为应对地下隧道工程盾构施工时因地质条件复杂、生态环境脆弱等重大挑战带来的各种实际问题,如何搭建盾构机数字孪生平台,达到对盾构机工作过程进行理论分析、数值模拟、仿真设计、结果预测、室内试验与现场施工相结合的目的,已经成为现今智慧地下工程建设关注的重要问题。而基于数字孪生平台实现的盾构机虚拟仿真系统,不仅能够对盾构机掘进过程进行虚拟仿真,还能展示盾构机工作过程中内部结构与信息状态的变化。因此,开发这样的虚拟仿真系统,对隧道工程施工与盾构机展示教学均有极其重要的作用。搭建真实可靠、功能完备的盾构机掘进虚拟仿真系统,不可避免地需要关注如何表现盾构机刀盘与掘进过程中切削产生的碎石相互作用的效果。当前针对该问题的研究方法主要有基于离散元软件的模拟方法和基于粒子系统的近似方法。前者为保证结果的真实性涉及到诸多专业理论,这无疑既增大了仿真系统的实现难度,也提高了仿真系统的使用门槛;而后者因无法直接观察到盾构机掘进时刀盘部分的实际情况,其展示效果的合理性和真实性有待商榷。针对上述两种解决方案的缺陷,本文以基于位置的动力学为理论依据,将盾构机掘进过程中的各种现象转化为预先定义或动态生成的一系列约束条件（如形状约束、不同类型的碰撞约束、刀盘掘进控制约束等）。建立盾构机掘进过程的虚拟仿真模型,该模型中的不同约束能在求解器中统一求解,进而更好的实现盾构机掘进过程的虚拟仿真,同时,也能够更清楚的展示盾构机掘进过程中刀盘与碎石相互作用效果。本文的贡献主要有以下几点:1、采用基于位置的动力学方法,将刀盘与碎石统一为粒子的形式,再通过多种约束直接控制这些粒子的位置信息,以此表现它们之间相互作用的效果。无需考虑过多盾构机相关知识与力学模型,即可在视觉上表现出与基于离散元模拟方法类似的效果。2、将贯入度和刀盘转速两个盾构机掘进控制参数转化为虚拟仿真过程中的刀盘掘进控制约束,二者在仿真过程中实时可调,可模仿盾构机实际工作时对掘进速度的控制以观察不同参数值下对仿真效果的影响。3、实现了包含碰撞检测处理在内的完整仿真框架,利用BVH树、有符号距离场提高仿真过程中碰撞检测的效率和精度。并以此为基础在数字孪生平台上实现了盾构机掘进过程虚拟仿真系统。