随着我国经济的快速发展,基础设施建设比重逐步加大,隧道工程是我国基础设施建设的重要组成部分。全断面硬岩掘进机(Tunnel Boring Machine)因其快速高效、安全经济的施工方式,作为主要隧道掘进装备被广泛应用于城市地铁、市政管道、隧道交通等工程领域。盘形滚刀是安装在TBM刀盘上的关键部件,在破岩过程中滚刀所受载荷及其在刀盘上的间距布置直接影响着滚刀的破岩效率,进而关系到隧道开挖的施工进度和成本。因此,基于滚刀破岩机理,利用有限元仿真和试验的方法,深入研究TBM盘形滚刀破岩过程,这对于提高TBM掘进效率具有深远意义。具体工作内容如下:(1)介绍了盘形滚刀的结构类型和岩石的力学特性,从理论上分析了滚刀破岩机理,并归纳总结了滚刀受力预测模型,为后续研究提供理论基础。(2)重点研究了掘进参数对滚刀受力的影响程度。利用ABAQUS软件对双滚刀顺次破岩过程进行有限元仿真,分析双滚刀作用下岩石破碎过程及破碎区应力变化规律,即在双刀协同破岩的作用下,岩石破碎区应力的扩展形式为纵向及横向扩展,破碎区域主要集中在应力横向扩展的交汇区;根据不同掘进参数设计正交试验,利用极差分析和方差分析得到贯入度、刀间距、滚压线速度对滚刀受力的影响程度及显著性,其中贯入度对滚刀受力的影响程度最大且影响显著。(3)重点研究了刀间距对滚刀破岩效率的影响。利用ABAQUS软件建立不同刀间距的滚刀破岩模型,仿真分析了刀间距对岩石破碎表面形貌及岩石破碎量的影响,提出了一种仿真过程中计算岩石破碎量的方法;同时,研究得出刀间距在66～90范围变化时,岩石的破碎存在过度破碎、完全破碎、不完全破碎及形成岩脊四种形态,其中刀间距为78mm时,岩石表面破碎最完整且破岩量最大,比能最小,破岩效率最高,为最优刀间距。(4)利用扫描电镜和三维成像CT对花岗岩、大理石、石灰石、片麻岩、砂岩五种岩石试样进行结构、成分及孔隙裂纹检测,从微观角度分析岩石的破碎机制。(5)利用滚刀破岩与耐磨试验平台,对贯入度、刀间距、滚压线速度进行不同岩石的单因素试验研究,重点分析了不同因素对破岩过程中滚刀受力、岩石破碎表面形貌、岩石破碎量及岩碴长轴大小的影响,确定了在该试验下滚压大理石的最优刀间距;并对花岗岩等五种岩石的破碎表面形貌进行了横向比较,结合岩石的结构特点,分析其内部孔隙度对岩石破碎的影响。上述研究结果为进一步改善滚刀破岩性能,优化滚刀间距布置,提高全断面硬岩掘进机破岩效率奠定了理论基础。