盾构是地下工程中的典型掘进装备，具有结构复杂、体积庞大、重型巨载等特点。掘进载荷是装备核心力学参量，实现装备掘进载荷的力学建模与合理计算，是装备正向设计的理论基础，也是不同地质隧道施工中载荷控制的重要科学依据。本文分析了刀盘系统载荷的力学特征，抓住刀盘与土体相互作用耦合系统的本质，首次提出一种刀盘载荷解耦模型。将刀盘与界面土体耦合系统分解为两个相互关联的子系统，建立平衡微分方程并由原系统耦合特征确定其定解条件，对刀盘与土体间相互耦合作用解耦求解，提出了一种在考虑整体平衡条件下，利用弹性－塑性屈服损伤理论的更接近土体实际状态的本构模型，给出了盾构刀盘在掘进状态下，沿刀盘半径方向非线性的载荷分布，并引入刀盘拓扑结构、地下埋深等因素的影响，建立了刀盘载荷解耦模型，给出了有实用意义的刀盘系统载荷分布的解析表达式。在刀盘载荷解耦模型基础上，本文系统地研究了装备总载荷的特点，考虑盾壳、后续设备等装备部件所受载荷分量，建立了装备总载荷正向计算模型，实现了施工地质条件、装备操作状态、装备结构特征三类关键要素与掘进载荷间相互影响规律的力学描述。进一步将上述总载荷计算模型应用于我国天津、北京、深圳三类典型地质条件下地铁工程案例的载荷计算与分析，验证了本文总载荷计算模型的合理性与有效性。并基于该模型，对Krause经验公式进行了理性分析，分类归纳各类载荷影响参数，给出便于工程应用的改进形式的载荷设计公式。本文还开展了盾构工程实测数据的反演识别研究，提出一种新型的量纲分析和数据挖掘技术结合的力学建模方法。将基于内在力学机理研究的量纲分析和数据挖掘技术有机融合，形成一种新的基于实测数据的缺乏正问题模型表述的反演识别建模方法。利用该方法建立了基于工程实测数据的掘进载荷与效能的反演识别模型，讨论了载荷变化特征与进尺优化范围。这种建模方法为非线性、多参数、多场耦合的实测(实验)数据的力学分析提供了一种新思路。