伴随着我国城镇化发展步伐的不断加快,合理开发利用地下空间成为提高城市空间利用率、优化城市空间结构、缓解地面交通压力、减少污染的重要措施。作为隧道掘进的专用工程机械设备,盾构机能够在隧道岩土开挖过程中同时实现隧道掘进的纠偏导向、管片拼装及渣土输送等功能。刀盘是盾构系统中的关键部件,其设计的质量和水平将直接影响到盾构机刀盘的掘进开挖性能。刀盘刀具布置设计是刀盘设计的重要内容,对掘进过程中刀具的磨损状态、轴承的使用寿命以及刀盘的受力状态等都有着直接的影响。本文在复合式盾构机基础上对刀盘切削破岩刀具的切削过程及受力情况进行分析,采用数值模拟方法研究了不同参数条件对刀具破岩性能的影响。针对不同类型刀盘分析了不同刀具的布置方式,提出了复合式盾构机刀盘刀具布置设计流程。首先,从整体上对盾构机刀盘及刀具的主要结构与类型进行综述,分别对切刀与滚刀的破岩机理及受力状态进行分析,并在此基础上对比了各刀具主要的破岩受力模型。其次,利用数值模拟方法建立切刀切削岩土有限元仿真模型,分析了切刀主要结构与工作参数(前角、刀宽和切深)对切刀切削性能的影响。通过对比切刀切削岩土过程中切削力的变化趋势,得出各参数对刀具切削效果与受力状态的影响情况。采用滚刀线切割破岩方式,建立滚刀组合顺次破岩有限元仿真模型,模拟不同工作参数(切削速度、贯入度和刀间距)条件下滚刀的破岩过程,分别分析了各因素对滚刀破岩效果及受力状态的影响。在滚刀组合顺次破岩有限元仿真模型的基础上,利用正交方法对滚刀组合破岩多因素影响的显著性进行统计分析,并进一步利用多重比较法分析了各因素不同水平间的显著性差异。最后,针对辐条式和辐板式刀盘对复合式盾构机刀盘刀具布置方式进行研究。结合等寿命原则与受力平衡原得出了切刀的阿基米德螺旋线布置方法。提出了滚刀刀具布置原则,并建立了相应的计算模型。分析了辅助性刀具的布置方式与主要布刀参数的设计方法。根据盾构机刀盘刀具配置过程并结合刀具破岩机理与刀具布置方式,提出了复合式盾构机刀盘刀具布置设计的主要流程。