盾构伴随着人类社会对地铁，公路隧道，地下商场等地下空间的基础设施建设的需求增加，得到了不断地发展和广泛地应用。其具有体积大、结构复杂、工作环境恶劣等特点，国内在盾构研究和开发上还有很大不足。盾构刀盘刀具是盾构机的最重要的部件之一，它是直接挖掘隧道的损耗件。对盾构刀盘刀具的研究是盾构研究中最重要部分。因此，充分了解盾构刀盘刀具工作中的力学规律研究至关重要。为了探索盾构掘进机的刀盘的掘进机理和刀具受力特点，依据实际土压平衡盾构机的基本结构，按比例缩小设计了模拟盾构刀盘掘进实验装置，并在不变刀具外形的前提下，研制了刀具与传感一体化的刀具传感器。该装置既可测量刀盘轴向推力，扭矩也可测量刀具切削阻力。实验证明了所研制的刀具传感器的有效性，具有挖掘和监测挖掘时的切削阻力双重功能，且解决了刮刀中多个力耦合问题，能够分别测量刮刀的切削力和轴向阻力。基于本模拟盾构刀盘掘进装置，本文系统地对粘土、粉土、粗砂土这三类土介质进行多种不同条件下的挖掘实验，同时实时采集了各传感器所采集的数据。利用波形分析和频谱分析这两种信号处理方式对这些数据进行分析和研究，得到了模拟盾构刀盘在掘进中的刀盘轴力和扭矩曲线的变化规律，刀盘上不同位置的刀具力学特征的分布和变化规律。本文还从模拟盾构刀盘刀具对不同挖掘对象下的刀盘刀具的切削力曲线和其功率谱中提取了六个特征要素，进行组间平均链接法以欧几里德平方距离为测度的无监督聚类分析。聚类分析结果是实际土介质分组完全对应，充分说明聚类分析这模式识别方法对盾构刀盘刀具挖掘不同土介质具备识别性，为实际中盾构挖掘进程中的土介质识别和基于土介质识别的盾构智能反馈控制寻找到一种可行的方案。同时得到模拟盾构刀盘对不同土介质的识别差异和相似度上的距离对比情况。为实际工程中的盾构实时的土介质监控和识别提供了一种可行的思路。