近年来随着我国经济的快速增长,城市化基础建设得到了迅速发展。在城市基础交通建设,尤其是地下铁道、地下管道等隧道工程中,盾构施工法是一种安全、高效、广泛应用的隧道施工方法。土压平衡盾构机在技术和经济上具有优越性,在盾构施工法中拥有十分显著的优势,成为城市地下工程施工技术的主流并在全世界范围内得到了广泛应用。盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械。刀盘是其关键部件之一,也是保证盾构机有效工作的重要部分。刀盘的设计不但与机械系统有关系,而且与工程地质情况有着密切的联系。本文以研究复合式土压平衡式盾构机的刀盘设计及优化为目的,主要研究内容包括以下几个方面:1)对盾构机掘进过程进行动态仿真,研究了刀盘开口率对刀盘前后压差的影响。2)对复合式土压平衡盾构机刀盘设计基础理论进行总结。分析刀盘在地层中受到水土压力、扭矩阻力和推力阻力,总结出这些数据的计算方法。3)针对复合地层,对刀盘驱动系统、刀盘形式、刀盘结构设计、刀盘刀具布置等方面进行了研究,文中总结出刀盘驱动系统的设计流程。4)分析了刀盘在几种经典工况下掘进过程中的应力、应变情况。建立刀盘三维几何模型和有限元模型,并对刀盘进行有限元分析。5)对盾构刀盘的云腿进行轻量化考虑,提出云腿优化设计的数学模型。利用本文的设计流程和设计思路,根据南京三号线地铁水文、地质勘查报告及施工条件,设计出适合该地质条件的盾构机刀盘。为今后刀盘设计提供理论基础和实际经验。