Dựa trên các yêu cầu thực tế của các nhà sản xuất đầu cắt TBM, quy trình thiết kế cơ bản cho đầu cắt đã được thiết lập. Bằng cách tích hợp các điều kiện đào hầm địa chất, tham số cấu trúc đầu cắt và tham số đào hầm vận hành, các mô hình tính toán đã được phát triển cho các yếu tố thiết kế chính-chẳng hạn như bố cục dao cắt, cấu hình lỗ mở và thiết kế thân đầu cắt-dẫn đến đề xuất về phương pháp thiết kế tương ứng nhằm nâng cao khả năng thích ứng của đầu cắt TBM với các môi trường địa chất cụ thể. Quy trình thiết kế này bao gồm việc lựa chọn loại thân đầu cắt, cách sắp xếp dao cắt, thiết kế máng trượt và thiết kế cấu trúc đỡ.
Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, việc lựa chọn dao cắt và xác định các thông số vận hành chính (bao gồm khoảng cách dao cắt, độ sâu xuyên thấu, lực đẩy và mô men xoắn) phải được hướng dẫn bởi các điều kiện địa chất hiện hành. Các công cụ như ANSYS được sử dụng để tiến hành mô phỏng phân tích hiệu suất cơ học (đặc biệt là đánh giá mức độ biến dạng và ứng suất tối đa), trong khi mô phỏng Phương pháp phần tử rời rạc (DEM) được sử dụng để phân tích hiệu quả loại bỏ chất bẩn. Hơn nữa, phương pháp tái tạo biến dạng-dựa trên mạng thần kinh BP và Phân tích phần tử hữu hạn (FEA)-có thể được áp dụng để theo dõi biến dạng tại các vị trí quan trọng trên đầu cắt TBM, từ đó giải quyết các thách thức liên quan đến giám sát biến dạng trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt.
Thiết kế đầu cắt phải giải quyết một cách hiệu quả các môi trường địa chất phức tạp, bao gồm các tầng đá có độ cứng-cao, các lớp cát giàu-nước và các nền đất tổng hợp. Đáng chú ý là thiết kế của đầu cắt cho các máy TBM đá cứng toàn mặt-được sử dụng trong khai thác than khác với thiết kế của các máy TBM đá cứng thông thường vì chúng phải tuân thủ các giới hạn về kích thước và trọng lượng cụ thể do các yêu cầu về vận chuyển và lắp ráp dưới lòng đất đặt ra. Những đổi mới về thiết kế thường xuyên được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu cụ thể của dự án; các ví dụ bao gồm các đặc điểm thiết kế có mục tiêu được áp dụng cho TBM đá cứng "Caucasus"-chẳng hạn như công nghệ đào hầm đồng bộ và lắp dựng từng đoạn, hệ thống khớp nối chủ động và-đầu cắt quay hai chiều.
