在城市市区开辟地下空间尤其是进行地铁隧道工程建设时,盾构机以其先进性安全性等特点已成为掘进施工的首选,但其施工过程复杂而且影响因素众多,因此还存在大量值得深入研究的问题.本文基于高性能计算技术以及模型试验和实际工程需要,紧抓盾构技术发展重点之--一系统仿真、并侧重于复杂的盾构机刀盘系统切削以及盾构机掘进施工作业过程这两个方面,有针对性地对其进行了深入的三维动态并行数值仿真研究.针对刀盘单个刀齿切削土体时的仿真,分别采用网格自适应划分、光顺质点流体动力算法和任意拉格朗日一欧拉列式、并结合能较好反映土体动力特性的:FHWA材料模型,解决了土体大变形和数值计算困难问题,分析和指出了三种方法在消除网格畸变与模拟多种土屑形态时的各自特点和优势；继而进一步将任意拉格朗日一欧拉方法应用于土箱试验盾构整体刀盘切削仿真中,并取得了与试验相当贴近的结果. 针对土箱中盾构模型试验,除了上述盾构刀盘掘削仿真动力学分析外又进行了更为深入的盾构掘进动态仿真,以提前把握土箱盾构试验结果从而对相关试验内容进行调整；提出了更为全面和合理的大规模盾构隧道施工全三维非线性仿真模型,充分考虑了盾构机、衬砌和土体等多个分析对象和初应力场、连续推进、刀盘超挖等多个影响因素,其正确性则通过仿真和试验二者结果的对比得到了验证.针对盾构刀盘切削三维仿真问题,利用仿真软件的开放性,制定了传统递归坐标对分、以及根据仿真模型特点提出的基于耦合均衡坐标对分两种区域分解策略,后者通过促进负载均衡从而比前者体现出了更好的并行处理性能；针对盾构隧道施工三维仿真问题,深入考察并分析了SGI及曙光4000A这两种高性能计算平台与稀疏直接解法及预处理共轭梯度法这两种并行计算算法在建立不同组合策略时对计算时间和计算效率的影响.