随着综合国力不断增强,我国在铁路和公路建设领域快速发展,正在打造覆盖面广、高效一体化的交通运输网,以实现人们多选择并快速出行,方便广大人民群众生活。全断面岩石隧道掘进机作为隧道等地下岩石层开挖的先进化大型机械设备,和传统爆破钻进作业相比,它具有施工环境友好、施工效率高、安全性好和长距离隧道施工经济性显著等一系列优点,被世界各国广泛应用于铁路、公路、水利等工程建设中。因此,TBM具有广阔的市场应用前景,同时施工方对TBM的掘进性能也提出了更高的要求。TBM主要是通过安装在刀盘面板上的滚刀滚压掌子面岩体使岩石破碎脱落完成隧道开挖掘进工作。岩石是岩体的基本组成部分,是一种组成结构复杂的脆性材料,主要特性是非均匀性,滚刀作为与岩石直接接触实现破岩的核心部件,它的布置安装、受力特征、磨损特性等都间接影响着TBM的掘进效率。因此,本文查阅了大量相关文献,基于国内外TBM掘进技术和TBM滚刀研究发展现状,完成了以下几点内容:(1)基于ABAQUS有限元仿真对某型TBM刀盘上不同安装半径的6把盘形滚刀破岩特性进行了数值模拟研究,分析了滚刀破岩岩石应力应变响应特征、滚刀接触应力、滚刀破岩阻力和破岩摩擦功。研究发现安装半径越大的正滚刀运动越快,工作越良好,破岩量越多,总体摩擦损耗低;距滚刀刀刃下方越近处岩石应力越大,刀刃下方同一位置处岩石应力大小基本不受滚刀安装半径的影响;滚刀破岩接触应力和破岩阻力处于不断波动状态,且滚刀破岩力不因安装半径增大而增大。(2)通过单因素变量法分析了岩石围压、开挖地层、贯入度、刀刃宽、刀刃角和刀间距对滚刀破岩力的影响。地层因素对滚刀破岩受力影响最为显著,开挖地层岩石强度越高,越坚硬,滚刀破岩阻力越大,可切削性越差。各因素的变化不改变滚刀破岩力的波动性、阶跃性和同步性,只改变其阶跃值。对影响滚刀破岩力各因素进行正交试验,分析发现盘形滚刀结构参数(刀刃宽和刀刃角小幅度变化的平刃盘形滚刀)和工作参数对破岩力的影响次序为:贯入度>刀刃宽>刀间距>刀刃角。(3)基于滚刀磨损机理和影响滚刀磨损的2类因素研究了盘形滚刀一次破岩弧长和磨损速率,地层参数是导致滚刀发生较大磨损的主要成因。贯入度对滚刀一次破岩弧长的影响较大,滚刀一次破岩弧长随贯入度的增加而增大。刀刃宽、贯入度和刀盘转速对滚刀磨损速率的影响最为显著,刀圈半径、安装半径和刀间距对滚刀磨损速率的影响程度相对较低。对正常磨损的不同磨损量的盘形滚刀进行破岩仿真试验,研究其磨损后的破岩特性,发现磨合后的滚刀破岩效率更高,有利于破岩。