全断面岩石掘进机(TBM)施工环境十分恶劣,刀盘是TBM的核心部件之一,直接影响掘进机的效率、稳定、寿命等,施工过程中必须保证刀盘的可靠性。结构可靠性是一种不同于传统安全系数理论的不确定性力学模型,是从概率角度度量结构的可靠性大小。本文将力学、数理统计以及工程试验数据结合起来,首先对TBM刀盘结构可靠性设计方法进行了研究,在确定了刀盘拓扑结构之后,引入强度和刚度可靠度约束,实现了刀盘的轻量化设计。主要研究内容包括以下几个方面：刀盘可靠度的求解：对于刀盘结构的强度和刚度可靠度,外部随机载荷对强度和刚度的影响需通过有限元方法获得,其功能函数为隐式函数。对于隐式功能函数的可靠度求解,蒙特卡洛方法是基本方法,但是需要大量的有限元计算,而基于梯度的可靠度求解方法则无法使用,因而有必要通过机器学习获取功能函数的替代函数来取代有限元计算过程。本文采用支持向量机(SVR)方法构造替代模型。对于小样本,SVR有很高的拟合精度,然后结合蒙特卡洛模拟求解可靠度。刀盘结构设计：TBM刀盘的结构设计涉及多学科,十分复杂。本文在课题组TBM刀盘研究方法成果基础上,对刀盘掘进过程中滚刀受到的载荷进行了研究,同时,归纳总结了TBM刀盘的通用结构特征,编写了基于ANSYS的通用刀盘参数化建模计算APDL程序。有限元概率设计：在确定了刀盘拓扑结构之后,对其筋板厚度进行优化。为提高优化效率,须选择对应力和变形最为敏感的参数作为优化变量。本文基于ANSYS的概率设计系统确定优化变量。然后使用优化变量和滚刀载荷一起作为输入变量,以应力和变形结果作为输出,计算支持向量机所需的样本数据。基于可靠度的刀盘轻量化设计：在确定了强度和刚度可靠度作为约束,以刀盘重量为目标,选择粒子群优化算法进行优化。优化完成后,选择一组最优的参数组合,使用ANSYS验证该组最优参数在给定分布的随机载荷下是否可以保证可靠度约束。本文建立了一套完整的刀盘设计-建模计算-可靠度求解-优化方法,通过对引洮工程T9刀盘进行数值试验和验证,该方法具有很高的模拟精度,当刀盘强度和刚度可靠度均大于0.99时,刀盘减轻了2.43%,约为2.02t,这表明本文的方法可以推广到其它隧道的TBM刀盘设计中。