随着我国经济的快速发展,对地下空间的利用日益重视,盾构施工具有高效、快速、绿色环保的特点,为现在地下施工的主流方法。而我国幅员辽阔,地层状况千差万别,高磨蚀地层是盾构施工面临的一大难题。对芜湖隧道地层特性进行分析,地层不仅具有高磨蚀性,而且为复合地层。盾构将面临刀盘受力不均、刀具严重磨损等问题。故本文对盾构刀盘受力、盾构刀具磨损及盾构刀具布置优化进行研究。查阅国内外大量文献,分析总结了滚刀的破岩机理,滚刀破岩为拉破坏理论、剪破坏理论和卸载理论共同作用。分析了滚刀破岩力计算模型,论述了其应用范围。运用空间机构运动分析法,建立了盘形滚刀切削点运动方程。对地层特性进行了研究分析,阐述了地层的磨蚀性。基于CSM滚刀破岩力计算模型,建立盾构刀盘不平衡力和倾覆力矩计算公式。采用LabVIEW编制了盾构刀盘在复合地层中刀盘不平衡力和倾覆力矩的计算程序。对盾构在不同软岩比的复合地层掘进时,进行了刀盘不平衡力和倾覆力矩仿真计算,得出了刀盘不平衡力和倾覆力矩变化规律。从盾构刀具磨损机理入手,黏着磨损和磨粒磨损为滚刀磨损的主要方式。并基于磨损机理、滚刀结构和掘进参数建立滚刀磨损预测模型。采用LabVIEW编制滚刀磨损量计算程序,进行实例计算,滚刀计算磨损量与实际磨损量一致。表明该预测模型正确,为滚刀磨损预测提供依据。运用MATLAB遗传优化算法对盾构刀具布置进行优化。以滚刀安装半径和安装极角为设计变量,刀盘不平衡力、刀盘倾覆力矩和刀具磨损均方差为目标函数建立刀具布置优化模型。分别对正滚刀和边缘滚刀进行刀具布置优化。优化后,刀盘不平衡力和倾覆力矩大幅度下降。对盾构刀盘设计和刀具布置提供依据。