盾构在复合地层条件下进行掘进时,由于地层不均一、岩土强度差异较大,在这种工况条件下,传统的均匀推进系统、分区推进系统极易在外部载荷的耦合作用下产生偏载。而过大的偏载易造成后方管片受力不均匀,导致管片移位或压溃,最终影响隧道施工质量。因此,对推进系统布局进行优化设计就显得愈发重要。本文重点从盾构推进系统力学模型的构建、力传递性能分析等方面进行了深入研究。基于这些理论基础,提出了几何级数非均匀优化布局模型,最终通过有限元对比分析来验证几何级数布局模型的抗偏载性能。构建了盾构推进系统力学模型。对盾构在复合地层掘进时所受的外部载荷进行了具体分析,并阐述了推进系统偏载的形成机理及影响因素。基于上述研究建立了盾构推进系统的动力学平衡方程。对盾构不同推进系统的力传递性能进行了研究。基于所建立的力学模型,以管片提供的顶推力一致性为原则,构建推力优化函数,从而进一步得到拉格朗日函数。对所建立的拉格朗日函数进行偏导求解,构建出均匀推进系统、六分区推进系统、以及非均匀推进系统的空间推力椭圆模型。以构建出的椭圆离心率作为推进系统力传递性能的评价指标,分别对这三种布局形式下的盾构推进系统力传递特性进行了详细的分析。在分析盾构推进系统力传递特性的基础上,提出一种非均匀布局优化设计方法。基于第三章所建立的推力空间椭圆模型,以椭圆离心率为零为原则,建立相邻两液压缸相位角差成等比的几何级数布局模型。把所建立的几何级数布局优化设计方法应用到德国杜塞尔多夫隧道的施工案例中,并将优化后的推进系统力传递性能与六分区推进系统进行比较,分别得出两种布局对复合地层的地层适应性。最后通过ABAQUS有限元软件对管片受力进行对比仿真分析,验证几何级数非均匀布局设计方法的抗偏载特性。依托工程实测推力数据,通过对均匀推进系统、六分区推进系统、以及几何级数布局方法优化后的推进系统的后方管片进行有限元受力分析,得出管片在这三种布局系统下的变形量及应力大小,从而验证非均匀布局设计方法抗偏载性能的有效性。