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盾构法开挖隧道在广泛应用的同时,滚刀作为主要的破岩部件,其磨损问题己成为制约盾构施工质量和效率的一个关键因素。本文在查阅国内外大量文献的基础上,结合工程问题,把建立盾构滚刀磨损量和寿命预测模型作为要解决的关键问题,同时研究了滚刀在磨损后对破岩效果的影响,研究了基于比能较小、体积磨损较小、单次换刀掘进距离较长、掘进速度较快的多目标优化模型,主要进行了以下研究工作：1、利用工程中统计得到的滚刀失效类型和数量,分析总结了滚刀失效形式,利用可靠性理论-失效模式及危害度分析(FMECA)给出了滚刀不同失效模式和对应的影响危害度,分析了滚刀的磨损机理,利用经典摩擦学理论推导了磨粒磨损模型,利用施工数据记录的滚刀磨损量对塑形去除、脆性断裂和疲劳磨损机制所占比例进行了确定。2、在分析滚刀受力的基础上,选用了合适的受力模型；利用空间矩阵变换法建立滚刀正面和侧面一点运动方程。基于经典摩擦学理论和滚刀磨损机理,将滚刀受力模型、运动方程代入磨粒磨损和疲劳磨损模型,建立了滚刀正面和侧面磨损量预测模型,并在此基础上分析得到滚刀寿命预测模型。采用Matlab编程求解得到了刀圈半径、刀刃宽、刀刃角随掘进距离的变化关系；得到了掘进距离随岩石抗压强度、贯入度、安装半径的数值关系,并将预测值与施工记录数据做对比。3、利用ANSYS/LS-DYNA分不同安装半径、不同贯入度对18in加宽滚刀进行破岩力仿真,分析滚刀破岩过程；对18in加宽滚刀磨损后进行破岩力仿真；利用仿真得到破岩力计算了滚刀破岩比能。4、对滚刀在砂卵石、砂岩、泥岩地层掘进过程中的磨损问题,提出了一些增加滚刀使用寿命的合理性建议;考虑多约束建立了滚刀破岩效率较高(比能低)、总体积磨损量小、一次换刀掘进距离长、掘进速度较快的多目标优化模型,并给出了优化后的目标值和对应的最优贯入度、刀间距。