随着地下空间开发需求的与日俱增，盾构掘进机在隧道建设中的作用日趋显著。刀盘刀具作为盾构机的主要工作部件，其切削及破碎性能往往决定了工程施工的效率及成本，而切削过程中刀具所受载荷是影响刀具切削性能的关键因素。本文从岩土切削机理入手，将离散元模拟和实验研究两者相结合，对岩土切削过程和刀具所受载荷进行深入研究，提出合理的刀具几何参数及工作参数，达到减小刀具受力、提高掘进效率的目的。本文主要做了以下工作：第1章介绍了不同种类盾构机的构造及其工作原理，对刀具切削岩土的机理做了文献总结，讨论了国内外数值模拟方法在岩土切削问题上的研究进展，分析了离散元法在岩土切削问题上的优势，并提出本文的研究意义。第2章结合岩土的特性与颗粒簇方法，分别采用平行键和接触键连接模型建立了软岩和土体的离散元模型。在实验的基础上，通过模拟单轴压缩试验、巴西试验，标定了软岩离散元模型的微观参数；根据文献中的实验数据，通过模拟双轴压缩试验，标定了土体离散元模型的微观参数。第3章结合刀具切削岩土的特点，建立了软岩切削的离散元模型，动态模拟了软岩切削过程，采用单因素法分析了切削速度、刀具贯入度、刀具前角、刀刃钝圆半径对刀具载荷的影响。建立四因素四水平正交模拟分析表，比较各参数影响刀具载荷的程度，提出合理的刀具几何参数及工作参数。第4章对软岩切削模拟进行实验验证。标定了刀具所受水平力及垂直力，利用回转式切削实验系统对软岩试样做了三组切削实验，将实验与模拟进行对比，两者结果基本吻合，表明了离散元在岩土切削模拟上的可靠性及其结果的准确性。第5章介绍了土体在切削过程中的流动形态，建立了土体切削的离散元模型，采用四因素四水平表，分析切削速度、刀具贯入度、刀具前角、钝圆半径影响刀具所受载荷的大小，并对刀具几何、工作参数进行优化。最后，总结了全文研究内容，并做了进一步展望。