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随着我国在水利水电、铁路公路、城市交通、矿山采掘等领域隧道建设的快速发展，岩石隧道掘进机(TBM)将在我国得到广泛应用。滚刀破岩机理和破岩效率是TBM设计阶段和施工阶段的核心问题。本文通过室内试验和数值模拟开展了滚刀破岩机理和破岩效率的研究工作。
首先，通过改造的RMT-150C贯入破坏试验系统和声发射定位系统，进行了四组不同刃角的滚刀贯入破坏岩石的损伤特征测试，揭示了滚刀作用下岩石损伤破坏的微观机制，丰富了滚刀破岩理论。研究结果表明：密实核的下方存在损伤核，它由微震裂源聚集分布形成，发展过程经历损伤核萌生、裂源增生丛聚、损伤区扩展三个阶段。损伤核的形态与刀具形态有关。损伤核内劣化程度高，为孕育密实核提供了条件。
其次，通过研制的YE-200贯入试验系统，进行了108个节理试件的贯入破坏试验，阐述了节理岩体的裂纹扩展模式。试验结果发现：岩体的可掘进性不由单轴抗压强度单一决定；围压增大导致破岩荷载增大，贯入度降低；节理对裂纹扩展既有“诱导”作用，又有阻碍现象，受节理角度和间距的综合影响。
然后，基于UDEC数值模拟软件，在考虑滚刀和岩石相互作用的基础上，进一步模拟了单、双滚刀破岩过程，解释了滚刀破岩机理。并通过研究指出：常截面滚刀破岩效果最好；最优刀间距情况下破岩效率最高；岩石强度越大，破岩效果越差；岩石脆性越大，破岩效果越好；节理影响岩体中裂纹的扩展路径，与裂纹协同破岩；自由面对裂纹扩展有“诱导”作用。
最后，运用ABAQUS数值仿真的方法，以南水北调西线典型砂岩和板岩为研究对象，研究了滚刀切割破岩效率，提出了适合砂岩与板岩的临界贯入度、最优刀间距、滚刀的平均法向推压力、法向滚动力、切削系数、以及破岩力与贯入的关系。