基于離散元仿真的盾構密封艙壓力平衡機理研究.pdf

1、土壓平衡盾構掘進機是國家基礎建設、資源開發(fā)和國防建設急需的重大技術裝備。密封艙壓力的設置和控制直接關系到開挖地層的穩(wěn)定、刀盤刀具的磨損和盾構掘進效率。針對目前盾構施工密封艙壓力分布規(guī)律認識不清、密封艙壓力控制缺少完備的力學模型的問題，本文以離散元數值分析為主要研究手段，結合實驗和施工數據驗證，提出了改性土等效離散元模型及其參數反演方法，揭示了盾構掘進界面壓力與密封艙隔板壓力的映射關系、掘進參數與密封艙隔板壓力的映射關系，為盾構施工密封艙

2、壓力控制提供機理模型，同時豐富和完善了離散元模型參數確定方法。
　　 離散單元法模擬盾構密封艙土壓力系統(tǒng)工作過程的首要內容是改性土的模擬。以某地鐵標段施工地層的砂土為原狀土，根據實際施工改性劑的添加比例，在實驗室配制了改性砂土并進行了改性砂土的坍落度實驗和直剪實驗；提出了改性砂土的等效離散元模型，在此基礎上建立改性砂土坍落度實驗和直剪實驗的離散元數值實驗模型。通過不同配比改性土坍落度實驗和直剪實驗的數值實驗結果與實際實驗結果相比

3、較，證明在選取適當的等效模型參數的情況下，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特性和抗剪強度特性。
　　 正確確定改性土等效離散元模型參數是離散元模擬盾構密封艙土壓力系統(tǒng)工作過程的關鍵。將神經網絡、遺傳算法、三軸實驗和離散元數值模擬相結合，用于改性砂土等效離散元接觸模型參數反演。反演目標是改性土三軸實驗離散元數值模擬得到的主應力差和軸向應變曲線以及徑向應變和軸向應變曲線與真實實驗曲線誤差最小，采用的求解策略是基于遺

4、傳神經網絡的參數識別。三軸實驗的離散元數值模擬為網絡提供訓練樣本，遺傳算法和BP梯度下降算法優(yōu)化網絡的權值，改性土室內三軸實驗的實際測量曲線為參數反演提供依據。通過反演預測的三軸實驗結果與實際實驗結果相比較，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確定提供依據，為密封艙土壓力系統(tǒng)離散元仿真模型建立奠定基礎。
　　 以某地鐵標段施工的土壓平衡盾構機為研究對象，建立了盾構密封艙土壓力系統(tǒng)離散元仿真的幾何模型；根據盾構掘進

5、過程中密封艙工作原理，提出盾構隧道不同埋深下掘進界面壓力的模擬方法，以及掘進面生成顆粒、螺旋出口刪除顆粒的改性土在密封艙中動態(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果與實際施工檢測結果相比較，驗證了仿真模型的有效性和仿真結果的正確性，為進一步的密封艙壓力控制機理模型建立奠定基礎。
　　 在密封艙土壓力系統(tǒng)離散元仿真模型基礎上，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時的密封艙壓力分布規(guī)律，建立密封艙隔板壓力分布的數學模型；得出在盾構刀盤結構形式一定的條件下，掘進界面等效壓力與密封艙隔板等效壓力為比例關系的結論，將密封艙隔板等效壓力與掘進界面等效壓力的比值定義為壓力傳遞系數，給出了壓力傳遞系數與刀盤開口率的經驗公式，為盾構掘進密封艙隔板壓力的設定提供理論基礎。
　　 在密封艙土壓力系統(tǒng)離散元分析模型的基礎上，通過改變開挖面顆粒生成個數和螺旋轉速，模擬盾構掘