随着西部大开发战略的深入实施及深部资源的大规模开采，大型特大型交通、矿山、水利工程隧道将广泛采用TBM施工，TBM面临复合地层掘进问题。复合地层岩性相差悬殊，软硬岩破岩响应显著不同，滚刀荷载频繁发生大幅度变化，强烈的动荷载作用于刀盘之上引起刀盘受力不均，导致刀盘推力与扭矩变化剧烈、刀盘弯矩过大、刀盘振动、掘进姿态难以控制、刀盘刀具损坏、主轴承过早失效等灾害，严重影响TBM掘进效率和施工安全，亟需开展复合地层TBM刀盘破岩及刀盘-掘进面相互作用研究。综合采用室内试验、理论分析及数值模拟方法对这一问题进行研究。　　 本研究主要内容包括：⑴基于滚刀贯入破岩试验，结合声发射监测及SEM扫描技术，分析贯入荷载变化特征及岩石破坏形态，研究滚刀破岩全过程，揭示滚刀破岩机理，得到强度、围压、贯入深度、贯入速率对滚刀破岩机制的影响规律，分析软硬岩破岩响应差异性。⑵建立滚刀破岩弹性阶段及破坏阶段的接触应力分布函数，研究接触应力下的岩石内部应力场分布特征，分析岩石破坏趋势。分析密实核产生机理，基于滚刀破岩试验及应力场分析结果，对岩石合理分区，以密实核区为破岩传力媒介，建立基于空腔膨胀模型的滚刀破岩理论。对各破岩分区进行力学分析，求得各分区尺寸，并对软硬岩破岩分区尺寸进行对比，分析围压、强度、(ψ)与v对破岩的影响。⑶通过UDEC软件验证滚刀破岩空腔膨胀理论模型的有效性，模拟滚刀破岩过程，揭示TBM刀盘破岩机制。采用Voronoi块体模型，模拟滚刀破岩岩石开裂过程。建立复合地层结构模型，模拟软硬岩石界面处的滚刀破岩，分析其不均匀破碎特征。⑷分析滚刀运动规律，给出滚刀-岩石接触应力分布，建立适用于常截面滚刀的破岩力计算模型，基于滚刀线性切割破岩试验数据，验证模型的有效性，并对其优化。分析滚刀偏磨现象，建立滚刀偏磨临界判别条件，提出复合地层滚刀偏磨防治对策。⑸分析刀盘受力状态，基于滚刀破岩力计算公式，建立刀盘受力计算模型。概化复合地层结构，对比研究单一地层及复合地层TBM刀盘动态受力变化特性。揭示软岩面积比、岩石强度、滚刀贯入深度等因素对刀盘受力的影响规律。基于刀盘刀具优化布置与TBM掘进控制，提出复合地层TBM掘进应对策略。研究结论可为复合地层TBM刀盘设计、掘进参数选取及施工控制提供参考和指导。