刀具是盾构机上最重要的部件之一。刀具破岩过程受到刀具结构参数、岩体性质、刀具布置及工作参数等多种因素相互作用关系的影响,直接影响到了整个隧道施工的进度。因此,深入研究刀具技术对研究盾构机性能参数匹配,及促进盾构施工的安全与高效起着十分重要的作用。本文在通过总结大量相关文献的基础上,对刀具与岩体的相互作用过程进行了有限元仿真破岩试验研究,并设计开发了一种集成回转切割模式和直线切割模式于一体的多功能试验装置,从功能上更加全面地满足了刀具破岩试验的要求。本文主要内容如下：(1)通过大量的文献总结,分别研究了将国内外现有的掘进模拟试验装置、子系统单元试验装置、刀具破岩试验装置三类试验装置的技术特点。对盾构刀具的类型、破岩机理及受力预测模型进行了对比分析。(2)利用ANSYS/LS-DYNA有限元数值模拟软件来对刀具破岩过程进行仿真试验。观察仿真试验过程中岩样的破碎现象,并得到滚刀的破岩力试验值,与CSM预测模型的理论值进行对比分析。以贯入度、刀间距和切割速度三个滚刀工作参数为变量因素设计水平正交仿真破岩试验,得出三个因素对破岩过程的影响程度关系。(3)通过对刀具破岩试验装置的研究,以文献总结和仿真试验为参考,提出试验试验装置的总体设计方案,将试验装置分为竖直推进、回转切割、直线切割三个部分,分别进行参数拟定和方案设计。得到了集成直线破岩和回转破岩两种模式于一体的试验装置结构。(4)在所建立的试验装置三维模型基础上,并以仿真破岩试验所得的破岩力为载荷依据,利用Workbench有限元软件对装置结构进行两种不同试验工况的结构静力学分析。对试验装置框架结构进行模态分析和谐响应分析,验证结构的抗振性能。并将刀具破岩力作为时间历程载荷加载到试验装置上,进行瞬态动力学分析,确定了试验装置的应力与变形随载荷变化的响应情况。