全断面隧道掘进机（TBM）具有掘进速度快、安全性高、劳动强度低、施工质量好以及环保等优点,在交通、市政、水电、矿产、民防等隧道工程中被广泛使用。随着我国基础建设投入的不断加大,隧道及地下空间建设的发展不断加快,对TBM的需求也不断增大。盘形滚刀作为TBM的核心部件,在掘进施工过程中直接接触并破碎硬岩,其服役工况十分恶劣,导致盘形滚刀的消耗十分巨大,进而影响施工的效率和成本,成为制约整体施工质量和进度的主要问题之一。因此,减少盘形滚刀的磨损失效,提高其服役寿命具有重大的理论和实际意义。盘形滚刀的失效主要受掘进施工过程中的机械因素（掘进速度、刀盘转速和推力等）和地质因素（岩石强度、硬度以及磨蚀性等）的影响,由于天然岩石是由不同种类的矿物颗粒、胶结物以及局部缺陷组成的混合体,是经过自然界长期复杂的地质变迁形成的复杂材料,其力学性能表现出极大的非连续性,严重影响了盘形滚刀服役寿命预测的准确性。此外,盘形滚刀在破岩过程中与岩石的接触形式较为复杂,这对研究盘形滚刀的损伤机制也造成了不利影响。针对TBM盘形滚刀在复杂服役工况下的巨大磨损消耗,本文对盘形滚刀的破岩特性和滚刀与岩石的相互作用关系展开了相关研究,基于摩擦学原理揭示了盘形滚刀的损伤机制并对其磨损量进行了预测。本文的主要研究内容如下:（1）根据施工现场反馈,部分失效刀圈因摩擦升温导致表面出现局部发黑现象,造成盘形滚刀的非正常失效。为研究盘形滚刀异常失效的成因和性能变化,本文针对典型盘形滚刀材料开展了接近服役条件下的力-热耦合性能测试研究,获得了滚刀材料在不同温度下的力学行为、硬度以及弹性模量的变化趋势,确定了盘形滚刀材料的适合服役温度范围。在上述工作基础上,对盘形滚刀材料和四种典型岩石进行了高温摩擦磨损性能测试研究,基于测试过程中的摩擦系数、盘形滚刀材料的磨损失重和磨损形貌以及对磨岩石材料磨痕深度的变化趋势,分析了盘形滚刀材料在不同温度下与岩石的摩擦磨损特性,结果表明其磨损行为随温度的升高而愈发加剧,当温度升高至400℃时,盘形滚刀材料的表面出现氧化现象。揭示了盘形滚刀材料的主要磨损机理,即在室温至300℃时以磨粒磨损为主,在温度为400℃时则以磨粒磨损和氧化磨损为主,盘形滚刀已不适合在此温度下掘进岩石。对盘形滚刀材料的成分和制备工艺提出了优化方向,以期提高盘形滚刀在高温环境下的服役寿命。（2）在TBM掘进施工中,掘进参数、地质条件以及盘形滚刀的结构和性质直接影响盘形滚刀的寿命。本文研制了一套盘形滚刀旋转破岩测试装置,其具有结构简单、经济适用、操作安全方便等特点;同时,根据盘形滚刀的实际应用情况,设计了两种不同刀刃形状的盘形滚刀模型,并对四种典型岩石块体进行了破岩测试,以研究滚刀-岩石的匹配性。通过分析两种盘形滚刀模型在破坏不同种类岩石过程中的垂直载荷、测试后岩石的磨痕深度和形貌,以及产生岩屑的相关信息等,研究了盘形滚刀的破岩效率;通过分析盘形滚刀的磨损失重和磨损行为,揭示了盘形滚刀在破岩过程中的损伤机制。最后分析总结了盘形滚刀与岩石的匹配关系,即当TBM掘进较软的岩石时,可适当增加盘形滚刀的刀刃宽度,使其在具有较高服役寿命的同时提高破岩效率;而当TBM掘进强度较高的岩石时,在保持刀刃角不变的情况下,可适当减小盘形滚刀的刀刃宽度,并增加刀刃过度圆弧的尺寸,以降低磨损、提高破岩效率,为盘形滚刀的结构设计和TBM掘进施工中刀具的选用提供了一定的参考依据。（3）在确定滚刀-岩石匹配性之后,对盘形滚刀在接近服役条件下的破岩特性和磨损机理进行了研究,通过分析添加不同冷却介质后盘形滚刀的破岩效率和磨损行为,提出了滚刀-岩石的相互作用关系机理,并分析了盘形滚刀的磨损机理,进而揭示了盘形滚刀在服役工况下的损伤机制。添加冷却介质后,尤其是在冷却介质中添加表面活性剂,可有效缓解盘形滚刀在破岩过程中的磨损行为,进而提高其服役寿命,对提高施工效率、降低施工成本起到积极作用,对TBM掘进施工中冷却介质的选用和研制具有一定的借鉴意义。（4）基于磨粒磨损计算模型和CSM破岩载荷预测模型,提出了一种TBM盘形滚刀磨损预测模型,并根据四条隧道掘进施工中前400 m至1.4 km左右的盘形滚刀磨损实测数据,对该模型进行了验证,得到了磨损量预测的误差范围,研究结果对TBM盘形滚刀的磨损预测以及开仓换刀时机的选择具有一定的指导意义。