土压平衡盾构机关键参数与力学行为的计算模型研究

论文摘要

随着城市地铁建设的发展,国内已开始着手设计和研发国产盾构机。然而我国盾构设计理论尚不成熟,诸如盾构与地层之间的相互作用关系以及盾构上的荷载对盾构行为的影响等研究相对滞后。其次是国产盾构机的关键参数-推进力与刀盘扭矩的确定还没有形成一整套系统全面的计算理论模型。当地质条件和隧道直径变化时,这些参数很难确定,缺少必要的理论依据。因此,开展盾构机关键力学参数和力学行为的计算模型研究,其目的就是为盾构机的开发和国产化打下理论基础,为盾构的设计、选型和性能参数的确定提供必要的理论依据。本文的研究成果和主要内容如下:（1）通过对刀盘扭矩构成要素的系统分析,建立了新的刀盘扭矩计算的理论模型。提出了应考虑在模型中增加一些对刀盘的实际扭矩构成影响的新的要素,即,刀盘背面渣土的摩擦阻力扭矩、刀盘旋转时刀盘开口内土柱的剪切摩擦阻力矩以及刀盘构造柱的搅拌力矩,并对各扭矩分量进行了数学公式推导,通过与工程实测数据的对照分析对模型进行了验证。该计算模型为盾构机刀盘驱动扭矩参数的选择和正确确定提供了一定的理论依据。（2）基于盾构工程实际和现场测量数据,对刀盘扭矩计算的理论模型进行了实例计算。通过对刀盘扭矩的构成、各影响因素扭矩分量的大小和所占比例的计算,分析了影响刀盘扭矩的主要因素,同时分析了模型参数（地质条件、施工参数、刀盘结构以及刀具参数等）对刀盘扭矩的影响,为盾构的设计、选型和工程运用提供了理论指导。（3）建立了新的盾构推进力计算理论模型,运用力学原理和数学方法重新对盾构刀盘正面推进阻力和盾壳外围摩擦阻力进行了计算公式推导,以取代惯用的简化计算公式,使推力计算更精确,影响因素考虑的更全面;该模型全面系统地表征了盾构的推进力与盾构机的尺寸、土层的层别、厚度、容重、内聚力及内摩擦角等参数间的定量关系,为盾构机推力参数的选择和正确确定提供了理论依据。（4）为了有效地实现对盾构的行为控制,建立了反映盾构行为（位移、偏转角）、地层参数和盾构千斤顶推力三者之间关系的铰接式盾构力学行为的计算理论模型,该模型为盾构机的方向控制提供了新的思路。（5）研究了盾构的行为与土的相互作用关系。通过有限元模型,分析了盾构位移与盾壳外围法向土压力的作用关系,并获得了地层变形与土压力之间关系的地层反力曲线,为铰接式盾构力学行为的计算模型研究建立一定的理论基础。（6）盾尾是盾壳中最薄弱的结构。基于荷载结构法推导出了盾尾在各荷载单独作用下的弯矩和轴力计算公式。同时,应用盾尾与周围地层相互作用的多弹簧支点的平面应变有限元计算模型对上述公式进行验证。（7）分析了盾构掘进过程中刀盘刀具磨损的原因和影响因素,提出了刀具的掘进距离寿命和磨耗系数的概念及计算方法,得出了刀具磨损量T与掘进距离寿命L的预测曲线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 本文研究的背景和意义
• 1.1.2 盾构工法的发展过程
• 1.2 盾构机技术及发展现状
• 1.2.1 盾构机设计制造技术
• 1.2.2 盾构机技术发展现状
• 1.3 盾构荷载计算模型的研究现状
• 1.3.1 盾构千斤顶推力计算模型
• 1.3.2 盾构机刀盘扭矩计算模型
• 1.3.3 考虑盾构行为的盾构荷载模型研究现状
• 1.4 盾构掘进对地层影响的研究现状
• 1.4.1 开挖面的稳定
• 1.4.2 盾构掘进对地层的影响
• 1.4.3 地层与盾构相互作用的分析方法
• 1.4.4 现场测量和离心模型试验
• 1.5 本文选题依据
• 1.6 本文的主要工作及技术路线
• 第2章 盾构掘进荷载和土压力确定的理论基础
• 2.1 盾构上作用的荷载
• 2.2 盾构上土压力的确定问题
• 2.2.1 盾构垂直土压力的确定问题
• 2.2.2 盾构水平土压力的确定问题
• 2.2.3 地基抗力
• 2.3 闭胸式盾构泥土（水）仓控制压力的设定
• 2.3.1 地下水压力
• 2.3.2 土压力设定
• 2.3.3 预留压力
• 2.3.4 开挖面的控制压力的施工实例
• 2.3.5 土压平衡盾构土压仓内控制压力的设置方法和原则
• 2.4 刀盘正面的水平土压力的确定
• 2.5 盾构外围法线方向上的土压力的确定
• 2.6 本章小结
• 第3章 盾构机刀盘扭矩计算理论模型
• 3.1 盾构机刀盘扭矩的构成
• 3.2 刀具切削地层时的地层抗力扭矩计算模型
• 11'>3.2.1 盘形滚刀切削产生的地层抗力扭矩T₁₁
• 12'>3.2.2 切刀切削阻力扭矩T₁₂
• 3.3 刀盘与土体之间摩擦阻力扭矩的计算模型
• 2计算模型'>3.3.1 刀盘正面与土体之间的摩阻力扭矩T₂计算模型
• 3计算模型'>3.3.2 刀盘背面的摩阻力扭矩T₃计算模型
• 4计算模型'>3.3.3 刀盘开口内土柱的剪切摩阻力扭矩T₄计算模型
• 5计算模型'>3.3.4 刀盘外围的摩擦阻力扭矩T₅计算模型
• 6计算模型'>3.3.5 刀盘构造柱和搅拌臂搅拌阻力扭矩T₆计算模型
• 3.4 刀盘上作用的其它摩阻力扭矩计算模型
• 7'>3.4.1 刀盘密封装置的摩擦阻力扭矩T₇
• 8'>3.4.2 轴承的摩擦阻力扭矩T₈
• 9'>3.4.3 减速装置摩擦损耗扭矩T₉
• 3.5 刀盘扭矩模型的验证
• 3.5.1 成都地铁1号线线路和地质情况
• 3.5.2 实例分析和模型验证
• 3.6 影响刀盘扭矩的因素分析
• 3.6.1 地质条件对刀盘扭矩的影响
• 3.6.2 刀盘的结构形式和结构参数的影响
• 3.7 本章小结:
• 第4章 盾构机推进力计算理论模型
• 4.1 盾构机推进力的构成要素
• 4.2 盾构机外壳与地层摩阻力F1的计算理论模型
• 4.2.1 盾构外壳与地层摩阻力的惯用计算法
• 1的计算理论模型'>4.2.2 盾构外壳与周围地层的摩阻力F₁的计算理论模型
• 1计算方法探讨'>4.2.3 多种土层情况下F₁计算方法探讨
• 2的计算模型'>4.3 盾构正面推进阻力F₂的计算模型
• 4.3.1 盾构正面推进阻力的惯用算法
• 2计算的理论模型'>4.3.2 盾构正面推进阻力F₂计算的理论模型
• 3的计算模型'>4.4 盾构管片与盾尾间摩阻力F₃的计算模型
• 4.5 盾构机推进时其它阻力的计算模型
• 4的计算模型'>4.5.1 盾构机切口环贯入地层时的阻力F₄的计算模型
• 5的计算模型'>4.5.2 盾构机变向阻力F₅的计算模型
• 6的计算模型'>4.5.3 盾构机后接台车牵引阻力F₆的计算模型
• 4.6 盾构机装备推力计算
• 4.7 实例分析和模型验证
• 4.8 本章小结
• 第5章 铰接式盾构力学行为的计算模型研究
• 5.1 铰接式盾构力学行为关系
• 5.2 荷载组成及坐标系建立
• 5.3 铰接式盾构调向过程中的荷载模型
• 5.3.1 盾构的自重和土压仓内的渣土重
• 5.3.2 盾尾上作用的力
• 5.3.3 千斤顶推力
• 5.3.4 刀盘上作用的力
• 5.3.5 作用于盾壳外的力
• 5.3.6 调向力矩的总和
• 5.4 盾构与地层的相互作用研究
• 5.4.1 地层反力曲线
• 5.4.2 地层特性参数的确定
• 5.4.3 地层反力曲线的运用
• 5.5 盾构行为研究的有限元法
• 5.5.1 有限元模型
• 5.5.2 土壤参数数据的确定
• 5.5.3 盾构掘进引起的周围地层的变形和应力
• 5.6 本章小结
• 第6章 盾构其它相关技术研究
• 6.1 盾尾强度计算的荷载结构模型
• 6.1.1 盾尾上作用的荷载的确定
• 6.1.2 盾尾受力计算公式的推导
• 6.2 盾尾计算实例
• 6.2.1 计算条件
• 6.2.2 荷载的计算
• 6.2.3 计算结果
• 6.3 盾尾强度荷载结构法模型的有限元验证
• 6.3.1 分析方法和假设
• 6.3.2 有限元分析过程
• 6.3.3 后处理分析与结果验证
• 6.4 盾构机切削刀具寿命的计算研究
• 6.4.1 盾构刀具的种类与布置
• 6.4.2 刀具磨损的原因和影响因素
• 6.4.3 切削刀具寿命的计算
• 6.4.4 切削刀具寿命的计算实例
• 6.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文和参与的研究工作