基于離散元仿真的盾構(gòu)密封艙壓力平衡機理研究.pdf

1、土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機是國家基礎(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)合實驗和施工數(shù)據(jù)驗證，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、壓力控制提供機理模型，同時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)實際施工改性劑的添加比例，在實驗室配制了改性砂土并進(jìn)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(chǔ)上建立改性砂土坍落度實驗和直剪實驗的離散元數(shù)值實驗?zāi)Ｐ?。通過不同配比改性土坍落度實驗和直剪實驗的數(shù)值實驗結(jié)果與實際實驗結(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(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、三軸實驗和離散元數(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)是改性土三軸實驗離散元數(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)變曲線與真實實驗曲線誤差最小，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。三軸實驗的離散元數(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)三軸實驗的實際測量曲線為參數(shù)反演提供依據(jù)。通過反演預(yù)測的三軸實驗結(jié)果與實際實驗結(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)果與實際施工檢測結(jié)果相比較，驗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數(shù)和螺旋轉(zhuǎn)速，模擬盾構(gòu)掘