随着我国经济的迅猛发展,城市地下交通工程、市政管道、铁路隧道等隧道施工建设与日俱增,为满足隧道施工的迫切需求,全断面硬岩掘进机(TBM)因其自身技术以及经济上的优越性得到了广泛的认可和应用,成为隧道掘进技术的主流。我国幅员辽阔,岩土种类繁多,复杂的地质情况对滚刀破岩的效率有了更高的要求。通过大量工程实践表明,岩石节理是影响滚刀破岩效率的一个重要因素。根据不同的地质条件来调整TBM的最佳运行速度,对于TBM破碎效率的提高有着重要的影响。节理是岩石内部存在的微小的裂隙,这些裂隙对岩石裂纹的扩展有着一定的影响,从而影响着滚刀的破岩效率。在TBM运行过程中,岩石对滚刀的反作用使得滚刀产生一定的磨损,从而影响着滚刀的寿命,间接的影响着施工的效率和地下工程的时间和成本。因此,本文通过建立盘形滚刀破岩模型,分别模拟滚刀对不同节理倾角和节理间距岩石的破岩过程,分析节理倾角和节理间距对岩石破碎效果的影响;其次对滚刀的运行速度与滚刀刀盘的旋转和前进速度的关系进行分析总结;最后通过相关试验进行验证分析。本文的主要工作如下:(1)介绍了国内外TBM技术的研究现状及应用,并对滚刀失效进行了相关分析。(2)理论分析了滚刀破岩机理,为后面滚刀的破岩模拟分析提供理论基础。(3)重点研究了岩石节理特征对滚刀破岩的影响。通过建立盘形滚刀破岩模型,分别模拟了滚刀对不同节理倾角和节理间距岩石的破岩过程,分析节理倾角和节理间距对岩石破碎效果。经过以上研究得到在滚刀破岩过程中,节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低。其次是岩石的破碎量随着节理间距增大而变小;当岩石节理间距大于100mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎量的影响较小。(4)重点研究了滚刀速度对岩石节理破碎的影响。通过建立滚刀破岩速度模型,仿真分析了滚刀的旋转速度和贯入速度对节理岩石破碎的影响。经过研究得到在滚刀破岩过程中,滚刀的旋转速度对于节理岩石破碎的影响具有不规律性;而滚刀的贯入速度对节理岩石破碎的影响具有一定的规律性。在相同贯入速度下,节理倾角为60°的岩石最容易破碎。(5)试验研究了花岗岩的破碎过程,通过试验数据与理论数据进行对比研究,验证仿真的正确性,为选取滚刀破岩最佳参数,为TBM的高效运行提供参考依据。总之,本论文的工作集中在对全断面硬岩掘进机滚刀对岩石节理的适应性进行了较为系统全面的研究。从目前实际问题出发,建立了相应的数学分析模型,进行了相关影响因素的仿真研究和试验验证。