复合地层盾构掘进中地层性质的变异性和复杂性为盾构机的选型与设计带来了巨大挑战,滚刀作为复合地层盾构掘进的主力刀具,其荷载计算与合理配置是盾构选型的重点和难点。同时,复合地层掘进过程中开挖面中广泛分布着高强度、高磨蚀性地层,并且地层性质变化剧烈,使滚刀面临着复杂恶劣的工作环境而容易发生刀圈偏磨、断裂、刀轴损坏、刀盘荷载剧增、掘进困难甚至盾构卡机等不良后果。为了探究复合盾构掘进中开挖面与滚刀之间的相互作用,分析地层性质与掘进参数对盾构滚刀荷载的影响,实现盾构机刀盘、地层性质与掘进参数的相互适应,同时减少开仓检测、换刀带来的风险与成本,进而提高盾构掘进施工效率,针对盾构滚刀荷载计算方法与磨损预测模型展开研究,主要的研究成果如下:（1）以多个复合地层盾构工程为例进行地层抗剪强度指标统计,引入多峰分布概率密度函数进行拟合,提出了不同类型地层间的强度界限值与地层差异系数计算方法,为后续复合地层滚刀荷载计算提供依据;根据统计结果得到各案例地层强度分布情况,根据岩石破碎角理论给出不同差异系数地层的滚刀间距与超前量取值范围;滚刀在土体、软岩等地层中因切向荷载不足以提供其启动扭矩而停止转动是滚刀偏磨的主要原因,因此滚刀的布置应满足滚刀承载力与启动扭矩的共同要求,在此基础上建立了复合地层盾构刀盘布置设计流程;（2）由于切削机理不同,滚刀在土体地层中的荷载计算不宜采用现有CSM模型。为此建立了土体地层中的滚刀荷载计算模型,该模型中滚刀荷载包含土体压缩力、侧面动剪切力、土体加速惯性力以及动摩擦阻力,并据此给出了滚刀荷载算例;针对在土-岩过渡层难以选取合适的滚刀荷载计算模型的问题,根据土层、岩层及过渡层的强度界限值,提出了滚刀在土-岩过渡层中掘进时的荷载计算方法,实现了复合地层中滚刀荷载的分段求解;建立了考虑岩石强度应变率效应的CSM模型,为刀盘转速对滚刀荷载及刀盘扭矩的影响研究提供了理论依据;（3）在环向变材料原型滚刀掘进试验中,滚刀在依次切削粉质黏土、M2.5水泥砂浆、C15混凝土与C30混凝土时的荷载整体上呈阶梯增大的趋势,并始终处于波动状态;滚刀的荷载会随刀间距的增大有一定程度的增大,但增幅较小;滚刀的荷载均随刀圈贯入度的增大呈近似的线性增大趋势,当切削脆性材料时该规律尤为明显,与CSM模型结论相符。随着滚刀贯入度的增大,滚刀荷载的波动幅度也有一定程度的增大;当刀盘转速增大时,滚刀荷载也呈增大趋势,其原因是切削速率的增大造成混凝土等材料动态强度增大。基于试验数据,对考虑岩石动态强度的CSM模型中的应变率效应参数进行了标定;（4）根据环径向变材料掘进试验结果,当周围材料不能为被切削区域提供足够的约束而存在等效临空面时,滚刀荷载出现骤减现象,此时围压状态变化造成材料强度不确定而不能采用CSM模型,因此,对于复合地层中的滚刀荷载,宜采用本文提出的复合地层滚刀荷载分段求解方法进行计算;滚刀荷载在不同材料交界面处的变化幅度远大于各区域荷载均值的变化幅度,并且随着刀盘转速的增大,滚刀荷载在交界面处的变化幅度也随之增大。因此,地层的反复变化会造成滚刀荷载的剧烈波动,滚刀刀圈、刀轴等部位可能因此更容易发生疲劳破坏。同时,过高的刀盘转速也会缩短滚刀的使用寿命;（5）根据盾构滚刀掘进试验结果对材料的HJC、FHWA本构模型中的率效应参数、损伤参数进行对比修正后分别进行了滚刀破岩与切削土体数值计算,计算结果显示:当切削速度增大时,滚刀破岩荷载均值呈对数函数形式增大,其波动幅度减小;当切削深度增加时,不仅滚刀破岩荷载均值增大,其波动幅度也急剧增大;滚刀切削土体荷载平均值随切削深度呈二次幂函数形式增大,与滚刀破岩时的线性增大趋势不同;滚刀切削土体荷载水平随上覆土压力增大线性增大,可据此计算不同埋深下滚刀荷载的大小,弥补了室内滚刀掘进试验无法考虑开挖面围压状态的缺点;（6）在较为准确的滚刀荷载计算模型的基础上,将相对硬度指标CAI值引入Archard磨损定律,基于塑性去除机制以及刀圈与开挖面间的相对运动分析建立了刀具正常磨损量预测模型,并据此对实际工程中滚刀正常磨损量与掘进距离之间的关系进行预测,预测结果表明,滚刀累计磨损量预测值反映了实际工程中滚刀磨损量的整体水平和变化趋势;考虑到在盾构掘进过程中地层性质与盾构机掘进参数较强的变异性,建立了复合地层滚刀磨损失效概率预测模型,从而避免了由于地质参数和施工参数的变化而导致的磨损误判。