土壓平衡盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)與力學(xué)行為的計(jì)算模型研究.pdf

1、隨著城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，國內(nèi)已開始著手設(shè)計(jì)和研發(fā)國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)。然而我國盾構(gòu)設(shè)計(jì)理論尚不成熟，諸如盾構(gòu)與地層之間的相互作用關(guān)系以及盾構(gòu)上的荷載對盾構(gòu)行為的影響等研究相對滯后。其次是國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)一推進(jìn)力與刀盤扭矩的確定還沒有形成一整套系統(tǒng)全面的計(jì)算理論模型。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件和隧道直徑變化時(shí)，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(gòu)機(jī)關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)和力學(xué)行為的計(jì)算模型研究，其目的就是為盾構(gòu)機(jī)的開發(fā)和國產(chǎn)化打下理論基礎(chǔ)，為盾構(gòu)的設(shè)計(jì)、

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(gòu)成要素的系統(tǒng)分析，建立了新的刀盤扭矩計(jì)算的理論模型。提出了應(yīng)考慮在模型中增加一些對刀盤的實(shí)際扭矩構(gòu)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(shí)刀盤開口內(nèi)土柱的剪切摩擦阻力矩以及刀盤構(gòu)造柱的攪拌力矩，并對各扭矩分量進(jìn)行了數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，通過與工程實(shí)測數(shù)據(jù)的對照分析對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。該計(jì)算模型為盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)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(gòu)工程實(shí)際和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，對刀盤扭矩計(jì)算的理論模型進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。通過對刀盤扭矩的構(gòu)成、各影響因素扭矩分量的大小和所占比例的計(jì)算，分析了影響刀盤扭矩的主要因素，同時(shí)分析了模型參數(shù)(地質(zhì)條件、施工參數(shù)、刀盤結(jié)構(gòu)以及刀具參數(shù)等)對刀盤扭矩的影響，為盾構(gòu)的設(shè)計(jì)、選型和工程運(yùn)用提供了理論指導(dǎo)。 (3)建立了新的盾構(gòu)推進(jìn)力計(jì)算理論模型，運(yùn)用力學(xué)原理和數(shù)學(xué)方法重新對盾構(gòu)刀盤正面推進(jìn)

4、阻力和盾殼外圍摩擦阻力進(jìn)行了計(jì)算公式推導(dǎo)，以取代慣用的簡化計(jì)算公式，使推力計(jì)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(gòu)的推進(jìn)力與盾構(gòu)機(jī)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(guān)系，為盾構(gòu)機(jī)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(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)的行為控制，建立了反映盾構(gòu)行為(位移、偏轉(zhuǎn)角)、地層參數(shù)和盾構(gòu)千斤頂推力三者之間關(guān)系的鉸接式盾構(gòu)力學(xué)行為的計(jì)算理論模型，該模型為盾構(gòu)機(jī)的方

5、向控制提供了新的思路。 (5)研究了盾構(gòu)的行為與土的相互作用關(guān)系。通過有限元模型，分析了盾構(gòu)位移與盾殼外圍法向土壓力的作用關(guān)系，并獲得了地層變形與土壓力之間關(guān)系的地層反力曲線，為鉸接式盾構(gòu)力學(xué)行為的計(jì)算模型研究建立一定的理論基礎(chǔ)。 (6)盾尾是盾殼中最薄弱的結(jié)構(gòu)?；诤奢d結(jié)構(gòu)法推導(dǎo)出了盾尾在各荷載單獨(dú)作用下的彎矩和軸力計(jì)算公式。同時(shí)，應(yīng)用盾尾與周圍地層相互作用的多彈簧支點(diǎn)的平面應(yīng)變有限元計(jì)算模型對上述公式進(jìn)行驗(yàn)證。