盾构机是集开挖、支护、衬砌、排渣为一体的大型隧道掘进设备,常用于地下工程施工。盾构在掘进过程中遇到软硬交替、孤石群、高地应力挤压性软弱围岩等工况时盾构极易遭遇突变负载,导致卡机、液压系统崩溃、姿态短时失控等工程问题,严重影响隧道施工质量和机械的安全性。本文基于盾构突变负载成因机制,紧扣推进系统布局理论,对盾构推进系统突变负载地层适应性特性进行研究。研究内容主要包括以下四个部分:(1)分析了盾构外部受力分布,建立负载突变数学模型,研究了推进系统负载突变成因及影响因素,并基于此建立推进系统力学平衡方程。(2)基于已构建的突变负载数学模型,分别以推进液压缸作用在管片上的顶推力均匀和推力波动最小为原则,建立了推力相对变异系数和推力波动比例系数力传递评价指标用于衡量突变负载下的推进系统地层适应性,通过理论分析探讨不同布局下盾构推进系统的适应性范围,指出均匀推进系统特殊性,分析结果表明对于突变负载,不同的布局具有不同的工况适应性范围。(3)基于德国杜塞尔多夫威翰地铁线工程项目数据的进行盾构适应性分析,基于两个力传递优化指标,利用多目标优化算法求解该工程适应性更好的液压缸布局,并建立了盾构推进系统布局软件设计平台,将计算结果与现行布局方案进行对比,验证优化结果的正确性,结果可为突变负载下推进系统地层适应性设计提供参考。(4)建立了盾构推进系统虚拟样机,理论分析和数值仿真验证样机的准确性,利用虚拟样机模型分别研究推进系统三个外部负载发生突变时,均匀推进系统和非均匀推进系统的适应性指标变化,探讨推进系统不同布局的适应性特点,结果表明针对突变负载,适应性指标的波形与突变负载波形一致,液压缸布局具有不同适应性的特点。