全断面岩石隧道掘进机（TBM）是开掘各类岩石隧道的重大高端工程装备,中国已成为全球隧道掘进机工程第一大国,随着我国交通建设的高速发展,跨流域调水工程、大埋深、长距离、大直径掘进机隧道工程不断涌现,极硬岩、极软岩、强岩爆、大涌水等众多复杂困难地质频繁出现,对新型先进TBM掘进方法、技术与装备的需求愈发迫切。本文针对TBM掘进硬岩地质时存在的破岩效率低的问题,提出了TBM“压-冲”耦合破岩的技术方案,通过滚刀破岩机制理论分析、“压-冲”耦合破岩数值模型构建、滚刀破岩试验平台研制与试验、“压-冲”耦合破岩过程数值模拟,系统探究滚刀滚压和冲击锤冲击耦合作用下岩石的裂纹演化和破碎机制,主要的研究内容如下:首先,开展滚刀-冲击锤“压-冲”耦合破岩理论分析。针对适用于硬岩地质的开敞式TBM及平刃盘型滚刀,通过文献调研方法总结分析滚刀破岩机理;在此基础上,分析振动、冲击破岩理论及其与TBM耦合破岩的可实施性;在传统滚刀破岩基础上,提出在滚刀间隔中增加滚动冲击锤激励源的并联式“压-冲”耦合破岩实施方案。其次,建立滚刀-冲击锤“压-冲”耦合破岩过程数值模型。基于使用二维模型开展刀具破岩致裂机制研究的合理性,针对并联式“压-冲”耦合破岩实施方案,采用颗粒离散元方法构建“压-冲”耦合破岩过程二维数值模型;针对常规圆形颗粒平滑接触的嵌合自抗扭能力不足而导致的岩石压拉强度比偏低问题,开发基于优化泰森多边形算法的高精度等效晶质岩石材料颗粒簇建模技术;考虑滚刀准静态贯入和冲击锤动态冲击过程,构建基于刚性颗粒块冲击锤能量转换机制的“压-冲”耦合破岩模型。再次,研制多功能小型滚刀破岩试验平台,对所建数值模型进行试验验证。针对全尺度LCM或RCM试验成本高、周期长的问题,自行研制了多功能小型滚刀破岩试验平台,并开展岩石切割试验;系统完成了小型滚刀破岩试验平台的需求分析、方案论证、参数设计、传感器选型、三维建模、图纸绘制、材料选型、结构加工、零件装配、控制和数据采集系统设计与开发等全面工作,试验台安装完成后进行了试切削、传感器标定、控制和数采系统调试;开展滚刀直线切削岩石试验,对所用数值方法的合理性和所建数值模型的可靠性进行试验验证。最后,开展滚刀-冲击锤“压-冲”耦合破岩过程数值模拟研究。基于应用于西康铁路秦岭隧道的TB880E掘进机刀盘滚刀布局方案,构建三刀协同破岩和“压-冲”协同耦合破岩单元,分析后者的优越性并探究其破岩致裂机制;系统分析影响“压-冲”耦合破岩效能特性的各个因素,确立所研究的5个主要因素:刀间距、冲击锤刃宽、冲击锤端部形状、活塞质量、活塞末速度,及其各因素的变化水平,基于所验证的数值方法,开展正交模拟研究,重点研究各因素对破岩载荷与贯入比能的影响规律,确定“压-冲”耦合高效破岩的多维度参数最优组合方案;基于正交模拟研究,优化滚刀布局并以破岩比能作为评价指标,对“压-冲”耦合破岩TBM的破岩性能进行评判。