全断面岩石掘进机(TBM)作为先进轨道交通装备,具有快速高效、安全环保、自动化程度高等优点,因而广泛应用于现代隧道工程施工中。然而,我国在TBM关键部件的技术研究方面与国外差距依然明显。刀盘是TBM的关键部件,其上面布置的盘形滚刀是主要破岩刀具,刀盘部件能否正常工作将直接影响TBM的掘进性能。多年来,科研人员对TBM刀盘及盘形滚刀的性能预测做了大量工作,包括施工现场研究、试验室试验及数值模拟研究。如今,对刀盘部件开展研究仍然有着重要意义。本文首先介绍了TBM分类与系统组成,分析了刀盘及盘形滚刀在TBM破岩掘进中的重要作用,总结了与岩石破碎相关的材料屈服准则及滚刀破岩预测模型,选定了数值模拟中岩石的模型。然后,建立了单滚刀不同切深的破岩模型与两种类型的双滚刀破岩模型,并分别在有限元软件中进行了数值仿真,模拟了滚刀的动态破岩过程。通过对数值模拟结果进行后处理及数据处理,确定了单滚刀破岩模型的最佳贯入度和双滚刀破岩模型的最优刀间距,并对比两种双滚刀破岩模型的破岩效果,得出了在比能相同的条件下,双滚刀同步破岩模型破岩效果更理想的结论。在此基础上又对比了两种双滚刀破岩模型的平均滚动力与比能,选出了本论文模型的最佳切削参数。最后,根据上面确立的滚刀破岩参数,优化了刀盘结构,调整了盘形滚刀在刀盘上的布置,并在有限元软件中对优化后的刀盘进行刀盘掘进数值模拟。结合CSM性能预测模型,验证了本文在刀间距与贯入度比值选择上的合理性,为现实中刀盘的设计制造提供了参考数据,具有一定的参考价值。