旋挖碎岩难题是旋挖钻机推广应用中的一项关键技术,大口径钻掘作业面与作业能力有限之间的矛盾是旋挖破岩难题的本质所在。在钻具设计方面,解决此难题的关键在于：通过对岩石破碎理论的深入研究,设计出破岩效果良好的钻具。有研究表明：动静复合荷载破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势,能大幅度提高破岩效果。本文分别对静压和动载作用下岩石破碎的相关理论进行了总结分析,并提出了动静复合加载下岩石破碎的力学模型：在“初始弹性连续”和“动静荷载分工”两点假设的基础上,将岩石破碎过程分为弹性体—损伤体—断裂体三个阶段,应用弹性力学、损伤力学、断裂力学和岩石力学进行分析,提出了“轴压下岩石预损伤”和“动静复合加载下岩石损伤演化模式”两点理论。该力学模型的意义如下：(1)模型得出了静压与动载(冲击力)与岩石裂纹源、损伤度和裂纹长度之间的关系。(2)模型对岩石损伤过程做出了理论分析：集中力作用下弹性半空间的最大剪应力轨迹(两组对数螺旋线)作为岩石损伤的演化路径,Ⅰ型(张开型)和Ⅱ型(滑开型)裂纹作为动载冲击下压剪裂纹的扩展模式,裂纹扩展的最终结果是形成宏观的密实核与中间、径向和侧向裂纹。(3)模型可以对破岩钻进工具的设计参数(静压力、冲击能、冲击频率和布齿间距)具有指导意义。裂纹扩展是岩石破碎的最基本、最重要的过程。本文利用虚拟裂纹技术(vcct),通过大型有限元软件ANSYS14.0实现了岩石裂纹扩展的模拟,对比分析了15组不同荷载情况下裂纹扩展情况,分析表明：动静复合加载下岩石裂纹扩展速度高于单纯静载或动载,增加静压或冲击力均有利于增加裂纹扩展长度,尤其以提高动载作用显著；合理的选取动静荷载的比值,可以达到最优的裂纹扩展结果。在以上分析的基础上,参照传统旋挖钻具的设计方案,本文设计出一套适用于旋挖入岩的钻具——内置气动冲击器的双锥双螺的短锥螺旋钻头：(1)利用变距螺旋线布齿方法,实现了等破岩体积原则的空间布齿方案,该截齿布置方案在荷载分配、刀具磨损等方面均有优势。(2)设计出螺旋钻头的各个部件：方套、螺旋叶片和中心钻头等,并设计出关键部位的加强措施。(3)调查分析了国内外气动冲击器的型号与性能参数,提出了气动冲击的选型方案。(4)分析总结了大口径冲击——旋转碎岩钻进的工艺参数。