随着“一带一路”和“交通强国”战略的实施,我国已经成为世界上隧道建设规模最大、发展最快的国家,在未来的高速铁路、城市轨道交通和区域调水工程的建设中,将修建大量的交通和水工隧道,全断面隧道掘进机（TBM）的需求持续增大。滚刀破岩是TBM掘进的关键,是刀盘刀具设计和掘进参数选取的重要依据,包括刀下密实核演化和裂纹萌生扩展两个基本物理过程。针对使用基于传统有限元方法的单元损伤失效策略进行滚刀破岩模拟难以复现密实核传力演化机制,从而造成模拟出现“刀下超破、刀间欠破”的问题,使用光滑粒子流体动力学（SPH）与传统有限元（FEM）相耦合的方法构建滚刀破岩过程数值模型,使用全尺度TBM刀盘掘进性能试验平台开展滚刀破岩试验,探究刀间距和贯入度等参数对滚刀破岩效果的影响规律。首先,构建基于FEM-SPH耦合的滚刀破岩过程数值模型。选用有限元软件ABAQUS的显式动力学模块,选择修正的Mohr-Coulomb材料弹塑性本构模型,设定基于塑性应变的网格-颗粒转化机制;进行试样单轴压缩和巴西劈裂物理过程的室内试验和数值模拟研究,构建准确可靠的岩石材料模型;依据滚刀自转与公转并存的回转破岩运动特性,构建直径432 mm等截面刃型双滚刀顺次回转破岩数值模型。然后,进行全尺度TBM滚刀破岩试验与数值模型验证。基于盾构及掘进技术国家重点实验室的直径2.6 m全尺度TBM刀盘掘进性能试验平台,使用C40标号混凝土浇筑400 mm厚度圆盘型试样;选取刀盘贯入度为每转2.5mm至8.8 mm,选取刀盘转速为每分钟1.9至5.9转,进行9组刀盘掘进试验,使用实时载荷采集模块获取滚刀破岩法向力,开展各环岩碴级配筛分试验;对比滚刀破岩模拟与试验的法向力、滚动力和岩碴量等破岩指标,验证了数值模拟方法与数值模型的可靠性。最后,进行不同参数影响的滚刀破岩过程数值模拟研究。基于已验证的滚刀破岩过程数值模型,设定刀间距为60mm至120mm,贯入度为每转2mm至10mm,开展12组滚刀破岩数值模拟;分析岩石受载破坏中的密实核演化和裂纹扩展机制,对比各组模拟的破岩法向力、滚动力、岩碴量、破岩比能和宏观裂纹分布,选取了对应工况下的最优刀间距为82 mm和最优贯入深度为每转8 mm。本研究探索使用FEM-SPH耦合新方法,构建了准确可靠的滚刀破岩数值模型,突破了传统滚刀破岩数值模拟的缺陷问题,得到了刀间距和贯入度参数选取的有益结论,为滚刀破岩机理研究提供了新手段,对指导TBM刀盘刀具设计和掘进参数选取具有一定的理论意义和应用价值。