土压平衡盾构是一种用于地下空间开发及隧道施工的大型工程机械,广泛应用于地铁隧道、市政建设、资源开采、水利设施建设等地下工程建设。在盾构掘进过程中,开挖面不稳定是造成掘进面上方地层发生断裂、坍塌等严重事故的直接原因,危害隧道施工安全,影响施工进度。盾构的土压平衡是指通过调整螺旋输送机的排土量及千斤顶推进速度等掘进参数来控制盾构密封舱内的泥土压力,使之与掘进面前方土壤压力保持均衡。维持盾构土压平衡的目的是为了控制开挖面上方地层位移,确保地面设施、盾构设备及工作人员的安全。现有的开挖面稳定性评估方法是根据密封舱内各土压传感器压力变化情况,通过操作人员的经验完成,难以对密封舱的泥土在掘进面上的压力分布和变化情况进行全面分析,不能对密封舱压力与开挖面前方土壤压力不匹配的情况做出及时判断,导致地层发生断裂、坍塌等严重事故的发生。因此全面考虑密封舱内部土压变化情况,研究更有效的开挖面稳定性评估方法,利用先进控制策略实现盾构机土压平衡的自动控制,对于盾构掘进的高效和安全意义重大。针对以上问题,本文做了如下的工作：本文在对盾构密封舱土压力变化情况进行全面分析的基础上,提出了一种采用盾构密封舱内土壤压力场曲面的法向量来判断盾构掘进时开挖面稳定性的方法。该方法采用基于离散函数导数的离散曲面法向量估算方法,通过在线估算密封舱内土壤压力场曲面的法向量,实时分析刀盘前方土壤的主动及被动土压力极限平衡情况,从而判断刀盘前方开挖面的稳定情况。继而,本文提出一种基于PSO算法对盾构掘进参数进行寻优,控制密封舱内土压力,维持掘进面稳定的优化控制方法。最后,利用实际施工数据进行仿真实验,对所提控制方法的有效性进行验证。