由于土压平衡(EPB)式盾构机施工安全可靠、效率高,因此在隧道和地铁建设中得到广泛应用。砂卵石地层是诸多复杂地层之一,在我国分布比较广,具有一定的代表性。本论文以砂卵石地层条件下盾构刀盘设计为目标,对该地层条件下刀盘设计准则、刀具选型及布置、盾构载荷配置等方面进行了研究。主要内容可归纳为以下五部分。第一部分,分析砂卵石地层的特点,结合该地层工程施工案例,给出砂卵石地层刀盘设计要点。第二部分,在分析刀盘的功能和失效形式的基础上,建立刀盘设计基本准则和刀盘的强度、刚度计算模型。通过分析,得出云腿和轴承法兰连接处是刀盘应力最大位置,为刀盘性能评价提供了依据。第三部分,首先,在各类盾构刀具功能和特点的分析基础上给出了砂卵石地层刀具选型概要。其次,通过分析刀具破岩机理,建立切刀和滚刀的受力分析模型。再次,在采用阿基米德螺旋线进行刀具布置的前提下,以刀盘受力和刀具寿命为研究目标,对基于刀盘受力平衡和刀具磨损量均匀的切刀布置方法进行了研究。最后,结合工程实例,对所用刀盘进行切刀布置计算,计算结果和实际布刀情况相一致,验证了砂卵石地层切刀布置方法的合理性。第四部分,通过对砂卵石地层条件下刀盘推力和扭矩组成要素的分析,对盾构推力和扭矩计算模型进行优化,建立了与地质参数相关的计算模型,并与惯用算法进行了对比,结果表明计算结果更加精确。在满足盾构施工要求的前提下有效避免材料的浪费。第五部分,首先,利用建立的刀盘强度和刚度设计准则对沈阳地铁一号线区间所用盾构刀盘进行了强度和刚度性能评价。其次,将Pro-E建立的刀盘三维模型导入ANSYS有限元软件对其进行典型工况的有限元分析,验证刀盘结构和设计准则在砂卵石地层条件下使用的合理性。