经济的发展离不开基础设施的完善,而道路建设尤其是隧道建设是基础设施建设很重要的一部分。其中隧道掘进机（Tunnel Boring Machine—TBM）因其高效、经济与安全的特点,在隧道建设中扮演着越来越重要的角色。刀盘是TBM中关键的部件,分析破岩过程中刀盘与岩石的耦合作用对于优化刀盘上滚刀的布置,进而提升TBM的性能意义重大。本文分析了TBM破岩岩石破碎特性与能量对应关系。结合前人关于岩石能量破坏机制的研究,探讨了TBM破岩涉及到的能量成分,分析了其能量转化过程。进一步分析了TBM破岩过程中耗散能与岩石破碎粒度的关系,以及残余弹性应变能与岩石破碎剧烈程度的关系。为后续滚刀的布置优化提供了依据。提出了基于掌子面稳定性约束的滚刀极径优化方法。首先将刀盘划分成正刀区和边刀区两部分,推导了滚刀极径与各岩石区域残余弹性能的关系,在此过程中考虑了地应力的影响。根据各岩石区域残余弹性能得到岩石破碎剧烈程度,提出以岩石破碎剧烈程度为指标去衡量掌子面稳定性,并以掌子面稳定性程度最高为准则对滚刀极径进行优化。提出了基于刀盘冲击能均衡分布约束的滚刀极角优化方法。根据破岩完成后岩石的飞溅现象,提出刀盘受岩石冲击能的概念。给出了岩石在刀盘上冲击能等效作用点的偏移量,同时考虑传统指标滚刀质心偏移量、倾覆力矩和径向不平衡力,以四者的加权平均最小为准则进行滚刀极角优化。并采用critic赋权法,结合秦岭隧道工程及TB880E型刀盘的原始数据进行权重分析,确定了各指标具体权重。针对基于能量原理的优化方法进行了实例分析。以大伙房工程及MB264-311型TBM刀盘为实例验证了优化方法的合理性与有效性。结果显示,优化后的刀盘正刀区岩石破碎剧烈程度平均值下降了1.55%,边刀区岩石破碎剧烈程度方差下降了1.68%;刀盘所受冲击能偏移量、倾覆力矩、质心偏移量和径向不平衡力的加权综合指标下降为原来的24.62%。并计算了大伙房工程中TBM破岩能量体系中各成分的大小;分析了不同埋深对残余弹性应变能的影响。