在全断面岩石隧道掘进机(TBM,Tunnel Boring Machine)刀盘回转切削破岩过程中,盘形滚刀受TBM运行控制及地层条件多变性的影响,除产生正常磨损外还存在大量的非正常破坏,这极大地增加了隧道的建设成本,同时也降低了 TBM掘进效率。对TBM滚刀破岩机理的合理解释是掘进机刀盘刀具设计及TBM运行策略优化的理论基础,对提高TBM运行的高效性与经济性具有重要意义,而准确地获取刀具作用下岩石的真实损伤破裂演化过程信息是构建合理的TBM滚刀破岩机理模型的重要部分。本文在前人的研究基础上,采用自行设计加工的试验装置开展了类平面应力状态下的楔刀侵入破岩试验与双向围压约束下的滚刀侵入破岩试验,试验中引入了红外热像(IRT)和声发射(AE)等无损测试方法用以获取岩石的损伤破裂演化信息,并基于此对岩石损伤破裂发展规律进行了定量分析。另一方面,为对刀具破岩过程中岩石损伤破裂机制进行细观解释和分析,在有限元-离散元耦合方法(FDEM)中引入了一种基于随机分布的非均匀模型计算方法,并提出了一套模型细观参数标定流程,并以这一方法模拟了不同加载条件下的TBM刀具破岩过程,重点分析了岩石损伤破裂和声发射活动演化发展规律。得到的主要结论如下:(1)通过对二维楔刀侵入破岩试验进行红外热像及声发射定位监测,获取并分析了不同加载条件下岩石的损伤破裂演化规律。试验中楔刀贯入作用下岩石试样表面出现了不均匀的温升,其可用空腔膨胀模型进行解释。模型中核心区、塑性区、弹性区的温升机制分别对应为岩石的破裂热效应、热塑效应及热弹效应。岩石在不同的热力耦合效应下其能量耗散速率不同,产生了不同幅度的温升,利用这一现象对刀具破岩过程中岩石损伤区范围的演化发展进行了定量分析。结果表明,刀具作用下岩石塑性区与核心区顺次出现并发展,这与经典的空腔膨胀模型中两者同时产生及发展的假定不一致。对比不同刃角的楔刀侵入破岩,结果表明120°刃角的楔形压头其贯入作用下产生的岩石损伤区更宽,具有更高的岩石切削效率。当采用具有一定磨损宽度的楔形压头贯入岩石时,岩石损伤区呈半椭圆形,在贯入轴向上具有更大的损伤破裂范围。当侧向约束应力或围压超过某一临界值时,贯入作用下的岩石破坏模式存在明显的脆—延性转化。同时,将基于红外热像监测结果估计的岩石损伤区范围与基于岩石材料理想弹塑性假定及Mohr-Coulomb屈服准则的空腔膨胀模型理论值进行了对比,指出了后者的不足。(2)在对双向围压约束下的滚刀侵入破岩试验及其声发射监测结果的定量分析中,引入和发展了一种基于自动到时拾取和波形相似性评价技术的改进声发射定位算法,获得了良好的声发射事件定位效果。采用半球统计模型对离散声发射事件的时空演化进行了定量分析,揭示了刀具贯入作用下岩石损伤区的发展规律。分析结果表明,滚刀侵入作用下岩石损伤区范围扩展速度呈现出先快后慢的特征;对于同种岩石,采用常截面(CCS)滚刀引起的岩石单位侵深损伤区半径大于V型滚刀;而采用相同刀具侵入破岩时,硬岩中的单位侵深损伤区半径要大于软岩。同时也对比了 CCS滚刀与V型滚刀破岩过程中的荷载响应及岩石破裂模式上的差异。而对岩石主裂纹(面)上不同破坏区的显微观测结果表明,在刀具侵入作用下,岩石压碎区的破裂机制主要为剪切破坏型,扩展开来的中间主裂纹面则为拉伸破坏型。另一方面,当围压大小不足以使岩石产生平行于自由面的板裂化破坏时,随着围压增大,滚刀破岩受到的抑制作用越来越强,滚刀单位侵深损伤区半径也随着围压的增大而减小;当围压达到所约束岩石的临界围压值时,岩石中将产生平行于自由面的板裂破坏面,并与随后刀具侵入产生的诱发破裂面贯通,形成裂隙网络,对刀具贯入破岩产生了促进作用。最后,针对存在单一主破裂面的试样,提出了一种基于声发射事件离散分布特征的岩石试样宏观破裂面演化过程估计方法,但该方法还有待进一步发展和完善。(3)通过所提出的模型细观参数标定流程,在FDEM中引入的基于随机分布的非均匀模型计算方法可以很好地模拟岩石在荷载作用下的渐进损伤破裂发展过程及声发射活动,并采用该方法对TBM单滚刀、双滚刀以及三(多)滚刀侵入破岩问题分别进行了模拟,同时也分析了围压、相邻滚刀刀间距等因素对刀具破岩的影响规律。结果表明,单滚刀侵入破岩过程中,刀具下方存在一剪切微破裂大量聚集的压碎区,其范围和破裂程度随着刀具侵深的增加而增加。当刀具法向作用力达到峰值后,张拉型的侧向裂纹开始聚集萌生并迅速扩展,形成了侧向可剥离岩片,而这一过程也伴随着刀具下方区域岩石的剧烈破碎。声发射事件及其能量释放的统计结果则表明,剪切破裂在数量及能量释放上均占有绝对主导地位,是微破裂产生的主要机制。另一方面,围压的增大对滚刀破岩产生了明显的抑制作用。而对不同刀间距相邻双滚刀侵入破岩过程的分析表明,当滚刀刀间距超过一定范围时,由滚刀侵入产生的侧向裂纹将难以相互贯通,因而无法形成有效的刀间岩石片裂。相邻多滚刀侵入破岩过程的模拟结果则再次证明,刀具侵入破岩过程中其下方的岩石损伤破裂区内具有最为剧烈的能量释放与耗散,是刀具切削破岩的主要耗能区,而直接用于岩石有效片裂形成的能量只占刀具破岩过程输入机械能的较小部分。采用非均匀模型的FDEM方法可以较好模拟不同工况下TBM滚刀侵入作用引起的岩石渐进损伤破裂发展过程。