基于離散元仿真的盾構(gòu)密封艙壓力平衡機(jī)理研究.pdf

1、土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是國家基礎(chǔ)建設(shè)、資源開發(fā)和國防建設(shè)急需的重大技術(shù)裝備。密封艙壓力的設(shè)置和控制直接關(guān)系到開挖地層的穩(wěn)定、刀盤刀具的磨損和盾構(gòu)掘進(jìn)效率。針對目前盾構(gòu)施工密封艙壓力分布規(guī)律認(rèn)識不清、密封艙壓力控制缺少完備的力學(xué)模型的問題，本文以離散元數(shù)值分析為主要研究手段，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和施工數(shù)據(jù)驗(yàn)證，提出了改性土等效離散元模型及其參數(shù)反演方法，揭示了盾構(gòu)掘進(jìn)界面壓力與密封艙隔板壓力的映射關(guān)系、掘進(jìn)參數(shù)與密封艙隔板壓力的映射關(guān)系，為盾構(gòu)施工密封艙

2、壓力控制提供機(jī)理模型，同時(shí)豐富和完善了離散元模型參數(shù)確定方法。
　　 離散單元法模擬盾構(gòu)密封艙土壓力系統(tǒng)工作過程的首要內(nèi)容是改性土的模擬。以某地鐵標(biāo)段施工地層的砂土為原狀土，根據(jù)實(shí)際施工改性劑的添加比例，在實(shí)驗(yàn)室配制了改性砂土并進(jìn)行了改性砂土的坍落度實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)；提出了改性砂土的等效離散元模型，在此基礎(chǔ)上建立改性砂土坍落度實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)的離散元數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過不同配比改性土坍落度實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比

3、較，證明在選取適當(dāng)?shù)牡刃Ｐ蛥?shù)的情況下，提出的改性砂土等效離散元模型能夠模擬改性砂土的流動(dòng)特性和抗剪強(qiáng)度特性。
　　 正確確定改性土等效離散元模型參數(shù)是離散元模擬盾構(gòu)密封艙土壓力系統(tǒng)工作過程的關(guān)鍵。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、三軸實(shí)驗(yàn)和離散元數(shù)值模擬相結(jié)合，用于改性砂土等效離散元接觸模型參數(shù)反演。反演目標(biāo)是改性土三軸實(shí)驗(yàn)離散元數(shù)值模擬得到的主應(yīng)力差和軸向應(yīng)變曲線以及徑向應(yīng)變和軸向應(yīng)變曲線與真實(shí)實(shí)驗(yàn)曲線誤差最小，采用的求解策略是基于遺

4、傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)識別。三軸實(shí)驗(yàn)的離散元數(shù)值模擬為網(wǎng)絡(luò)提供訓(xùn)練樣本，遺傳算法和BP梯度下降算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，改性土室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)的實(shí)際測量曲線為參數(shù)反演提供依據(jù)。通過反演預(yù)測的三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，證明了反演方法的有效性，為改性砂土等效離散元模型參數(shù)確定提供依據(jù)，為密封艙土壓力系統(tǒng)離散元仿真模型建立奠定基礎(chǔ)。
　　 以某地鐵標(biāo)段施工的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為研究對象，建立了盾構(gòu)密封艙土壓力系統(tǒng)離散元仿真的幾何模型；根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)

5、過程中密封艙工作原理，提出盾構(gòu)隧道不同埋深下掘進(jìn)界面壓力的模擬方法，以及掘進(jìn)面生成顆粒、螺旋出口刪除顆粒的改性土在密封艙中動(dòng)態(tài)傳輸過程的模擬方法，確立了密封艙土壓力系統(tǒng)離散元仿真模型的邊界條件：通過密封艙隔板土壓力的離散元仿真結(jié)果與實(shí)際施工檢測結(jié)果相比較，驗(yàn)證了仿真模型的有效性和仿真結(jié)果的正確性，為進(jìn)一步的密封艙壓力控制機(jī)理模型建立奠定基礎(chǔ)。
　　 在密封艙土壓力系統(tǒng)離散元仿真模型基礎(chǔ)上，研究了輻板式刀盤和輻條式刀盤兩種情況下，

6、隧道埋深分別為10m、15m和20m時(shí)的密封艙壓力分布規(guī)律，建立密封艙隔板壓力分布的數(shù)學(xué)模型；得出在盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)形式一定的條件下，掘進(jìn)界面等效壓力與密封艙隔板等效壓力為比例關(guān)系的結(jié)論，將密封艙隔板等效壓力與掘進(jìn)界面等效壓力的比值定義為壓力傳遞系數(shù)，給出了壓力傳遞系數(shù)與刀盤開口率的經(jīng)驗(yàn)公式，為盾構(gòu)掘進(jìn)密封艙隔板壓力的設(shè)定提供理論基礎(chǔ)。
　　 在密封艙土壓力系統(tǒng)離散元分析模型的基礎(chǔ)上，通過改變開挖面顆粒生成個(gè)數(shù)和螺旋轉(zhuǎn)速，模擬盾構(gòu)掘