地下交通、引水工程和高速铁路的快速发展使得我国对隧道掘进装备的需求巨大，全断面岩石隧道掘进机（TBM）是开挖岩石隧道的核心装备，现在主要依靠进口，因此TBM的自主设计制造意义重大，并亟需基础研究提供设计理论支撑。本文针对TBM在掘进大埋深硬岩地质时存在的破岩效率低、刀具损耗大、坍塌造成刀盘损坏的问题，提出了基于张拉破岩方式的临空面破岩方法，设计了将该破岩方法应用于TBM的两级刀盘新结构，对TBM掘进过程中的滚刀破岩机理、滚刀磨损机理、滚刀布局优化、刀盘与围岩相互作用等进行了系统研究。主要研究内容如下：
TBM滚刀破岩机理数值分析与实验研究。针对传统的有限元方法模拟滚刀破岩过程时难以考虑刀下密实核效应与岩石拉压强度差别的问题，建立了优化的三维正、边滚刀破岩数值模型，提出了边滚刀群组合破岩实验方法，在中铁盾构实验室全尺度回转破岩实验台上进行了正、边滚刀破岩实验。总结出滚刀安装位置、滚刀类型、滚刀组合形式、刀间距、贯入度、刀刃磨损量等对岩石损伤破坏、破岩法向力、切向力和比能的影响规律，得到了最优刀间距和边滚刀倾角公差区间、V型滚刀高效破岩临界刀刃磨损量等结论；针对传统TBM刀盘在高硬岩条件下破岩效率低、刀具损耗大的问题，创新地提出了基于张拉破岩方式的临空面破岩方法，建立了基于颗粒离散元方法的二维临空面破岩数值模型，并在中铁盾构实验室开展了多种临空面条件下的滚刀破岩实验，总结出临空面形式、高度、间距等对岩碴尺寸和形状、岩碴与岩粉比例、破岩载荷和掘进效率等的影响规律，论证了临空面对于减小破岩载荷、提升破岩掘进效率的作用。
两级TBM刀盘新结构设计。针对临空面破岩方法，在上述临空面破岩机理研究和论证的基础上，设计了两级TBM刀盘新结构。基于临空面破岩计算和实验，得到了两级刀盘盘面轴向间距与一二级刀盘连接处滚刀径向间距的最优比值区间：1.5~2，给出了盘面间距的建议取值300mm~400mm；建立了隧道岩体直接和分步开挖的二维有限元数值模型，设计并进行了基于双轴MTS实验台的隧道毛洞开挖过程相似实验，总结出开挖直径、开挖方式和侧压力系数等对围岩应力和能量释放率的影响规律，得到了前后级最优开挖直径比值区间：0.55~0.59。形成了两级刀盘的盘面间距和开挖直径比的设计准则。
两级TBM刀盘滚刀系统布局设计与优化。建立了基于滚刀刃单位磨损功的滚刀磨损预测模型，揭示了系列滚刀布局与滚刀消耗之间的关系和机理，通过对比分析六条隧道的滚刀消耗数据，发现并揭示了刀盘内外侧正滚刀的消耗差别与原因，提出了基于滚刀消耗归一化曲线“平直度”和“光滑度”的滚刀消耗评价方法和“相邻滚刀等极角差”的滚刀布局设计依据，发现“双螺旋线式”为最合理的滚刀布局模式。提出了基于刀盘受力平衡的“微调极角、由外向内”滚刀布局优化策略，使用灰关联分析方法求解优化过程，提出了两级独立式TBM刀盘的滚刀布局设计与优化方法，对比分析了平面和两级刀盘的应力和变形，论证了两级刀盘具有更大的强度和刚度。
复合岩层下两级刀盘力学特性分析和实验刀盘设计。针对西秦岭隧道10.23m直径平面刀盘在复合岩层下的力学特性进行了模拟计算，应用中铁盾构实验室的2.5m直径实验刀盘系统进行了复合岩层掘进实验，总结出岩层强度、面积、位置、数目等对刀盘的破岩推力、破岩扭矩、径向不平衡力和倾覆力矩等力学特性的影响规律；对比计算了复合岩层条件下平面和两级刀盘的力学特性，说明了两级刀盘具有更小的偏载和倾覆危险。基于上述两级刀盘机理研究和两级刀盘设计方法，依托于中国铁建重工集团拟搭建的4m直径TBM实验样机，设计完成了开挖直径为4m的两级阶梯式实验刀盘以及掘进实验方案。