全断面岩石掘进机(简称TBM)因其施工效率高、安全性强、施工作业环境好等优点,被广泛应用于交通和水利水电等大型工程中。因TBM工程环境的复杂性以及TBM自身参数的多样性,不同因素下TBM滚刀破岩效果的变化规律与破岩机理仍不十分明确。论文主要对TBM破岩过程中裂纹的扩展规律与滚刀受力的变化规律进行分析,深入研究TBM的破岩机理与效果,对于提高TBM的破岩效率有一定的指导意义。论文主要的研究工作如下:(1)分析研究TBM破岩机理与影响TBM滚刀破岩效果的因素,阐述国内外常用的滚刀受力预测公式,并通过实际工程进行验证,分析预测公式的特点,为TBM滚刀受力计算和TBM刀盘设计提供理论依据。(2)基于离散元颗粒流数值模拟软件(PFC),建立单滚刀破岩模型,从细观角度分析研究滚刀破岩过程,分析裂纹扩展规律与滚刀受力变化规律,分析得出TBM破岩的破坏形式为拉张和剪切的复合破岩作用,垂直力呈现振荡变化,表明破岩过程表现出跃进破岩现象。改变影响破岩效果的因素参数,分析岩石强度、围压、节理面强度因素对于TBM破岩效果的影响,从而优化不同因素下TBM滚刀破岩效果,研究表明:岩石强度与围压的增加,对于径向裂纹的扩展有一定的影响,需更大的垂直推力破岩;节理面的存在控制裂纹的扩展,低强度的节理面降低裂纹损伤岩体的能力。(3)分析双滚刀协同破岩作用,建立双滚刀破岩模型,分析不同滚刀间距下TBM滚刀破岩模式的变化情况,通过比能理论对不同破岩效果进行定量评价,得出最佳滚刀间距;建立TBM顺次破岩模型,通过与同时破岩相对比,分析不同破岩顺序下的破岩过程,研究其对破岩效果的影响,表明相同条件下,同时破岩效果优于顺次破岩效果。