盾构推进系统是典型的超冗余可控输入机械系统,其高效运行依赖于对超冗余输入的合理分组,即推进分区。作为向前推进、转弯和纠偏功能的载体,推进系统分区设计的合理与否事关隧道整体施工质量和工程成败,也事关隧道掘进的能耗、效率和工程成本。为从理论方法上有效支持推进系统的分区设计,适应未来的智能装备和自动驾驶需要,在国家自然科学基金的支持下,本文研究盾构推进系统的工作原理和分区机理、建模方法、评价指标、分区推进力求解算法、推进力配置与推进行程最优规划、最优分区与自适应分区及实现方法等基础问题。成果如下:(1)引入并联机构学被动支链概念,提出能有效表达盾构在掘进过程中所受动态地质环境约束的新方法,将盾构推进系统与周围土体环境约束作为一个系统加以综合考虑,建立能描述该系统运动学和力学特性的等效机构新模型,解决了推进机构现有等效模型处于奇异位形但推进系统实际工作正常的矛盾。提出在主、被动支链间配置约束的含被动支链并联机构构型法则。利用约束螺旋图示法分析并得到等效机构发生奇异的几何条件。(2)提出含主、被动支链的盾构-土体约束系统等效机构的运动学统一建模与分析方法,发现了土体约束与盾体转动中心位置的关系,反映出了被动支链与动态地质环境约束之间的定量关系。通过盾体转心位置参数揭示出盾体位姿发生偏差的机理,在此基础上提出基于盾体动态转心的盾构推进自适应纠偏方法,并通过案例分析表明其可行性和工程应用价值。(3)建立含主、被动支链的盾构-土体约束系统等效机构的静力学统一模型,分析了主动推进力与被动土体约束力间的相互作用关系,揭示出盾构掘进运动对周围土体环境的影响。提出分区可变的推进系统液压回路设计方案,实现推进缸在分区间的切换。建立了盾构推进力均布性指标,提出了盾构推进系统的自适应分区推进策略。案例分析表明自适应分区推进策略的可行性。(4)在理论建模与分析研究基础上,设计研制了考虑盾构-土体相互影响的推进系统模拟实验台,用被动支链组模拟盾构掘进过程所受周围土体约束,用并联悬绳吊挂加载方法模拟盾构掘进所受环境载荷,用姿态复制原理实现盾构多环推进连续过程的模拟。在实验台上开展了模拟盾构推进的系列实验,验证了转心位置参数对盾体姿态控制精度的作用、分区推进力的均布性能、自适应分区的推进性能等,准确再现出真实盾构在隧道施工中的推进运动与力学行为,验证了所建立盾构推进等效机构与分区理论的正确性和有效性。