地下空间的开发利用已成为解决交通,水利和排污的重要途径。对于硬岩隧洞开挖建设,TBM(Tunnel boring machine)以其高安全性、高效率和低成本的特点得到广泛应用。刀盘作为TBM的核心部件之一,其性能影响着整机的性能。针对滚刀等磨损、高效破岩和分区域滚刀布置等性能要求,基于回转切削有限元方法和理论分析,深入研究了滚刀安装布置参数、掘进参数对滚刀载荷和掘进性能影响,开展了刀具布局研究。针对滚刀运动形式建立了滚刀回转切削模型,在此基础上,研究了不同安装半径上滚刀载荷变化情况,研究表明:滚刀的垂直力和滚动力的大小与安装半径关系不大,侧向力的大小随安装半径变小而变大。而针对滚刀切削后的沟槽为后续滚刀切削提供的临空面,分析了临空面对破岩机理的影响,并对分析结果进行了验证,研究表明:滚刀距离临空面越近,所承受的载荷越小,岩石的等效塑性应变呈偏态分布,偏向于临空面。在基础上,分析研究了内外侧滚刀的切削顺序对滚刀载荷的影响,研究表明:相对于先切削的滚刀,后切削滚刀载荷较小。TBM操作参数(滚刀贯入量和刀盘转速)对滚刀载荷的影响也进行了相关研究,研究表明:当刀盘转速增大时,滚刀的垂直力和滚动力相应变大;滚刀切削系数与贯入量呈线性关系,滚刀载荷随贯入量增加而增加。基于切削比能最小原则,提出TBM操作参数优化组合方法:大贯入量低转速,小贯入量高转速。最后,在研究成果的基础上,分析了中心滚刀呈“一”字布置的合理性,并提出了中心滚刀安装角度的改进方法:滚刀前端向刀盘中心旋转一定的角度,且越靠近刀盘中心的滚刀的旋转角度越大。结合正滚刀布置约束条件,考虑滚刀等磨损原则,提出了内侧滚刀超前外侧滚刀的正滚刀布置方法。建立边缘滚刀破岩的三维模型,研究了边缘滚刀的破岩机理,研究表明:边缘岩石的能量更多用于产生两侧裂纹;当相邻滚刀的刀间距过大时,切削后相邻滚刀间仍存在岩脊,针对边缘滚刀的布置情况,提出了边缘滚刀刀间距的设计方法:以边缘滚刀刀尖-刀尖之间的距离代替投影面上测得的距离作为边缘滚刀刀间距。