全断面硬岩隧道掘进机（TBM）具有机械化、环保、速度快、扰动小等优势,是当前国内外隧道工程最主要的施工方法之一,盘形滚刀作为TBM的破岩刀具对施工效率以及成本有重大影响,如何快速简便的判断TBM在掘进某段隧道时滚刀的磨损速率,为施工时换刀计划以及施工参数的制定提供理论依据,是保证TBM掘进效率亟需解决的问题。本文充分运用理论分析、数值计算、室内试验以及现场实测的研究手段,基于摩擦学以及材料学原理,对TBM破岩过程中盘型滚刀的磨损机理进行了深入研究,基于滚刀分区磨损理论、数值计算以及研发的全新室内滚刀磨损试验结果,使用MATLAB编写了考虑TBM施工参数和围岩性质的滚刀磨损量预测模型,并在冬奥管廊工程TBM段进行了实例应用,主要研究成果如下:（1）依据摩擦学原理,分析了滚刀不同部位在破岩时磨损类型的不同,提出了滚刀的分区磨损理论,将滚刀的磨损分为正面压裂磨损、侧面滑动磨损以及正面滑动磨损三种不同类型,其中压裂磨损属于疲劳磨损类型,滑动磨损为磨料磨损,通过对理论的推演得到了不同分区起主导作用时磨损量的可能状态,根据推演结果进行原位试验,获取了对应极限状态下的滚刀磨损值以及TBM实时施工参数,结合岩石矿物成分分析（Roq SCAN）、Cerchar磨蚀性指数（CAI）等室内试验,对理论推导进行了验证,确定了分区磨损理论的合理性。（2）以离散元颗粒流软件PFC3D进行了数值计算方法研究,通过对比不同数值材料模型的压拉比选择了平节理（Flat-joint）模型进行岩体建模;通过正交试验对平节理模型细观参数与宏观参数的关系进行了标定,并拟合了反算公式;基于fish语言在三维基础上研究了一套适合滚刀破岩分区磨损分析的建模和运动模拟方法,能够根据滚刀公转运动时的实时坐标位置进行受力二次分解,将xyz三向力转换为沿滚刀公转切线的滚动力以及沿半径方向的侧向力,解决了一般的离散元数值模拟中的接触力无法分区及区分方向的问题。（3）设计了不同围岩、不同贯入度及不同布置条件下的滚刀破岩数值模拟方案,对各种工况下滚刀所受法向力、侧向力以及滚动力进行了对比,数值计算结果显示,在控制单一变量的前提下:滚刀所受的三种力都会随着滚刀公转速度的提高而增大;不同安装半径的滚刀所受侧向力与滚动力有较大差异,但法向力与安装半径相关性不强,侧向力与滚动力的变化主要是由线速度的不同造成,且滚动力与滚刀线速度呈线性正相关;对不同半径下滚刀的侧向不平衡力进行了分析,显示在半径0.7m以下侧向力与安装半径呈线性负相关关系,随着半径增大,不平衡力将无限趋近于0;根据数值计算的结果以及现场施工参数,对单把滚刀受力的计算方法进行了修正,能够根据TBM的施工参数反算刀盘上单把滚刀的受力。（4）针对滚刀破岩过程中的运动特征,研发了一套能够记录滚刀公转和自转圈数的滚刀磨损试验设备,验证了滚刀不完全滚动造成的正面滑动现象,并对正面滑动比例进行了研究,结果显示滚刀正面滑动距离的占比主要受接触压强影响,整体呈线性负相关关系;结合固定轴试验区分了正面磨损中的压裂磨损和滑动磨损,试验结果显示压裂磨损只与接触压强和材料性质有关,与围岩的性质无关,在试验中滚刀的每圈（自转）半径压裂磨损系数为2.4×10-6mm/Mpa·r;（5）依据数值计算及室内试验结果,基于分区磨损理论建立了滚刀磨损量预测模型,使用MATLAB编写了考虑施工参数和围岩性质的算法程序,将室内试验获取的磨损系数代入进行计算并标定后得到现场滚刀材料的压裂磨损系数为0.3165×10-6mm/MPa·r,磨损量计算结果与现场实测滚刀磨损数据进行对比,差距均在5%以内,验证了磨损量预测模型的适用性和准确性。