随着现代经济的高速发展,人们的日常生活面临着环境污染、交通阻塞等诸多问题。地下空间的开发利用能够从一定程度上解决这些问题,因而地下空间成为世界各国的建设主流,地下不再是阴冷潮湿的场所,而成为人类生态空间的又一延伸。盾构施工具有低噪音、低振动、施工安全等特点,同时对地上建筑物以及交通运输等均产生较小影响,凭借这些优越性,盾构施工法得到了广泛应用,成为隧道、地铁、水利水电等地下空间工程建设中的一种主要施工方法。盾构施工主要是通过掘进机刀盘上布置的刀具滚压、切削岩体而完成掘进,刀具与岩体的相互作用情况直接关系到掘进机的工作效率。因而,研究岩体在掘进机刀具作用下的破碎特性具有重要的理论价值和工程指导意义。本文在国家自然科学基金项目(51079017、51274053)、全国优秀博士论文专项基金项目(200960)、国家基础研究计划(973)项目(2011CB13500)资助下,采用RFPA软件对掘进机滚刀作用下岩体破碎机理进行数值模拟研究,完成了以下主要内容：1.通过阅读相关文献,归纳、总结了国内外学者关于刀具破岩在理论、物理实验和数值模拟等方面的研究现况。2.基于岩石真实破裂过程分析方法,通过采用多种破坏准则,实现刀具破岩过程中的拉伸开裂、剪切破坏和接触挤压作用的模拟。建立多滚刀以不同作用方式侵入完整岩体和单滚刀侵入节理岩体的二维数值模型,模拟了刀头作用下岩体的破碎过程,探讨了刀头作用方式、围压、刀间距和节理特征等对破坏模式、破岩角、刀头作用载荷以及裂纹扩展能力的影响规律,与物理实验具有较好的一致性。研究结果表明：(1)滚刀相位角的存在对岩石的破碎模式和破碎效率有着重要的影响,滚刀顺次加刀优于同时加刀。(2)围压增大,裂纹向深部扩展能力降低。相同围压下顺次加载时存在最优刀间距。同时加载时,随着围压的增加,最优刀间距逐渐增加。(3)倾斜节理导致刀头两侧裂纹的不对称扩展,节理有利于刀头与节理之间产生贯通裂纹,提高了破岩效率,但节理阻止了侧向裂纹的穿透扩展。(4)随着节理倾角的增大,跃进点载荷、残余载荷平均值、侵入量表现出先减小而后又增大的V型走势。节理倾角--定时,跃进点对应的载荷、侵入量随着节理间距的增大而增大,密集的节理分布有利于提高掘进效率。3.建立刀具与岩石的三维相互作用模型,通过物理实验和数值模拟的对比,更深层次地揭示刀具破岩机理,同时探讨了围压对岩石破碎特性的影响规律。研究结果表明：(1)刀头侵入岩石不断重复着加载一挤密一破坏的过程,刀头下部的核心区和损伤区不断扩大,最终导致裂纹形成、岩样破坏。(2)围压不同,岩石中裂纹扩展模式不同,损伤分布区域不同。随着围压的增大,跃进点载荷、刀头侵入量以及抗侵入系数增大,而载荷跃进幅度、破岩角随之减小,岩石的抗侵入能力增强。