全断面掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)是实现岩石开挖、渣土运输、支护衬砌以及推进换步等掘进工作的大型工厂化隧道施工作业系统。TBM主要由刀盘切削系统、支撑推进系统、姿态调整系统、渣料运输系统、液压控制系统、电气控制系统、通风除尘系统、钻锚支护系统等组成。工程围岩的分级标准对隧洞工程围岩质量评估、支护设计、TBM装备研发制造有重要的指导意义,但是目前还没有专门针对TBM施工的统一的围岩分类方法,现有的分类方法要通过超前钻探、实验室测试、地质人员主观判断等手段,这个过程费时费力,且有一定的主观性、滞后性。竖向调向时岩土对刀盘反扭矩作用传导到左右扭矩油缸,使其受载不均,但目前的竖向调向系统忽略了此影响,导致竖向调向精度较低,隧道开挖过程中易出现超挖、蛇行现象。故有必要提出新的围岩分级方法,并设计高精度的调向系统。本课题在国家高技术研究发展计划(863)项目的资助下,对吉林中部引松供水工程施工数据进行统计分析,提出了基于掘进参数的TBM岩土载荷特征分级及识别方法,带角度闭环的竖向调向策略,设计了直径2.5m的TBM支撑推进换步实验台,具备了模拟不同岩土载荷及模拟TBM姿态调整的能力。本论文的主要研究工作如下:1、基于施工现场传回的4.2万组数据,对刀盘总推力、贯入度、刀盘扭矩、撑靴油缸大腔压力、左右撑靴位移、左右撑靴位移之差与和、推进速度等单一因素的掘进参数在不同围岩中的变化进行了分析,发现一段时间内刀盘总推力的最大值与围岩类别正相关,单一因素的刀盘扭矩随围岩类别变化规律不明显,贯入度随着围岩变化波动很大,可以反映出围岩的变化趋势,左右撑靴位移与围岩类别关系未显现出来。2、对TBM掘进参数进行二次变换,定义了场切深指数和扭矩切深指数,场切深指数在一定程度上可以反映岩土载荷特征,但是类别之间有少量交叉,定义了 TBM岩土载荷特征值,提出对岩土载荷分级方法,采用多元回归求解待定系数,采用BP神经网络方法对岩土载荷特征值进行识别,取得了较好的效果。3、现有的竖向调向系统,由于围岩对刀盘的反作用力,反扭矩传导到主梁,使左右扭矩缸产生位移偏差,可能造成主梁侧滚。设计了一种高精度的竖向调向液压系统,提出了带有角度闭环和扭矩缸同步控制策略,保证左右扭矩缸的位移同步控制精度。采用AMEsim和Simulink联合仿真发现,该策略可以减小现有调向系统左右扭矩缸的位移偏差,提高俯仰角调向精度。4、设计了直径2.5m的TBM支撑推进换步实验台液压系统和监控系统,设计了扭矩负载模拟系统,推力负载模拟系统,刀盘约束模拟系统,可以实现不同岩土载荷的模拟。针对扭矩负载模拟发热量大进行了冷却器的设计,设计了带压力补偿和平衡阀的竖向调向系统。完成了实验台监控系统设计,包括硬件组成,PLC程序设计,人机交互界面设计等。