘形滚刀被简化为楔形多边形墙；参照文献[9]，V形刃宽取2.5 mm，考虑剪切模型，期望发生拉剪破坏，刃角取50°；刃宽分别设定为2.5，5.0，8.0，12.0，16.0 mm，贯入深度15 mm进行破岩，贯入速度取0.01 m/min^[19]；提取不同刃宽工况下贯入相关信息，分析相应过程贯入力-位移、裂纹数目、砂岩破坏性质，进行破岩机理及破岩效率评价。

3 数值模拟结果与分析 3.1 不同刃宽破岩裂纹特征及分析

不同刃宽在贯入度取15 mm过程中颗粒流程序模拟试验破岩裂纹扩展状态如图 8所示。图中呈现了刃宽分别为2.5，5.0，8.0，12.0，16.0 mm的滚刀贯入砂岩15.0 mm时的裂纹分布状况。各图形左侧上部色标用于区分不同时间步产生的裂纹，色标旁数字代表相应裂纹形成的时间步数，以此清晰展现裂纹扩展情况。各图形左侧下部色标代表拉伸与剪切裂纹数，反映拉伸与剪切裂纹的位置与分布。在模拟进程里，每一个时间步均对应一个离散的时间点，随着时间步数的递增，裂纹的演化历程得以逐步呈现。

对图 8进行全面分析比较，得出结果如下。

(1) 图 8 (a)中，刃宽2.5 mm贯深15 mm时，先产生刃侧挤压破坏，再产生中间裂纹，最后径向水平裂纹扩展形成硕大的岩块，破岩效果凸显，同时又出现新中间裂纹。这说明平刃宽度越小，反而利于破岩。刃宽2.5 mm与文献[5]的V刃滚刀相当，但因其耐磨性差^[5]受到限制必须引起高度重视。

(2) 图 8 (b)~(e)刀刃两侧均形成挤压区域，颗粒呈破碎状，刀刃底密实核^[20]至自由面形成一条裂隙状斜面，称之为剪切破坏线。剪切破坏线之上为拉剪破坏，产生剥离岩块，剪切破坏线之下为压剪破坏，虽出现裂纹，但基本上无剥离岩块。

(3) 对图 8中各工况刃宽下的裂纹展开分析。在初始阶段，刃尖下方出现压应力集中现象，这一情况致使矿物颗粒间的胶结物遭到破坏，进而形成了中间裂纹。此后，密实核的静水压力得以充分扩展，使得粉岩嵌满中间裂纹。与此同时，刃尖下方岩石强度有所增加，岩石抗拉强度暂时维持平衡，中间裂纹便不再向下继续扩展，而是转为向水平方向发展拉裂纹。最终，原中间裂纹处的强度平衡被打破，新的中间裂纹再次产生，如图 8(a)~(c)所示。

(4) 图 8 (d)刃宽12 mm状态下竟未发现中间裂纹，原因是刃宽12 mm与图 8(a)~(c) 的刃宽相比更宽，宽刃改变了应力分布等相关因素，从而导致未出现中间裂纹情况。密实核压应力辐射开始衰减，形成中间裂纹能力不足，所以没有出现明显中间裂纹。由图 8(d)还发现，剪切破坏线上不仅出现2个大岩块，而且伤及剪切破坏线以下深度的颗粒体，这2个大岩块耗尽了破岩能量，“无暇顾及”中间裂纹。从能量利用角度说明在此刃宽状态下属高效破岩。

(5) 图 8 (e)刃宽为16 mm，其刃侧下方中间形成了较为明显的主拉裂纹。这是因为刃宽达到16 mm时，局部压碎区裂纹增多且较为集中，刃底颗粒压碎区域及损伤范围最大。滚刀下压后形成的密实核岩粉面积足够大，消耗了大量破岩能量。在未形成剪切破坏线上部大岩块的情况下，大密实核的辐射能力已足以产生新的中间裂纹。

定义PFC模拟试验模拟单刀产生的裂纹，从刀刃边缘起利用软件测量可视化图形，提取图 8中破岩裂纹特征形成不同刃宽的破岩裂纹长度(见图 9)。结合不同刃宽破岩力-裂纹关系，水平裂纹长度越大，越利于破岩，颗粒块体所呈现出的破岩效果是由径向裂纹向自由面扩展而形成的。竖向裂纹长度越大，相对消耗的破岩能量越多，不利于破岩。由图 8可见，5 mm刃宽水平裂纹和竖直裂纹略优于12 mm刃宽相应数值(细微偏差)，但是由图 8(b)可以发现，刃宽5 mm多处出现中间裂纹，其数量显著多于12 mm刃宽，不利于产生岩块。同时发现，5 mm刃宽的水平裂纹开展位置与岩石自由面距离较远，而12 mm刃宽的水平裂纹极为接近自由面，且已达成破岩效果。因此从能耗视角出发，鉴于较小刃宽会引发严重磨损，该情况暂不考虑。由此可见，刃宽12 mm在破岩效果方面表现显著，最为理想。

3.2 刃宽对破岩力及裂纹数量影响

提取PFC2D试验结果可以得到不同刃宽的破岩力与裂纹关系，如图 10所示。不同刃宽破岩力显示，刃宽对于破岩力第1峰值有重要影响，随着刃宽加大，破岩难度几乎成倍加大。随着贯入深度加大，图 10(d)中出现与初始峰值大小相近的破岩力的次数明显低于图 10中其他不同刃宽的情况；从产生裂纹性质来看，各种情况下拉剪裂纹比值一致，破岩机理以拉伸破坏为主。从图 10中提取不同刃宽在贯入深度6~12 m范围内所出现的裂纹数，得到其与各自总贯入深度15 mm时的总裂纹数比值，如图 11所示。

由图 11可见，随着贯入深度增加，各刃宽裂纹占比数量均增加，贯入深度9 mm以后破岩效果加速提升(见图 10(a))。破岩效果比较突出的是图 10(d)，在各贯入深度节点上出现的裂纹数占比均高于其他刃宽。这表明这种刃宽的破岩效果一直居优，贯入8~9 mm区间裂纹数基本不变(见图 10(a)和(b))。实际上卸载后宏观裂隙有效扩展阶段是破岩裂隙宏观效果关键阶段，这进一步说明了刃宽12 mm处于优选地位。

3.3 不同刃宽破岩效率

为了探究不同刃宽下平均贯入力特征和不同贯入深度时破岩所消耗的能量，提取图 10中贯入力-贯入深度曲线，得到不同刃宽、不同贯入深度对应的平均贯入力，由贯入力-贯入深度曲线积分得到破岩消耗能量，如图 12(a)所示。以图 10中的裂纹数量及软件统计的胶结破坏数构建图 12(b)的左侧纵坐标。胶结破坏比能耗是评价破岩效率采用的一个重要指标，其计算方式为破岩消耗能量与胶结破坏数的比值。以胶结破坏比能耗构建图 12(b)的右侧纵坐标。由图 12(a)可见，刃宽为2.5~16.0 mm，刃宽越大，平均贯入力和破岩耗能均越大，但刃宽为12 mm时，平均贯入力和破岩耗能却反常，存在一个极小值。这说明刃宽12 mm是一个值得工程界关注的分界点。

如果不考虑磨损因素，胶结破坏比能耗越小，破岩效果越好。由图 12(b)可见，刃宽2.5 mm比能耗最小，破岩效果最好，这从图 8 (a)径向裂纹与自由面之间出现的硕大的岩块得以显现。刃宽5 mm胶结破坏比能耗略小于刃宽12 mm比能耗，但因其刃宽非常接近V刃滚刀，极容易被磨损，也不占优势。刃宽为8~16 mm时，刃宽12 mm比能耗最小，最为理想。12 mm和8 mm刃宽的胶结破坏数量及裂纹总数相近，但8 mm刃宽的胶结破坏比能耗较高。图 8中滚刀下方较长中间裂纹这一直观表征揭示了刃宽8 mm破岩能量有效性不足。

选择大的刃宽时，贯入力较大的原因是与刃宽接触的密实核范围也较大，需要的推力必然加大，但能耗也大。这是因为密实核是过度压碎的岩粉，而岩粉的形成消耗的能量巨大^[20-21]，大刃宽密实核产生的大量中间裂纹造成破岩能量的无效消耗。因此选择过大刃宽的滚刀并不能提高破岩效率，刀刃宽为10~15 mm时，能在滚刀耐磨性、推力与破岩效率三者之间取得平衡点^[13]。滚刀刃宽较小时，其形态接近V形刃(刃宽处于2.5~8.0 mm)，而V形刃滚刀极易磨损^[9]，与谭青等^[13]认为刀刃宽小于10 mm，滚刀耐磨性较差，不利于长时间稳定破岩的结论也非常一致。

4 刃型理论模型及工程验证 4.1 模型验证

式(4)中的后两项均为常数项。整体是一个典型的贯入力随刃宽变化的线性方程。本研究与文献[22]均对初始贯入力峰值与刃宽关系进行研究，将二者结果进行对比，如图 13所示。本研究和文献[22]初始贯入力随着刃宽近乎线性变化的趋势是一致的，且与式(4)吻合。

文献[22]研究滚刀贯入花岗岩的深度为10 mm，刃宽增加一倍，贯入力增长1.68~2.23倍；而本研究中，弱胶结砂岩贯入深度为15 mm，刃宽增加一倍，贯入力增长1.25~1.57倍。这表明相较于花岗岩，弱胶结砂岩贯入力增值幅度较小。这是由于弱胶结砂岩的微观结构中胶结物含有大量微孔所致。影响滚刀贯入力的因素较为复杂，文献[23]开展了相关影响因素研究，针对直径分别为101.6, 203.2, 304.8, 431.8 mm的滚刀进行仿真模拟，探究滚刀在刀刃宽度变化时两向力的变化情况。研究发现，无论滚刀半径怎样变化，刀刃宽度12 mm均是滚刀的垂直力和滚动力出现大幅度增加的转折点。

4.2 工程验证

中国西部某TBM隧道工程水文地质剖面示意图见图 14(比例：水平1∶5 000;垂直1∶500)。依据地质钻孔勘查结果，于呈东西向的轴线方向设置了6个井筒检查钻孔，其编号分别为XJ1~ XJ6，其中XJ3号钻孔与XJ6号钻孔兼具水文孔功能。本研究工程采用敞开式TBM斜井掘进施工，在中国西部地区是首例。隧道斜距在450~2 365 m的这一段属于白垩系洛河组的未风化层，岩性为中、细粒砂岩，胶结疏松，岩石强度低，易破碎。白垩系洛河组风化岩在隧道施工段历经近2 000 m，主斜长约为5 300 m，节理、层理多变，TBM掘进施工速度面临着挑战。需要提升TBM掘进智能化水平的同时，滚刀机械参数、掘进参数与弱胶结砂岩的匹配也是至关重要的因素。该工程TBM掘进施工在2022年底取得圆满成功，在本研究范围内，于白垩系洛河组弱胶结砂岩区域(图 15所示2021年11月数据)，取得最高单月掘进距离527.83 m的较好成绩。根据TBM现场资料显示，所采用的盘形滚刀刃宽度为12 mm。这一实际应用案例为本研究结果提供了有力的支撑与验证。

5 讨论 5.1 开展单刀破岩的意义

多滚刀破岩涉及到不同刀间距下的联合破岩及切割次序，整体情况复杂。尽管本研究只考虑单滚刀贯入颗粒流程序模拟试验，关注不同刃型形成的裂纹扩展情况，但可为优化设计多滚刀破岩方案提供理论指导。通过单刀破岩试验，可以模拟实际工程中岩石受到单一载荷作用时的破裂过程，有助于深入理解岩石破裂的机制和规律。通过观察岩石在单刀作用下的破碎形态和裂纹发展情况，可以揭示岩石力学性质和破裂特征。单刀贯入力是研究多刀协同破岩的前提和基础，是必不可少的环节。

5.2 开展弱胶结砂岩比选滚刀刃型的意义

弱胶结砂岩的破岩并非易事，同样面临掘进与地质适应性问题^[15]。弱胶结砂岩特有的微观结构表现为相对较弱的剪切强度和抗压强度，TBM容易陷入岩石破碎、挤压和剥落等危险状态，从而导致机械损耗和能源消耗的加剧，增加了施工成本和时间成本。针对这一问题，尤其需要对刃型参数进行比选和优化，从而更好地适应弱胶结砂岩的物理力学特性。

5.3 PFC2D模拟破岩的可行性

TBM滚刀破岩是一个滚动和垂直侵入岩石的过程，但岩石的破坏及内部裂纹的扩展主要由垂直力主导^[21]，不考虑切向滚动，将三维滚动和压入运动简化为二维侵入运动^[13]，是切实可行的。平行黏结模型是一种强大的数值模拟工具，可以对弱胶结岩石的颗粒接触行为进行精细模拟和分析。在数值模型中注入诸多反映弱胶结细观参数的铺设，模型试验中产生的宏细观裂纹信息完全可以诠释破岩机理。文献[22]通过对单刀破岩过程的模拟研究，获得了较好的研究结果。本研究模拟试验主要关注与岩体垂直方向的滚刀破岩机理，代表TBM中心刀与正滚刀破岩的主流模型，这有助于控制变量，深入分析刀具形状与破岩效率之间的关系。暂不考虑在多滚刀共同作用及不同角度、不同位置布设的工况。实际工程条件下还有各种复杂因素，例如地质条件(节理、裂隙、地下水等)、围岩应力状态等。因此，下一步将逐步考虑TBM机械前端多滚刀的破岩机理，包括不同角度和位置的滚刀布设对破岩效率和机械行为的影响。

6 结论

分析研究砂岩的微观结构XRD试验、SEM试验、偏光显微镜试验结果，通过PFC2D颗粒流平行黏结模型模拟中国西部白垩系细砂岩在不同刃宽下的裂纹数量和裂纹扩展特征，跟踪裂纹扩展时序及路径，探讨破岩机理与破岩效率，得出如下结论。

(1) 砂岩微观试验XRD揭示了中国西部某白垩系砂岩的骨架矿物成分以石英、长石等碎屑矿物为主，起胶结作用的伊利石、蒙脱石、绿泥石占比较少。SEM图像显示胶结物质表现出一定的卷曲、碎散及多孔特征，胶结物主要散布在骨架颗粒的周围，这些胶结物中的大量微孔构成了潜在的裂纹扩展通道。偏光显微镜显示弱胶结砂岩中矿物颗粒的低磨圆度与分选性差，是破岩过程裂纹易于产生宏观表征的内因。

(2) 单刃滚刀破岩过程中，同等贯入度工况下初始贯入力峰值与刃宽几乎呈线性增长。破岩效果表现为径向裂纹向自由面扩展，进而使岩块破碎。刃宽2.5 mm工况下产生的大岩块虽然最为可观，但此种滚刀由于极易磨损不利稳定破岩而被淘汰。刃宽12 mm水平裂纹接近自由面，大岩块最为突出。竖向裂纹长度越大，相对消耗的破岩能量越多，不利于破岩，刃宽12 mm竖向裂纹长度最短。刃宽12 mm在各贯入深度节点上产生的裂纹数量占贯入深度15 mm总裂纹数的比例，相较于其他刃宽均更高，进一步表明宽12 mm的刀刃在破岩方面的性能一直保持领先地位。

(3) 白垩系弱胶结砂岩破岩选择刃宽12 mm较为合理。超过12 mm后破岩机理发生改变，由拉剪破坏转向压剪破坏类型，贯入力大幅增加，比能耗上升，破岩效率下降。不同刃宽滚刀破岩裂纹扩展特征研究结果与剪切破坏力学模型较为吻合，同时得到中国西部某隧道工程项目实践的验证。下一步将逐步考虑TBM机械前端多滚刀的破岩机理，包括不同角度和位置的滚刀布设对破岩效率和机械行为的影响。