TBM掘进过程在力学上主要为岩-机相互作用过程,涉及TBM机器设备本身和岩体地质力学条件。TBM掘进过程将产生海量岩-机相互作用信息,岩-机相互作用信息实时感知是指导TBM掘进方案优化选取、实现TBM安全高效掘进的关键。本文提出了TBM刮刀磨损实时监测方法,结合研究团队提出的刀盘振动、刀具受力、围岩与护盾相互作用监测方法,进行了TBM掘进过程岩-机相互作用智能监测硬件和软件平台的开发,依托兰州市水源地输水隧洞工程,进行了岩-机相互作用智能监测预警系统的搭建,并分析了TBM掘进过程中岩-机相互作用信息。主要的研究工作和成果如下:(1)为实现复合式TBM和盾构刮刀磨损的实时监测,提出了一种新型刮刀磨损实时监测方法。安装于刮刀表面的电阻格栅由多个细状等阻值耐高温碳膜电阻并联组成,随刮刀同步磨损而导致电阻格栅的阻值发生改变,从而引起监测系统闭合电路中电阻格栅两端的电压发生改变,通过测量电阻格栅两端电压可算出刮刀磨损值。基于此原理研发了刮刀磨损实时监测系统。系统由磨损感知模块、数据读取及发送模块、无线接收网关、上位机软件四个部分组成。其中磨损感知模块为该系统的核心,实时感知刮刀的磨损量,并由数据读取及发送模块将无线信号发出,经无线网关接收数据后传送至上位机软件。理论推导提出了刮刀磨损量监测计算公式,并进行了室内磨损试验,试验结果表明:刮刀磨损感知模块在磨损过程中信号稳定且不失真,磨损量误差控制在1mm以内,室内环境下无线传输距离达30米。监测系统能实现刮刀磨损的实时监测,具有较高的精度。(2)研发了TBM掘进岩-机相互作用智能监测系统硬件平台,集成了刀盘刀具与掌子面相互作用监测传感器和围岩与护盾相互作用监测传感器,并开发了传感器自动供电系统,确保传感器正常工作。基于RoboTask编写的自动采集程序定时采集和保存传感器感知的数据,连接TBM通讯光纤网络的数据传输模块,将隧道内监测数据实时传输至隧道外。智能监测系统硬件平台实现了集自动供电、定时采集、定时存储、运行纠偏、实时传输、无人值守等功能于一体。(3)分析了TBM掘进智能监测软件系统的功能需求,自主完成了基于LabVIEW环境的软件系统开发,通过使用无线传感器网络OCX控件中的ActiveX函数,调用相应事件节点获取传感器的数据,在软件中实现了刀盘振动、刀具磨损、刀具受力的实时监测控制与采集。考虑到基于LabVIEW开发的软件功能有待提升,与专业软件公司合作开发了基于B/S架构的TBM智能掘进与灾害预警大数据平台,大数据平台布设在云端或服务器上,无需安装应用程序,打开浏览器即可使用。大数据监测平台取代了各传感器/读数仪的监测软件,实现了传感器与监测平台的自动连接、纠错和错误反馈;具备监测项目管理、监测数据采集与分析、TBM掘进参数获取、监测数据预警查看和用户管理等功能,能实时分析监测数据与掘进参数间的关系,提供灾害预警信息,为TBM掘进方案决策提供指导。(4)依托兰州市水源地输水隧洞工程,开展了TBM掘进岩-机相互作用智能监测系统搭载和长期监测试验,验证了监测系统的可行性、有效性和长期稳定性。现场监测的刀盘振动时域分析结果表明:TBM在黏土岩互层中正常掘进时,加速度幅值为1.2g左右。在TBM发生卡机前两天内,TBM刀盘振动加速度的幅值增大,幅值大部分超过2.0g;刀盘振动加速度频域分析结果显示,TBM正常掘进时,刀盘振幅在43 Hz处出现峰值,TBM卡机前两天内,TBM刀盘振动频域曲线出现多个波峰,分别约为43 Hz、50 Hz、90 Hz,这说明卡机前刀盘处在非正常受力的受迫振动状态。护盾应变现场监测结果表明:TBM发生卡机时,围岩与护盾相互挤压,使护盾发生形变。分析护盾各监测点应变幅值变化可推测出围岩与护盾挤压接触点的大致方位。