全断面岩石隧道掘进机(TBM)具有高自动化地下工程施工挖掘机械,现已成为立体化城市建设的重要标志。盘形滚刀是掘进机的主要岩石破碎及挖掘工具,其在刀盘上的布局优化设计是影响掘进机在施工过程中刀盘载荷均衡性,动载稳定性,可掘进性的重要因素。本文对TBM盘形滚刀和刀盘的几何参数特性,掘进参数特性与盘形滚刀布局优化分析的国内外发展现状进行了讨论,提出了基于宏观几何参数分析的局限性,及在微观多参数耦合作用下的能量原理在研究TBM破岩机理与盘形滚刀布局设计方面的优越性,以能量为主线作为TBM盘形滚刀与布局优化研究的新方向。围绕“刀盘整体系统与硬岩间相互耦合作用中的能量特性”这一科学问题,通过对实际工程中刀盘系统开挖岩体过程中微观力学物理特性分析,以能量为主线进行统一化研究,可以发现岩体从受力从整块岩石到破碎成细小岩石的整个过程,始终与外界施载物进行着能量的传递与交换。盘形滚刀切削岩体,实际上是能量传递与转化的过程,盘形滚刀的动能与力所做的功做为输入能量,在理论上等价于岩体破碎能和滚刀与岩体摩擦过程中的损伤能。首先分析了盘形滚刀切削破岩过程中,能量在盘形滚刀与岩体破碎间的传递转化规律,以CSM盘形滚刀载荷模型为基础,研究了刀盘刀具破岩过程中,依据输入能量(刀盘动能和力所做的功)与输出能量(岩体破碎能和摩擦功)守恒等价特性,研究分析刀盘的掘进参数(贯入度P和刀盘转速ω_R)与刀间距S相互匹配特性,得出能量在刀盘刀具几何参数及地质参数等各参数统一化匹配研究过程中起着关键的连接作用。基于能量特性的掘进机各参数统一化研究,借助能量特性的优越性,利用有限元思想的弹塑性理论基础和可能功原理,建立盘形滚刀破岩过程中的应力模型和相对应的岩石应变模型,分别求解分析准静力学和动力学理论基础下的盘形滚刀的破岩载荷模型,并与其它典型滚刀破岩载荷模型进行了对比研究,结合试验与工程数据,验证了基于能量特性推导出的滚刀载荷模型能更好的将各参数的耦合特性进行统一,更符合实际工程施工特点。同时深入展开了能量理论中温度对盘形滚刀的热能特性及刀盘上热能分布研究,利用解析的方法建立求解破岩过程中单把盘形滚刀的温度场数学模型,对影响滚刀切削过程中温度变化的关键因素进行了讨论,并使之延伸探求整个刀盘上不同区域的温度热能变化特性,可有效的指导冷却管的布置,合理控制温度有利于工程的进展,以提高掘进速率,减少盘形滚刀的换刀次数,节约施工成本。根据实际施工中盘形滚刀的布局设计特性研究分析,结合整体刀盘载荷与质心分布布局特点,提出新的能量布局优化设计模型,利用人工免疫遗传算法分析对刀盘不同布局形式(米字型、螺旋线型和随机型)进行滚刀布局优化分析的应用研究,并与原始滚刀布局模型进行对比讨论,形成基于能量特性的盘形滚刀布局优化设计新方法。