土壓平衡盾構機關鍵參數(shù)與力學行為的計算模型研究.pdf

1、隨著城市地鐵建設的發(fā)展，國內(nèi)已開始著手設計和研發(fā)國產(chǎn)盾構機。然而我國盾構設計理論尚不成熟，諸如盾構與地層之間的相互作用關系以及盾構上的荷載對盾構行為的影響等研究相對滯后。其次是國產(chǎn)盾構機的關鍵參數(shù)一推進力與刀盤扭矩的確定還沒有形成一整套系統(tǒng)全面的計算理論模型。當?shù)刭|(zhì)條件和隧道直徑變化時，這些參數(shù)很難確定，缺少必要的理論依據(jù)。因此，開展盾構機關鍵力學參數(shù)和力學行為的計算模型研究，其目的就是為盾構機的開發(fā)和國產(chǎn)化打下理論基礎，為盾構的設計、

2、選型和性能參數(shù)的確定提供必要的理論依據(jù)。 本文的研究成果和主要內(nèi)容如下： (1)通過對刀盤扭矩構成要素的系統(tǒng)分析，建立了新的刀盤扭矩計算的理論模型。提出了應考慮在模型中增加一些對刀盤的實際扭矩構成影響的新的要素，即，刀盤背面渣土的摩擦阻力扭矩、刀盤旋轉(zhuǎn)時刀盤開口內(nèi)土柱的剪切摩擦阻力矩以及刀盤構造柱的攪拌力矩，并對各扭矩分量進行了數(shù)學公式推導，通過與工程實測數(shù)據(jù)的對照分析對模型進行了驗證。該計算模型為盾構機刀盤驅(qū)動扭矩參數(shù)

3、的選擇和正確確定提供了一定的理論依據(jù)。 (2)基于盾構工程實際和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，對刀盤扭矩計算的理論模型進行了實例計算。通過對刀盤扭矩的構成、各影響因素扭矩分量的大小和所占比例的計算，分析了影響刀盤扭矩的主要因素，同時分析了模型參數(shù)(地質(zhì)條件、施工參數(shù)、刀盤結(jié)構以及刀具參數(shù)等)對刀盤扭矩的影響，為盾構的設計、選型和工程運用提供了理論指導。 (3)建立了新的盾構推進力計算理論模型，運用力學原理和數(shù)學方法重新對盾構刀盤正面推進

4、阻力和盾殼外圍摩擦阻力進行了計算公式推導，以取代慣用的簡化計算公式，使推力計算更精確，影響因素考慮的更全面；該模型全面系統(tǒng)地表征了盾構的推進力與盾構機的尺寸、土層的層別、厚度、容重、內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角等參數(shù)間的定量關系，為盾構機推力參數(shù)的選擇和正確確定提供了理論依據(jù)。 (4)為了有效地實現(xiàn)對盾構的行為控制，建立了反映盾構行為(位移、偏轉(zhuǎn)角)、地層參數(shù)和盾構千斤頂推力三者之間關系的鉸接式盾構力學行為的計算理論模型，該模型為盾構機的方

5、向控制提供了新的思路。 (5)研究了盾構的行為與土的相互作用關系。通過有限元模型，分析了盾構位移與盾殼外圍法向土壓力的作用關系，并獲得了地層變形與土壓力之間關系的地層反力曲線，為鉸接式盾構力學行為的計算模型研究建立一定的理論基礎。 (6)盾尾是盾殼中最薄弱的結(jié)構。基于荷載結(jié)構法推導出了盾尾在各荷載單獨作用下的彎矩和軸力計算公式。同時，應用盾尾與周圍地層相互作用的多彈簧支點的平面應變有限元計算模型對上述公式進行驗證。