在岩石隧道掘进机（Tunnel boring machine,TBM）掘进泥岩地层时,若掘进参数选用不当,会出现滚刀结泥效应,进而诱发刀盘结“泥饼”问题。滚刀结泥后,导致刀盘推力增加20%以上,引发滚刀偏磨,使滚刀更换更加频繁,成本显著增加。滚刀破岩机理的研究一直是隧道工程领域的热点与难点,但是目前对滚刀结泥机理的认识尚不清晰。为此,本文依托国家自然基金面上项目“滚刀作用下节理岩体宏细观破碎机理及破岩效率研究（51879016）”,通过室内试验,研究在热-水-力耦合作用下的滚刀结泥宏、细观形成过程及其影响因素,分析结泥效应对滚刀磨损和破岩效率的影响规律,提出考虑结泥效应的滚刀磨损预测模型;随后,基于数值模拟的方法,从能量角度对TBM滚刀破岩的机械参数进行优化。本文主要工作及成果如下:（1）自主开发滚刀旋转贯入试验机和微型TBM回转切割试验机,揭示滚刀结泥效应形成机理。通过红外热像仪监测滚刀和岩石表面温度场演化过程,观测滚刀结泥现象。通过体视显微镜观测岩石切割面和泥化物微观结构,阐述滚刀结泥效应导致破岩效率下降机理,研究泥化物糊住滚刀和刀盘、滚刀不均匀磨损和二次磨损严重、滚刀与岩石温度过高等问题。（2）提出了泥岩切割过程泥化物在热-水-力耦合作用下微观形成机理。在滚刀旋转贯入试验中,使用体视显微镜观测不同滚刀作用时间下泥岩切割面及泥化物的微观结构,综合考虑热-水-力耦合作用,将滚刀结泥效应分为机械切削阶段、泥岩微观结构劣化和泥化物形成阶段、泥化物粘附阶段。其中,机械切削阶段主要依靠滚刀切削力破碎岩石;在泥岩微观结构劣化和泥化物形成阶段,水的弱化作用、温度效应和机械活化作用引起泥岩微观结构破坏和泥化物的生成;在泥化物粘附阶段,泥化物在滚刀法向荷载作用下粘附于滚刀表面,晶体颗粒再结晶最终会导致刀盘结“泥饼”。（3）分析刀盘加水和刀盘转速对滚刀结泥效应的影响,确定出最优刀盘加水量和刀盘转速。在滚刀旋转贯入试验中,首先分析加水对滚刀破岩的有利作用和不利影响,如降温、降尘、促进泥岩微观结构劣化、引起滚刀结泥,综合上述因素,给出最优刀盘加水量;微型TBM回转切割试验中,观测了不同刀盘转速下的岩石宏观破坏特征和切割槽、泥化物微观结构,分析转速对滚刀破岩特征及泥化物的形成和粘附特征的影响,给出最优刀盘转速。（4）研究考虑结泥效应的滚刀磨损演化机理及加水对滚刀磨损和破岩效率的影响。通过观测不同磨损时间下的滚刀微观结构,分析结泥情况下的滚刀磨损演变机理;分析了结泥效应对滚刀磨损量和磨损形式的影响;以现场掘进指数为指标,评价结泥效应对TBM破岩效率的影响。研究表明,在发生滚刀结泥的情况下,滚刀磨损经历了机械磨损阶段、泥化磨损阶段和加速磨损阶段;机械作用、泥化物的粘附、水的润滑作用和二次磨损共同影响滚刀磨损;泥化物粘附在滚刀表面会引起滚刀局部磨损不均匀,进而发生偏磨;滚刀结泥程度提高会引发“滞排”现象,降低滚刀破岩效率。（5）建立两种考虑结泥效应的滚刀磨损预测模型,即基于“混合润滑—空腔膨胀”理论的滚刀磨损预测模型和基于“接触滑移—能量”理论的滚刀磨损预测模型。其中,前者引入弹性流体动力润滑理论,认为在结泥情况下,滚刀处于混合润滑条件。进而对空腔膨胀模型进行修正,确定泥化层厚度,修正了滚刀-岩石接触面上的应力,从而计算出考虑结泥效应的滚刀正常磨损体积和偏磨体积;后者根据以往学者提出的滚刀磨损能量预测方法,考虑滚刀的滑移、岩渣对滚刀的侧面阻力做功以及滚刀启动扭矩做功,对以往模型进行修正。通过对试验中的滚刀磨损进行预测,验证模型的有效性。（6）通过离散元程序PFC 3D模拟微型TBM回转切割试验,分析滚刀破岩过程中的能量演化特征。进而根据能量演化特征,对刀盘推力、滚刀刀刃角和刀刃宽度等掘进参数进行优化。在PFC 3D中,引入粘聚滚动阻力线性模型模拟滚刀结泥过程。结果表明,在结泥情况下,滚刀破岩过程中所消耗的能量显著增加;减小滚刀结泥效应的最优推力可根据科罗拉多矿业学院模型得出,最优刀刃角ψ=40°,最优刀刃宽度为13 mm。（7）对重庆市轨道交通工程某线路的TBM施工数据进行分析,通过本文提出的滚刀磨损预测模型预测滚刀磨损。根据本文研究成果,建议最优刀盘推力Th=8294.6 k N,最优刀盘转速N=2.8 rpm,每环刀盘加水量为0.5 m~3。推荐值与工程实际值相近。