全断面隧道掘进机(又称TBM)凭借其优越的掘进性能被广泛地应用于隧道建设工程中。近年来,随着高铁线路的铺设和城市地下空间工程的推进,国内的TBM市场需求逐年增长。但是,由于国内对TBM的研究起步较晚,使得外国TBM设备占据了大部分市场份额。为了打破外商的技术封锁,实现TBM设备的自主设计和国产化,必须重视对TBM相关技术的研究。本文在前人研究的基础上,从能量视角分析了滚刀的破岩过程,完成了刀盘刀具径向布置优化和周向布置优化工作,并给出了刀盘性能的评价方法。论文的主要内容如下:(1)分析刀具破岩过程中的能量特征以及能量在岩石内部的转化规律,根据能量驱动岩石破坏的机制,定义滚刀破岩能,并推导了刀盘各分区的滚刀破岩能计算公式。(2)基于滚刀破岩能,建立刀盘不同分区的极径优化模型。选取大伙房输水工程中的MB264-311型TBM刀盘为原始刀盘,根据破岩能方差最低原则,采用GA遗传算法,得到各滚刀的优化极径,并对比滚刀原始破岩能和优化后破岩能,发现边滚刀区域的破岩能分布情况有了明显的改善。(3)针对多个刀盘性能评价指标,利用AHP层次分析法,给出综合评价函数。选取随机型布置模式和米字型布置模式分别对刀具进行周向布置。对比发现,随机型方案的刀具局部分布较为集中,米字型方案能使刀具分布均匀,对盘面的利用率较高。对比原始设计,优化后刀盘的倾覆力矩减小87.8%,径向不平衡力减小23.5%,刀具质量偏心增加27%,刀盘破岩能偏心减少73.2%,证明了优化模型的有效性。(4)给出了典型刀盘的能量输出预测模型,为刀盘掘进操作参数的选取提供参考。分析了刀盘输出能量的使用效率,发现优化后刀盘的能量使用效率更高,摩擦能消耗更低。绘制刀盘破岩能分布图,并结合弹性能转化特点,预测刀盘磨损的分布状态;对比了原始刀盘和改进后刀盘上下部分,左右部分的破岩能差异,验证了改进后的刀盘破岩能分布的合理性。