近年来,城市轨道交通建设中遇到了以重庆、青岛、大连等为典型代表的岩质地层,复合式TBM从岩石掘进机和盾构机自身结构的特点出发,充分结合两者优点,以其高效、高速、安全、环保、优质等诸多特点在山地城市轨道交通建设中逐步开始应用,随着应用技术的逐渐成熟,复合式TBM将在岩质地层的城市轨道交通建设中扮演越来越重要的角色。与工程实践相比,复合式TBM理论研究工作相对滞后,尤其是岩质地层下复合式TBM刀具破岩机理及其与围岩相互作用力学关系、刀具磨损估计、刀盘受力及刀具优化配置等技术问题尚不能形成统一的认识和了解。论文以重庆轨道交通环线南桥寺~体育公园~冉家坝为工程依托,结合“山城核心区复合式TBM刀盘力学行为特性分析及参数优化研究”课题,以围岩与滚刀相互作用机理、滚刀布置方式及其磨损分析、刀盘力学特性及其刀具优化布置、地质高风险段刀盘刀具的改进等方面为研究对象,采用“资料调研、室内试验、理论分析、数值模拟、现场试验”五位一体的方法,开展滚刀回转切割破岩室内试验、滚刀磨损及寿命研究、滚刀与围岩相互作用模型、刀盘结构优化布置和地质高风险段刀具力学特性等研究。研究主要内容有以下几点:1、采用(37)2.28m滚刀岩机作用综合实验台开展滚刀回转切割破岩室内试验,通过高精度控制器对试验数据进行采集和控制,采用高速摄像机观察破岩全过程,探明了滚刀破岩全过程;对正滚刀的最优刀间距、最优贯入度和掘进参数展开研究,通过筛分岩碴尺寸和称量岩碴重量探讨了滚刀破岩比能,得到了正滚刀破岩最优刀间距,建立了刀盘转速和掘进速度的最佳匹配关系;进一步调整滚刀安装倾角,对边缘滚刀过渡区域的滚刀力学特性展开研究,探明了边缘滚刀与正滚刀的力学差异性。2、为了精确模拟滚刀破岩磨蚀和岩屑磨蚀的机理与相互关系,根据现场配置滚刀尺寸加工比例尺为1:10的模型滚刀,采用滚刀复合磨蚀试验机,展开滚刀磨损试验研究;通过岩石磨蚀试验,建立了岩石磨蚀值与滚刀磨损量的关系;通过开展不同掘进参数、不同刀刃宽度下的滚刀磨蚀试验,得到了不同掘进参数(掘进速度、刀盘转速)和刀刃宽度对滚刀磨损量的影响;最终建立了TBM刀具磨损预测模型,为刀具设计、工期成本、掘进参数预测提供支撑。3、基于三维颗粒离散元法,对山城典型性砂岩进行了颗粒流标定试验,建立了颗粒流细观参数与砂岩宏观力学参数之间的联系。分析了三维颗粒流模型下的滚刀侵压破岩、滚压破岩和综合破岩等不同模式下滚刀力学特性和岩石裂纹扩展范围的差异,探讨了滚刀传统破岩模型的不足,建立了考虑滚刀实际运动行为的滚刀与围岩相互作用颗粒流力学模型,更加准确表达了滚刀破岩行为。对比滚刀破岩室内试验数据和颗粒流模型结果验证了滚刀破岩模型的合理性。4、基于刀盘分区优化布置的理念,提出了复合式TBM刀盘优化布置方法。从滚刀力学特性、滚刀磨损量、刀盘力学性能和岩石裂纹扩展等角度出发,针对刀盘3个主分区和2个过渡区,从滚刀刀间距、滚刀安装相位角和滚刀安装倾角等方面对复合式TBM刀盘的布置进行了优化设计,以重庆轨道交通环线【南桥寺~体育公园】区间施工采用的复合式TBM为例,给出了优化设计方案。5、基于滚刀与围岩相互作用力学模型,对上软下硬复合地层和高地应力条件下的TBM掘进时滚刀的力学特性和岩石的裂纹扩展展开分析,提出了相应的改进措施,为复合式TBM在类似地质条件下施工时刀盘的优化布置提供理论依据。