本发明公开了一种盾构刀具的三维大梯次空间布置设计方法，包括：确定楔犁刀间距；确定刀盘形式；确定刀具位置；确定刀具的布置模式；确定梯次布置的楔犁刀及刮刀的刀高：引入楔犁指数的概念，建立梯次楔犁刀楔犁松动与刮刀剥落组合受力计算模型，并进行梯次楔犁刀楔犁松动与刮刀剥落组合受力计算，进一步计算得到整盘刀切削地层所需扭矩T及推力F，根据计算结果，选择最后的刀高差；进行不同高度楔犁刀的三维空间布置。本发明提出一种盾构刀具的三维大梯次空间布置设计方法，解决了长距离掘进中盾构频繁换刀及刀盘受力不均、局部磨损严重的问题，延长盾构单次不换刀掘进距离，提高施工效率，降低工程成本。