硬岩掘进机作为一种长隧洞快速施工的先进设备其最大的优点就是快速、优质、安全和经济,尤其有较钻爆法无可比拟的掘进速度。随着越来越多的工程项目需要在相对较硬的岩层中施工,硬岩掘进机的使用和发展具有广阔的市场前景,对掘进机的设备性能提出了更高的要求,尤以滚刀的性能和耐用度提出了更高的性能要求。岩石破碎的效率与难易程度是影响工程的施工进度的主要因素,而滚刀的消耗占硬岩掘进施工成本的主要部分,滚刀的更换是掘进机停机的一大主要原因,减少滚刀的磨损和破损,提高滚到的耐用度,对于减少工程成本提高工程施工的效率尤为重要。本文在国内第一次采用工业试验的方法对TBM盘形滚刀破碎岩石的机理及影响破岩力的因素进行了试验研究,采用理论分析方法与高速摄影技术、计算机仿真技术和工业试验相结合的方法,系统地研究了滚刀破碎岩石的机理、滚刀破碎岩石时的破岩力和各掘进参数下的破岩力和破岩量问题,运用微观的仿真模拟完成对滚刀破碎岩石的宏观分析,建造了国内第一台滚刀破岩与耐磨实验平台,并进行了大量不同掘进参数的切割试验,采用试验数据与工程数据相结合的方式,分析各掘进参数下破岩力和破岩量的影响,为施工掘进参数选择提供依据。本文主要研究工作与取得的成果如下：1、通过对盘形滚刀破碎岩石过程的机理分析,修正岩石材料的失效准则和破坏模型,以更加满足掘进机施工实际情况；采用RFPA真实过程破裂分析系统,建立了单把、双把和三把滚刀破碎岩石机理模型并对其进行了岩石的破碎过程分析；运用高速摄像机技术,对单把和双把滚刀破碎岩石的过程进行微观和宏观的试验分析,得出岩石的破坏过程包括初始变形、微裂纹产生、扩展和分离等。2、在对盘形滚刀破碎岩石的机理深入研究之上,对滚刀和刀盘的受力控模型提出合理简化,运用Autodyn显示动力方法建立盘形滚刀破岩过程的有限元模型,动态模拟了滚刀对岩体周边的扰动情况以及滚刀的受力特性和切割特性；对滚刀的结构参数、工作参数和地质条件等对岩石破碎的影响进行分析,从微观角度揭示了滚刀作用下岩石破碎机制和影响规律。3、建立了盘形滚刀破岩与耐磨实验平台,通过试验方法分析了盘形滚刀破岩运动中由于岩石的不均质性导致的位移偏移情况,并对比分析了掘进参数对破岩轨迹偏移的影响规律；分析了各掘进参数对破岩力的显著性影响,得出贯入度对破岩力的影响较大,切割速度影响裂纹的扩展速度,刀间距直接影响碎块的大小,得到针对花岗岩切割的最优水平和最优组合。4、运用试验的方法,针对贯入度、切割速度、刀间距等掘进参数,进行了不同组合的单因素仿真与试验分析,分析了破岩时各向破岩力、破岩量、岩石表面形貌、岩石碎块的形状与大小等指标随不同切割因素的变化规律,确定了针对花岗岩的最优贯入度、切割速度和刀间距等优化值；通过工程数据,分析了不同地质条件下最大月掘进尺,从理论和试验上保证了在恒定推力下日最大掘进量。5、在正交试验和单因素试验的基础之上,进行盘形滚刀耐磨性分析,分析滚刀的使用寿命,分析得出滚刀磨损量与切割长度或切割时间之间的关系；分析了引洮工程中滚刀的更换频率,得出滚刀的布置对滚刀磨损的影响规律,建立了滚刀磨损预测模型,合理分析确保新工程期内无需换刀。