異質巖土工況下土壓平衡盾構載荷等效及傳遞特性研究.pdf

1、盾構機是國家基礎建設、資源開發(fā)和國防建設急需的重大技術裝備,被廣泛應用于地鐵、市政、鐵路、公路、水利、礦山、軍事等地下工程建設。由于有對施工環(huán)境影響小、掘進效率高等優(yōu)點,正發(fā)揮著越來越重要的作用。盾構機一般依靠冗余驅動的推進系統(tǒng)和回轉系統(tǒng)帶動刀盤旋轉進行巖土切削。由于施工過程中復雜地質條件,盾構機在施工過程中往往出現(xiàn)偏載、突變載荷等工況,載荷突變范圍甚至處于500-125000kNm的范圍。盡管盾構機設計時一般考慮施工區(qū)域的地質特點,由

2、于對刀盤載荷的估計不足,在施工過程中參數(shù)的選擇不適當,往往容易出現(xiàn)刀盤的過度磨損、堵轉等事故的發(fā)生,因此,對復雜地質條件下刀盤載荷進行研究,對盾構機的設計以及施工過程中的推進載荷以及驅動扭矩的設定具有十分重要的意義。
　　論文基于盾構機工作過程中復雜地質條件的特點,對復合地層進行數(shù)學建模,建立刀盤截面圓等效地質模型;根據復合式盾構機上單個盤形滾刀和切削刀的切削機理,建立含巖土力學性能、刀具布局等因素影響的刀盤異質巖土掘進等效推進力

3、、等效彎矩和等效扭矩的數(shù)學描述方法。以海瑞克某型刀盤的刀具布置為例,分析刀盤在異質巖土掘進時刀盤推力阻力、扭矩和彎矩的波動特性,并與工程案例進行比較,在此基礎上,研究推進載荷與扭矩之間的耦合特性,采用數(shù)學模型進行描述。以沈重11號盾構機的冗余驅動的機械系統(tǒng)為例,考慮盾構機主軸齒輪的變形,采用有限元方法分析偏載工況下冗余驅動載荷非均勻傳遞特性,采用仿真方法對偏載工況下冗余驅動回轉系統(tǒng)載荷非均勻傳遞進行研究。具體研究內容及結論如下:1.復合

4、式盾構機刀盤載荷等效模型的建立。將復雜的地層數(shù)學化,建立針對異質巖土的刀盤截面圓土層等效模型;根據復合式盾構機上單個盤形滾刀和切削刀的切削機理,建立刀盤異質巖土掘進等效推進力、等效彎矩和等效扭矩的數(shù)學描述方法。2.異質巖土掘進刀盤等效載荷特性分析。基于刀盤異質巖土掘進載荷等效模型,采用德國產海瑞克土壓平衡盾構原型,計算其刀盤在異質巖土下所受到的推力、扭矩和彎矩載荷,并對其進行波動載荷研究。研究表明:在盾構刀盤截面圓內軟質地質元素含量在3

5、0％~33%,65%~68%時,刀盤遭受強烈振動,運動很不平穩(wěn),掘進阻力矩也大大高于平均阻力矩,刀盤極易發(fā)生堵轉,研究結果與云南上公山堵轉事故現(xiàn)場基本一致;刀盤所受的推力載荷隨刀盤截面圓百分比含量的增加而增加;刀盤的彎矩載荷與刀盤旋轉角度之間存在正弦或余弦函數(shù)關系。3.異質巖土掘進刀盤推進載荷與扭矩之間耦合特性分析?；趯Φ侗P載荷波動關系的研究結果,在Simulink環(huán)境下進行刀盤載荷仿真,得出正常掘進時“推力”與“扭矩”之間的系數(shù)曲線