随着地下空间工程快速开挖的需要和科学技术水平的提高,盾构掘进机施工技术在我国得到了飞速应用,应用盾构法进行地下空间工程施工已受到我国政府相关部门和施工企业的高度的重视。盘形滚刀作为盾构掘进机在掘进过程中破岩的主要刀具,其破碎效率直接影响了地下工程施工的效率和成本。目前,国内有关盾构掘进机盘形滚刀破岩特性的研究与国外相比较,尚处于探索阶段。因此,在广泛阅读和钻研国内外盾构掘进机有关刀具破岩理论,相关文献的基础上,对盘形滚刀破岩作用下,岩石介质的失效形式、破坏准则进行深入全面的了解,为建立刀具的破岩机理奠定理论基础。通过对刀具切削性能进行研究,为刀具的结构改进以及盾构掘进机上刀具的布置提供依据,从而达到提高刀具破碎效率的目的。论文主要内容有以下几个部分：通过对盘形滚刀破岩过程中机理的分析,在已有的岩石材料本构研究成果的基础上,具体将盘形滚刀破碎作用下岩石的主要失效形式添加,修正岩石材料的失效准则,以更加满足盾构施工实际情况。在ANSYS软件中建立盘形滚刀破岩过程有限元分析模型,动态模拟了刀具对岩土周边的扰动情况以及刀具受力特性。通过实验,验证了所建立的刀具破岩有限元分析模型的正确性和可行性,为刀具切削不同地质工况的切削性能的研究提供了仿真工具。在大量单因素切削模拟的基础上,分析了刀刃角、刀刃宽度、过度圆弧半径、切削深度以及切削速度等因素对切削性能的影响规律。并采用正交试验技术,研究了5因素交互作用下盘形滚刀切削性能的影响程度。利用遗传优化设计理论,以盘形滚刀破岩过程中比能耗为目标函数对盘形滚刀的关键几何结构参数进行了优化,结合具体工程研究中盾构掘进机上盘形滚刀的布置情况,得到了针对不同的岩石材料,最优的几何结构参数值,为实际的盾构掘进施工工具设计提供了依据。