全断面掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)是大型隧道工程施工设备的一种,在掘进的同时,通过后配套喷浆系统使隧道一次性成型,缩短了隧道总体建设的时间。它主要由刀盘驱动系统,掘进控制系统,推进撑紧系统,导向系统及后配套辅助系统等组成。导向系统与掘进控制系统在保障TBM沿预定轴线掘进,减小隧道开挖误差上起到关键作用。目前国内外对土压平衡盾构机的研究较多,而对TBM的研究较少。对于导向系统测量技术的研究集中在单独的系统中,并没有联合掘进控制系统和推进系统进行研究。本文以北方重工集团隧道掘进装备分公司设计的敞开式硬岩掘进机为基础,介绍了现有导向系统的测量方式和工作原理,结合TBM推进原理和换步调向机构,重点研究了如何通过导向系统测量到的TBM位置参数来控制TBM掘进和调整方向。对现有的系统进行研究,设计了新型的TBM掘进控制系统,提出相应的控制策略,验证了系统的有效性。本论文主要内容如下:第一章先介绍了敞开式硬岩掘进机的国内外发展情况,然后介绍了TBM控制技术的现状,接着结合导向测量系统的几种测量方式引出了本论文研究的意义和内容,即面对复杂的隧道掘进环境,保证TBM按照预定设计轴线掘进,减少误操作并且避免偏移是重中之重。这就需要提高对TBM掘进的控制要求。第二章先对TBM在地下的位置姿态进行了描述,以大地坐标为相对坐标,确定了TBM的位移偏差,以及水平角、俯仰角和滚动角。接着分析了几种常见的导向测量系统,通过分析其优缺点,确定了激光标靶导向测量系统为最优的测量方式,其测量精度高,可以满足TBM掘进的使用要求。接着将TBM主机结构进行拆分,说明了调向换步的基本工作原理和动作流程,最后详细介绍了VMT激光导向测量系统的工作原理和方式。第三章对TBM智能导向系统进行了硬件设计。先从电气液压方面分析了其系统组成,然后对其PLC和I/O模块进行了选型,接着介绍了施耐德UNITY的编程软件,最后结合TBM在施工过程中的应该设计了监控系统人机界面。通过这些硬件的组合,将TBM智能导向系统建立起来。第四章对TBM智能导向系统进行了程序设计。先解释了何为“智能”,即通过TBM传统导向系统测量的到准确数据,将其作为控制掘进的输入条件,通过PLC程序,直接带动整个TBM推进系统,从而减轻操作人员负担,提高了TBM掘进效率。第五章通过学习模糊控制的原理和特点,在传统推进系统上增加模糊PID控制,仿真效果更好。对实际施工中TBM掘进控制起到了参考作用。