摘要：盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件下施工時(shí)，易出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、刀具消耗量大和掘進(jìn)效率低等一系列問(wèn)題。為了明晰不同巖石特性下鑲齒滾刀破巖性能變化規(guī)律，提高鑲齒滾刀破巖效率和使用壽命，保證水利隧洞工程安全高效施工，基于非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)軟件，開(kāi)展了不同巖石特性下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖仿真模擬。通過(guò)多組仿真模擬，探究了不同巖石特性下兩種鑲齒滾刀和貫入度的最優(yōu)組合，并通過(guò)室內(nèi)破巖試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：凝灰?guī)r地質(zhì)條件下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖載荷差異性較小，但球齒型鑲齒滾刀破巖效率更高；砂巖和花崗巖地質(zhì)條件下，扁齒型鑲齒滾刀貫入巖石能力更強(qiáng)，可進(jìn)一步提升滾刀破巖效率。此外，在不同巖石特性下，兩種鑲齒滾刀破巖比能耗均隨著貫入度的增大而呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，并在貫入度6 mm左右出現(xiàn)最小值。研究結(jié)果可為隧道工程的盾構(gòu)機(jī)刀具選型提供參考。

關(guān) 鍵 詞：盾構(gòu)機(jī)；鑲齒滾刀；巖石特性；破巖性能；有限元方法

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV554；TV53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.023

0 引 言

盾構(gòu)機(jī)作為一種集機(jī)、電、光、液、信息技術(shù)于一體的大型隧道施工機(jī)械，憑借其自動(dòng)化程度高、施工速度快和施工安全性高等諸多優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于市政交通、鐵路和礦山等地下空間工程^［1-5］。隨著地下空間資源的開(kāi)發(fā)利用，盾構(gòu)機(jī)逐漸被應(yīng)用到引調(diào)水工程、抽水蓄能電站等水利工程。滾刀作為盾構(gòu)機(jī)的核心部件，其破巖性能直接決定了盾構(gòu)機(jī)的施工效率。由于水利隧洞埋深大、地應(yīng)力高和地質(zhì)情況復(fù)雜，滾刀作用在不同地質(zhì)易產(chǎn)生磨損斷裂甚至導(dǎo)致刀具失效，從而影響水利隧洞的施工進(jìn)度和施工成本^［6-10］。長(zhǎng)期以來(lái)，工程領(lǐng)域非常重視提高刀具破巖能力和延長(zhǎng)滾刀壽命相關(guān)技術(shù)。鑲齒滾刀憑借其高效和高耐磨性的優(yōu)勢(shì)，逐漸在隧道施工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。鑲齒滾刀通過(guò)在刀圈上鑲嵌不同類(lèi)型的硬質(zhì)合金齒，從而提高滾刀破巖效率，延長(zhǎng)滾刀壽命^［11-12］。中國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖土層物性變化大，盾構(gòu)機(jī)在隧道施工過(guò)程中會(huì)遇到各種類(lèi)型的地層^［13-14］。因此，針對(duì)不同的地質(zhì)條件開(kāi)展鑲齒滾刀選型研究，對(duì)盾構(gòu)機(jī)安全高效施工具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鑲齒滾刀破巖機(jī)理、破巖性能及破巖參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了諸多研究。Hu等^［15］通過(guò)建立鑲齒刀破巖仿真模型，研究了不同貫入度下滾刀破巖載荷變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)球形齒可減少刀具磨損。Zou等^［16］通過(guò)新型破巖試驗(yàn)裝置探究不同應(yīng)力條件和切削速率下球齒和圓錐齒對(duì)硬巖破碎的影響。譚青等^［17］基于離散元仿真方法，分析了球齒型鑲齒滾刀作用下巖石內(nèi)部裂紋拓展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)球齒底部巖石承受壓應(yīng)力過(guò)大而逐步出現(xiàn)密實(shí)核。吳帆等^［18］開(kāi)展球齒型鑲齒滾刀回轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)，結(jié)果表明鑲齒滾刀破巖呈現(xiàn)“遞進(jìn)式“破巖特征，并在排齒間距62 mm和貫入度1.5 mm時(shí)，鑲齒滾刀破巖效率最高。譚昊^［19］開(kāi)展了鎬型鑲齒滾刀破巖試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鑲齒滾刀有效鉆壓和巖石抗壓強(qiáng)度近似呈線性關(guān)系，并推導(dǎo)得出有效鉆壓約為巖石抗壓強(qiáng)度的75.48%。侯義輝等^［20］基于有限元數(shù)值模擬結(jié)果，分析了刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、鉆壓和鑲齒數(shù)等破巖參數(shù)對(duì)球齒型鑲齒滾刀破巖效率的影響規(guī)律，并得出最優(yōu)破巖參數(shù)組合。劉毅等^［21］基于矩陣分析法，分析了齒寬、齒高和齒數(shù)等齒形參數(shù)對(duì)鎬齒型鑲齒滾刀破巖性能的影響規(guī)律，并得出最優(yōu)齒形參數(shù)組合。鄒久群等^［22］基于顆粒離散元法模擬球齒型鑲齒滾刀破巖過(guò)程，發(fā)現(xiàn)巖石內(nèi)部裂紋以拉伸裂紋為主，齒端曲率是影響微裂紋數(shù)量的核心因素。

綜上所述，目前雖然關(guān)于盾構(gòu)機(jī)鑲齒滾刀破巖研究不少，但關(guān)于扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖性能對(duì)比的研究不多。因此，本文依托潛江—韶關(guān)輸氣管道工程岳陽(yáng)段穿越長(zhǎng)江隧道工程 ，對(duì)不同巖石特性下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖性能進(jìn)行研究，利用有限元仿真軟件，開(kāi)展扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析不同巖石特性下兩種鑲齒滾刀破巖性能的差異性，為盾構(gòu)機(jī)刀具選型和配置提供參考。

1 鑲齒滾刀破巖仿真設(shè)計(jì)

1.1 巖石模型

潛江—韶關(guān)輸氣管道工程岳陽(yáng)段穿越長(zhǎng)江隧道工程，盾構(gòu)法施工全長(zhǎng)3 481 m。隧道穿越的地層包括了凝灰?guī)r、砂巖和花崗巖，地質(zhì)條件差異較大。為了探究扁齒型和球齒型鑲齒滾刀在該工程不同巖石特性下的適應(yīng)性，對(duì)3種地層下的刀具破巖性能進(jìn)行研究。3種巖石材料均采用HJC（Holmquist-Johnson-Cook）本構(gòu)模型^［23-24］，巖石的材料參數(shù)如表1所列?？紤]到計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，巖石模型尺寸設(shè)置為400 mm×300 mm×200 mm（長(zhǎng)×寬×高），巖石模型均采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為3 mm。

1.2 鑲齒滾刀破巖有限元模型

由于滾刀實(shí)際破巖過(guò)程中滾刀刀圈與巖石直接接觸，因此以工程中常用的鑲齒滾刀模型為例，忽略刀轂和刀軸等部件，只保留刀圈關(guān)鍵部件，建立扁齒型和球齒型鑲齒滾刀模型。扁齒型鑲齒滾刀刀圈直徑也為432 mm，齒頂高10 mm；球齒型鑲齒滾刀刀圈直徑為432 mm，齒頂高為7 mm。兩種鑲齒滾刀均采用剛體材料模型MAT_RIGID，材料模型主要參數(shù)為：密度7 850 kg/m³、彈性模量210 GPa、泊松比0.3。考慮到鑲齒滾刀安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑲齒滾刀采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，相鄰滾刀間距為60 mm，兩種鑲齒滾刀破巖模型如圖1所示。

1.3 邊界約束條件

為了更真實(shí)地模擬實(shí)際工況，對(duì)巖石的底部進(jìn)行6自由度全約束，并在巖石底部和側(cè)面施加無(wú)反射邊界條件，防止巖石有限尺寸對(duì)巖石破碎產(chǎn)生影響?？紤]到滾刀材料為剛體，對(duì)其添加水平方向的移動(dòng)和繞自身質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)置刀圈移動(dòng)速度為1.04 m/s，刀圈轉(zhuǎn)速為0.52 rad/s，從而實(shí)現(xiàn)鑲齒滾刀以質(zhì)心為中心自轉(zhuǎn)以及沿著水平方向?qū)r體進(jìn)行切削。鑲齒滾刀的合金齒尖端需穿透巖石的表面，鑲齒滾刀與巖石之間的接觸模型采用侵蝕面-面接觸，從而更好地模擬滾刀與巖石的接觸作用過(guò)程。滾刀和巖石之間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.35和0.30，保證部分單元失效刪除后，剩余單元依然可提供接觸作用。

1.4 仿真參數(shù)設(shè)置

為了分析不同巖石特性下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖性能的差異性，從而為現(xiàn)場(chǎng)施工的刀具選擇提供參考。兩種鑲齒滾刀在每種地質(zhì)下均進(jìn)行5種貫入度的數(shù)值模擬，共進(jìn)行30組破巖仿真，具體參數(shù)如表2所列。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 兩種鑲齒滾刀破巖特性對(duì)比

基于上述鑲齒滾刀破巖有限元模型，首先進(jìn)行扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破碎砂巖仿真模擬，兩種鑲齒滾刀的貫入度均為4 mm，刀間距為60 mm。兩種鑲齒滾刀作用下巖石損傷狀態(tài)如圖2所示，由于球齒和扁齒尺寸結(jié)構(gòu)不同，其侵入巖石過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同類(lèi)型的破碎坑，扁齒在巖面上留下了較為明顯的長(zhǎng)方形破碎坑，而球齒在巖面上留下了類(lèi)似半球體的破碎坑。

圖3是扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖垂直力動(dòng)態(tài)變化曲線，兩種鑲齒滾刀破巖載荷均呈現(xiàn)出明顯的周期性。隨著鑲齒滾刀不斷向前滾壓，合金齒與巖石發(fā)生接觸，巖石局部應(yīng)力明顯增大，滾刀破巖載荷增大，而后合金齒又脫離巖石繼續(xù)向前滾壓，滾刀破巖載荷減小。

2.2 凝灰?guī)r地質(zhì)下仿真結(jié)果分析

根據(jù)1～10組仿真結(jié)果可知，凝灰?guī)r地質(zhì)條件下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖特性隨貫入度變化如圖4所示。由圖4（a）和圖4（b）可知，兩種鑲齒滾刀破巖的垂直力和滾動(dòng)力整體隨著貫入度的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但兩者的滾刀破巖載荷相差不大。這主要是因?yàn)閹r石強(qiáng)度較低，達(dá)到臨界破碎所需載荷較小，盡管扁齒和球齒尺寸結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)破巖載荷影響較小。

目前，破巖比能耗通常用來(lái)評(píng)估滾刀破巖效率^［25］，比能耗越小，則表示破碎單位體積巖石所需的能量越小，破巖效率越高。凝灰?guī)r地質(zhì)條件下，兩種鑲齒滾刀破巖比能耗如圖4（c）所示。兩種鑲齒滾刀破巖比能耗均隨著貫入度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)貫入度小于8 mm時(shí)，隨著貫入度增大，巖石破碎量逐漸增大，比能耗逐漸減小。然而，由于刀間距固定，當(dāng)貫入度大于8 mm后，巖石破碎量提升有限，導(dǎo)致比能耗有所增大。此外，球齒型鑲齒滾刀破巖比能耗整體小于扁齒型鑲齒滾刀，這主要是因?yàn)楸恺X型鑲齒滾刀的齒形為三角錐形，齒形直接侵入巖石面積較小，巖石破碎量有所減小。因此在凝灰?guī)r地質(zhì)下，扁齒型鑲齒滾刀和球齒型鑲齒滾刀破巖載荷相差不大，但球齒型鑲齒滾刀破巖量相對(duì)較大，進(jìn)而導(dǎo)致破巖效率有所提升。

2.3 砂巖地質(zhì)下仿真結(jié)果分析

根據(jù)11～20組仿真結(jié)果可知，砂巖地質(zhì)條件下扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖特性隨貫入度變化如圖5所示。由圖5（a）和圖5（b）可知，兩種鑲齒滾刀的垂直力和滾動(dòng)力均隨著貫入度的增大而增大。但在貫入度較小時(shí)，球齒型鑲齒滾刀破巖載荷大于扁齒型鑲齒滾刀，而后隨著貫入度的增大，兩者的破巖載荷差距逐漸減小。這主要是因?yàn)榍螨X的接觸表面為圓弧面，巖石接觸區(qū)域更大，導(dǎo)致滾刀破巖載荷有所增大，而后隨著貫入度的增大，滾刀刀圈與巖石直接接觸，使得兩者的破巖載荷差距減小。

砂巖地質(zhì)條件下，兩種鑲齒滾刀破巖比能耗隨著貫入度變化如圖5（c）所示。隨著貫入度增大，比能耗整體也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)貫入度為2 mm和4 mm時(shí)，兩種鑲齒滾刀上相鄰齒之間的巖石難以貫通破碎，僅在齒滾壓巖石處出現(xiàn)破碎，破巖量有限。隨著貫入度的增加，刀圈上的合金齒與巖石接觸充分，相鄰齒之間出現(xiàn)協(xié)同破碎作用，滾刀破巖體積逐漸增大，比能耗有所減小。值得注意的是，隨著巖石強(qiáng)度的增大，巖石難以起裂破碎，鑲齒滾刀破巖量提升有限，但扁齒與巖石接觸面積小，破巖載荷有所減小，因此扁齒型鑲齒滾刀破巖比能耗小于球齒型鑲齒滾刀。

2.4 花崗巖地質(zhì)下仿真結(jié)果分析

根據(jù)21～30組仿真結(jié)果可知，花崗巖地質(zhì)條件下球齒型和扁齒型鑲齒滾刀破巖特性隨貫入度變化如圖6所示。由圖6（a）和（b）可知，兩種鑲齒滾刀破巖垂直力和滾動(dòng)力也隨著貫入度的增大而增大，但由于巖石強(qiáng)度高，巖石難以破碎，滾刀破巖載荷增長(zhǎng)幅度明顯增大。同樣的，扁齒型鑲齒滾刀破巖載荷也普遍小于球齒型鑲齒滾刀破巖載荷。這主要是因?yàn)殍傹X滾刀主要依靠刀圈上鑲嵌的合金齒擠壓剪切巖石，然而扁齒截面形狀為三角錐，合金齒與巖石接觸面積小，使得滾刀破巖載荷有所降低。

兩種鑲齒滾刀破巖比能耗隨貫入度變化趨勢(shì)也較為接近，如圖6（c）所示。隨著貫入度的增加，兩種鑲齒滾刀破巖比能耗先減小后增大。當(dāng)滾刀貫入度較小時(shí)，花崗巖強(qiáng)度高硬度大，兩種鑲齒滾刀破巖效果均較差。而后隨著貫入度的增大，刀圈上的合金齒與巖石接觸面積逐漸增大，巖石破碎量有所上升，破巖比能耗減小。相較而言，扁齒齒尖較為突出，相同條件下巖石局部應(yīng)力大，巖石更易發(fā)生局部破碎。因此，硬巖地質(zhì)條件下，相較于球齒型鑲齒滾刀，扁齒型鑲齒滾刀破巖效果更好。

3 室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 多功能刀具切削性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，開(kāi)展球齒型鑲齒滾刀破碎砂巖試驗(yàn)。鑲齒滾刀破巖試驗(yàn)在中南大學(xué)的多功能刀具切削性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，如圖7所示。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)分為機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、液壓操作系統(tǒng)。通過(guò)液壓操作系統(tǒng)控制試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)，調(diào)節(jié)貫入度與試驗(yàn)臺(tái)的平移升降運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)，采集三向力傳感器的力信號(hào)。破巖試驗(yàn)和數(shù)值模擬的球齒型鑲齒滾刀具有相同尺寸結(jié)構(gòu)，巖樣具有相同的材料力學(xué)特性。

3.2 試驗(yàn)方案

采用17英寸（直徑為432mm）球齒型鑲齒滾刀進(jìn)行線性切割破巖試驗(yàn)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)定4組貫入度為2，4，6，8 mm的滾刀破巖試驗(yàn)，為了與仿真效果對(duì)比，設(shè)定刀間距為60 mm。通過(guò)分析巖石破碎狀態(tài)和滾刀垂直力的試驗(yàn)結(jié)果，來(lái)比較試驗(yàn)與仿真的誤差。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)貫入度為4 mm時(shí)，球齒型鑲齒滾刀破巖試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比的巖石破碎狀態(tài)與破巖載荷，如圖8所示。數(shù)值模擬和破巖試驗(yàn)均顯示出鑲齒滾刀在巖面上形成不連續(xù)的破碎坑。隨著鑲齒滾刀不斷向前滾壓，刀圈表面的球齒直接與巖石接觸，并形成應(yīng)力集中，當(dāng)巖石內(nèi)部損傷積累超過(guò)巖石強(qiáng)度極限，巖石起裂破碎形成破碎坑，隨后不斷重復(fù)上述過(guò)程，巖面最終出現(xiàn)一道不連續(xù)的半球體破碎坑。

滾刀破巖載荷是引起巖石起裂破碎的直接因素，同時(shí)也是導(dǎo)致滾刀磨損失效的重要因素。整理貫入度分別為2，4，6，8 mm時(shí)的4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將測(cè)量得到的垂直力取平均值，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。

隨著貫入度的增大，試驗(yàn)與仿真的滾刀垂直力均有所增大，且垂直力上升的幅度也隨之增加。在貫入度為6 mm及以上時(shí)，隨著球齒貫入巖石更深，滾刀刀圈也即將碰到巖面，使得切削阻力大幅上升。這可能是由于數(shù)值模擬中滾刀為不變形的剛體，而實(shí)際試驗(yàn)中滾刀存在一定的變形，此外，試驗(yàn)中巖樣尺寸也大于數(shù)值模擬，提供了更強(qiáng)的邊界約束，導(dǎo)致滾刀垂直力更大。垂直力誤差最大為24.8%，總體誤差在可接受范圍內(nèi)。從上述分析可知，仿真曲線與試驗(yàn)曲線變化趨勢(shì)相近，仿真結(jié)果接近鑲齒滾刀實(shí)際破巖情況，進(jìn)一步說(shuō)明了有限元仿真方法的可行性。

4 結(jié) 論

本文主要建立了扁齒型和球齒型鑲齒滾刀破巖仿真模型，模擬了兩種鑲齒滾刀動(dòng)態(tài)破巖過(guò)程，分析了兩者在不同巖石特性和貫入度下的破巖特性，并進(jìn)行了球齒型鑲齒滾刀破巖試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，主要結(jié)論如下：

（1）鑲齒滾刀破巖動(dòng)態(tài)載荷呈現(xiàn)出明顯的周期性，隨著貫入度的增大，鑲齒滾刀的垂直力和滾動(dòng)力明顯增加。凝灰?guī)r地質(zhì)條件下，扁齒型鑲齒滾刀和球齒型鑲齒滾刀在各個(gè)貫入度下垂直力平均值相差在8.7%左右，而在砂巖和花崗巖地質(zhì)條件下，相較于球齒型鑲齒滾刀，扁齒型鑲齒滾刀在各個(gè)貫入度下的垂直力平均值明顯減小，約下降了18.12%。

（2）給定刀間距下，兩種鑲齒滾刀在貫入度6～8 mm范圍內(nèi)能使巖石破碎完整，比能耗最小。凝灰?guī)r和砂巖地質(zhì)條件下，扁齒型和球齒型鑲齒滾刀在貫入度8 mm時(shí)，破巖比能耗最小，即在盾構(gòu)機(jī)推力允許范圍內(nèi)可適當(dāng)增加貫入度，提高掘進(jìn)效率?；◢弾r地質(zhì)條件下，兩種鑲齒滾刀在貫入度6 mm時(shí)破巖比能耗最小。

（3）凝灰?guī)r地質(zhì)條件下，球齒型鑲齒滾刀破巖性能整體優(yōu)于扁齒型鑲齒滾刀，而隨著巖石強(qiáng)度的增大，扁齒型鑲齒滾刀更易貫入巖石，提高滾刀破巖效率。因此，扁齒型鑲齒滾刀更加適用于砂巖和花崗巖地質(zhì)條件。

（4）上述扁齒型和球齒型鑲齒滾刀在凝灰?guī)r、砂巖和花崗巖3種地質(zhì)條件下的破巖性能對(duì)比研究，可為實(shí)際隧道工程刀具選取提供指導(dǎo)意義。在以砂質(zhì)板巖為主的潛江—韶關(guān)輸氣管道工程岳陽(yáng)段穿越長(zhǎng)江隧道工程，配置扁齒型鑲齒滾刀進(jìn)行施工，刀具平均使用壽命為488環(huán)，最多可達(dá)831環(huán)，工作性能良好，有效改善了該工程的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

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（編輯：郭甜甜）

Comparative study on rock breaking performance of flat tooth and

ball tooth inserted disc cutter

CHEN Chen¹，GUO Honghai¹，F(xiàn)U Jie²，LUO Xingchen³

（1.China Railway 14th Bureau Group Shield Engineering Co.，Ltd.，Nanjing 211899，China; 2.College of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Abstract：With the maturity of the shield machine construction technology，the shield machine plays a critical role in the water conservancy tunnel projects.However，series of problems such as severe cutter wear，intensified cutter consumption and low excavation efficiency are prone to occur during the construction of shield tunneling machines under complex geological conditions.To clarify the change rule of rock breaking performance under different rock properties，improve the rock breaking efficiency and service life of inserted tooth disc cutter，and to ensure the safe and efficient construction of water conservancy tunnel projects，based on a nonlinear finite element dynamics software，we carried out a simulation on rock breaking performance under different rock characteristics for inserted tooth disc cutter of flat tooth and ball tooth respectively.The optimal combinations of two types of tooth disc cutters and penetration under different rock properties were investigated through several sets of simulations，and the simulation results were verified by indoor rock-breaking tests.The results indicated that under the geological conditions of tuff，there was less difference between breaking load of flat tooth and ball tooth of inserted disc cutter，but the breaking efficiency of ball tooth inserted disc cutter was higher.Under the geological conditions of sandstone and granite，the ability of flat tooth disc cutter to penetrate into the rock was stronger，and the efficiency of rock breaking could be further improved.In addition，under different rock characteristics，the specific energy consumption of the two types of tooth disc cutters showed a trend of decreasing and then increasing with deepening of penetration，and the minimum value occurred around the penetration degree of 6 mm.The results of this study can provide a reference for the selection of shield machine cutters for tunneling projects，and promote the development and application of tooth disc cutters.

Key words：shield machine; inserted disc cutter; rock property; rock breaking performance; finite element method