复合地层中TBM滚刀磨损预测模型的研究

论文摘要

随着地下空间工程快速开挖的需要和科学技术水平的提高,TBM在修建地铁、轨道交通等地下工程建设中得到了广泛应用,我国政府相关部门和施工企业高度重视TBM在地下空间工程施工的应用。TBM不仅在比较均匀、单一的地层中得到应用,而且在复合地层中也得到应用。盘形滚刀作为TBM在掘进过程中破岩的主要工具,其破碎效率直接影响了TBM掘进的效率和成本。目前,有关复合地层中TBM滚刀磨损研究尚处于探索阶段。因此,在广泛阅读和钻研国内外有关TBM刀具的破岩机理及磨损原因相关文献的基础上,进而建立了复合地层中TBM滚刀磨损预测模型。论文主要研究内容有：(1)分析滚刀作用下的岩石破碎机理、滚刀磨损产生过程、滚刀磨损的原因与影响因素：研究滚刀力学性质、滚刀磨损机理、滚刀磨损产生过程及滚刀常见的磨损形式,为滚刀磨损预测模型的建立提供理论基础。(2)在ANSYS Workbench软件中建立盘形滚刀破岩过程有限元分析模型,对其进行了疲劳仿真分析与模态分析,验证了所设计的刀具在不同的工况下的性能需求。(3)介绍了CSM性能预测模型和能量法预测模型,结合CSM性能预测模型和能量法的优点建立复合地层中TBM比能预测模型,并在此基础上对复合地层TBM比能预测进行了研究。结合秦岭隧道工程实例,对TBM滚刀磨损水平进行了量化研究,预测结果与实际情况相符,验证了模型的有效性。(4)由复合地层中TBM比能预测模型推导出复合地层中TBM滚刀磨损预测模型,利用已有的TBM施工数据对提出的模型进行验证,预测结果与实际相符合,准确地判断刀具磨损状况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 盾构机与TBM
• 1.3 TBM的分类
• 1.4 国内外研究现状、发展动态
• 1.4.1 盾构法的历史
• 1.4.2 TBM在国内外的发展状况
• 1.4.2.1 TBM在国内发展现状
• 1.4.2.2 TBM在国外发展现状
• 1.4.3 TBM滚刀磨损国内外研究现状
• 1.4.3.1 TBM滚刀磨损国内研究现状
• 1.4.3.2 TBM滚刀磨损国外研究现状
• 1.4.4 TBM滚刀磨损预测国内外研究现状
• 1.4.4.1 TBM滚刀磨损预测国内研究现状
• 1.4.4.2 TBM滚刀磨损预测国外研究现状
• 1.5 论文研究的主要内容
• 1.5.1 课题依托
• 1.5.2 主要研究内容与拟采取的研究方法
• 1.6 本章小结
• 第2章 TBM滚刀性能评价及仿真分析
• 2.1 盘形滚刀的分类
• 2.2 盘形滚刀的结构
• 2.3 有限元法计算理论及通用有限元软件ANSYS WORKBENCH简介
• 2.4 有限元法分析过程及理论方法
• 2.5 滚刀的模态分析
• 2.5.1 模态分析概述
• 2.5.2 有预应力的模态分析
• 2.5.3 TBM滚刀的模态分析
• 2.6 基于滚刀破岩仿真的疲劳分析
• 2.6.1 疲劳分析概述
• 2.6.2 盘形滚刀疲劳分析
• 2.6.3 疲劳分析结果和结论
• 2.7 本章小结
• 第3章 滚刀磨损的基础理论研究
• 3.1 TBM滚刀破岩机理
• 3.2 滚刀磨损机理分析
• 3.3 滚刀常见损坏形式及检测方法
• 3.3.1 刀具偏磨
• 3.3.2 刀圈移位
• 3.3.3 刀圈断裂和崩角
• 3.3.4 轴承破坏
• 3.3.5 滚刀失效检测方法
• 3.4 滚刀磨损的影响因素
• 3.4.1 地质因素
• 3.4.2 滚刀结构因素
• 3.4.3 刀盘形式与刀具组合因素
• 3.4.4 施工控制因素
• 3.5 本章小结
• 第4章 复合地层中TBM滚刀磨损预测模型研究
• 4.1 切削力模型—CSM模型
• 4.2 基于能量方法的比能（SE）预测模型
• 4.3 复合地层的比能预测方法
• 4.3.1 复合地层的概念
• 4.3.1.1 均一地层
• 4.3.1.2 复合地层
• 4.3.1.3 刀具的组合
• 4.3.2 考虑隧道横断面地层变异
• 4.3.3 考虑隧道纵横向的地层变异
• 4.3.3.1 隧道横断面的分区
• 4.3.3.2 考虑隧道纵横向地层变异
• 4.3.4 复合地层中比能预测方法
• 4.3.4.1 复合地层中比能预测方法
• 4.3.4.2 复合地层中比能预测模型算例分析
• 4.4 复合地层中TBM滚刀磨损预测模型
• 4.4.1 复合地层中TBM滚刀磨损预测模型
• 4.4.2 复合地层中TBM滚刀磨损预测模型算例分析
• 4.5 降低滚刀磨损量的措施
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢