随着中国经济的快速发展，中国的基础建设将会越来越火热，在水利、铁路、能源等领域将建设及规划越来越多复杂地质条件下的隧道工程。然而,由于TBM施工方法相比其他施工方法，具有高效率、安全、低成本以及对环境友好的特点，还是一种高度自动化的施工方法，所以这种方法近些年来被广泛用于长大隧道。然而长大隧道中软岩地层与硬岩地层交替出现，对TBM刀盘滚刀破岩提出了严峻地挑战，严重影响了破岩效率和施工速度，使得滚刀磨损严重和滚刀使用寿命降低。造成以上不良后果的根本原因是对复合地层与TBM的相互作用机理认识不清楚，对不同强度岩石和控制模式下TBM刀盘刀具破岩过程、破岩机理、破岩效率和掘进控制措施等认识不清楚，对不同安装半径上盘形滚刀的破岩过程、破岩机理、受力分布等认识不清楚。因此本文围绕“TBM滚刀破岩机理及掘进性能预测”这一关键科学问题，开展五种不同岩石强度的室内全尺寸线性切削试验分析岩石强度对滚刀破岩机理及破岩效率的影响规律，开展全尺寸旋转切削试验分析不同控制模式和滚刀安装半径对滚刀破岩机理及破岩效率的影响，开展8次现场掘进试验分析不同刀盘控制参数及不同地质条件对刀盘破岩性能及破岩效率的影响，最后通过收集吉林引松工程四标段现场掘进性能参数及地质资料分析岩体与TBM机器的相互作用关系，取得的主要研究结论如下:　　(1)通过分析五种不同强度岩石的全尺寸线性切削试验结果，得到了五种岩石的滚刀法向力、滚动力、切削系数、可掘性指数和破碎比能与贯入度的函数关系，结合其他学者的研究成果可得出，上述评价指标与岩石强度存在明显的相关性，基本都是随着岩石强度的提高而增大。分析得到了五种岩石的切削力试验值与CSM模型理论预测值随岩石强度的变化规律，定义了法向力修正系数KN和滚动力修正系数KR，得到了修正的CSM模型，该修正模型适合中南大学机电学院的线性切削试验平台。　　(2)通过分析不同控制模式的全尺寸旋转切削试验结果，得到了推力控制和贯入度控制两种控制模式下滚刀法向力、滚动力、切削系数、破碎比能和可掘进指数与贯入度的关系，通过对比发现，在相同的贯入度情况下，推力控制模式下法向力、滚动力、切削系数、破碎比能和可掘进性指数比贯入度控制模式下相应的值要低，因此可以得出:推力控制模式的岩石切削效率高于贯入度控制模式的切削效率。　　(3)分析不同滚刀安装半径的全尺寸旋转切削试验结果，发现对于相同贯入度下盘形滚刀的法向力、滚动力、切削系数、合力作用点和可掘进指数都是随着安装半径的增加而降低，呈现幂函数的关系，也就是当盘形滚刀安装增大时会快速的下降，然后保持几乎稳定。通过现场TBM刀盘结构及室内试验平台结构的分析，是因为内侧岩石材料强大的约束增加了内侧盘形滚刀切削力的极大值，中心区域更高的刚度提升了内侧滚刀切削力的极小值，导致内侧滚刀比外侧滚刀拥有更大的平均切削力。分析盘形滚刀法向力和滚动力随着滚刀安装半径的变化规律发现，当安装半径超过某个临界值时才会获得稳定岩石切削力数据，这个数据能决定TBM设计参数中的滚刀平均法向力和滚动力。为了使刀盘上不同滚刀受力分布更加均匀以及避免内侧滚刀的严重超载，提出了相应的建议。　　(4)研究了不同地质条件、不同刀盘转速和不同贯入度对刀盘破岩的影响。分析试验结果可得单刀推力随着刀盘转速的增加而略微减小，刀盘扭矩随着刀盘转速的增加而略微增加，但是两者受刀盘转速的影响很小;岩体破碎比能几乎不受转速的影响。因此，在不考虑掘进速度时，可以认为刀盘转速对设备主要运行参数几乎没有影响。在相同地质条件下，岩体特征可掘进性指数不受刀盘转速的影响，在不同地质条件下，岩体特征可掘性指数随着围岩等级的提高而增大。　　(5)以HC法为岩体评价体系得到影响TBM性能的岩体参数，选出了评价机器性能的评价指标FPI，以吉林引松工程为工程背景，收集了46组有效数据，通过相关性分析，选出了与现场贯入度指数FPI相关性较强的岩体参数，最后通过多元线性回归的方法，得到了现场贯入度指数FPI与岩体参数的相关关系模型。该模型仅适用于与吉林引松工程相似的地质条件，若要得到一个适用范围更广的通用模型，需要收集大量的现场数据来扩展本文的模型。本研究中提出了一种聚类分析法，通过现场贯入度指数和扭矩贯入度指数确定围岩等级，提出了岩体状态参数实时感知的新方法。