土压平衡盾构机具有快速高效、安全可靠、施工质量好、对地面建筑物影响小等优点,因此在我国的市政建设、国防建设等方面具有非常大的市场需求。盾构机的刀盘是盾构的关键部件,刀盘开口模式和刀盘盘体结构设计是刀盘设计的两个相互影响、相互耦合的重要方面。但是国内外文献大多是只从一个方面进行研究,并且相关的研究较少。本文针对上述问题,采取刀盘开口模式与盘体结构并行研究。利用离散元和有限元数值分析的方法,针对某地铁标段的盾构机的刀盘,在典型土层边界条件下对刀盘的开口率和刀盘整体结构进行优化设计,提高了盾构刀盘的整体性能。具体工作如下：(1)利用离散元模型仿真盾构刀盘挖掘过程,首要的是确定离散元模型微观参数参数。本文把某地铁标段施工地层的中粗砂作为研究对象,确定高效的离散元模型参数的标定方法,通过大量的参数试算和分析,拟合宏观力学参数与微观参数的关系曲线,近似的标定出颗粒密度、孔隙率、颗粒刚度、摩擦系数等微观参数,为盾构刀盘系统离散元仿真模型建立做好准备工作。(2)以某地铁施工标段的土压平衡式盾构机刀盘为基础,利用前面得到的离散元微观参数构建盾构刀盘的离散元几何模型和边界条件；确定盾构刀盘离散元仿真的评价标准；仿真不同整体开口率的盾构刀盘掘进过程,结果表明盾构刀盘的挖掘效率随着开口率的增加而提高,当开口率增加到一定数值后,螺旋输送机入口压力超过额定值,可能出现喷涌现象,同时刀盘前端颗粒的下降位移出现异常,可能会出现坍塌的情况；仿真不同中心开口率的盾构刀盘掘进过程,结果表明盾构刀盘的挖掘效率随着中心开口率的增加而增大,当开口率增加到一定数值后,螺旋输送机入口压力超过额定值,可能出现喷涌现象,同时刀盘前端颗粒的下降位移出现异常,可能会出现坍塌的情况；根据前面的分析结果和相关文献找到一个具有较好的开口率和中心开口率的刀盘,为下一步盾构刀盘盘体结构优化奠定基础。(3)确定刀盘所受的外载荷,基于前面得到的优化的开口模式,利用三维绘图软件SolidWorks建立简化后的盾构刀盘三维模型。在ANSYS Workbench环境下,把刀盘板厚、刀盘厚度和支撑柱半径等作为设计参数,把刀盘应力应变和刀盘重量作为优化目标优化刀盘盘面结构。结果表明优化后的刀盘整体应力应变满足要求,刀盘的重量也有所下降。