異質(zhì)巖土工況下土壓平衡盾構(gòu)載荷等效及傳遞特性研究.pdf

1、盾構(gòu)機(jī)是國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)、資源開(kāi)發(fā)和國(guó)防建設(shè)急需的重大技術(shù)裝備,被廣泛應(yīng)用于地鐵、市政、鐵路、公路、水利、礦山、軍事等地下工程建設(shè)。由于有對(duì)施工環(huán)境影響小、掘進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn),正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。盾構(gòu)機(jī)一般依靠冗余驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行巖土切削。由于施工過(guò)程中復(fù)雜地質(zhì)條件,盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)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(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮施工區(qū)域的地質(zhì)特點(diǎn),由

2、于對(duì)刀盤(pán)載荷的估計(jì)不足,在施工過(guò)程中參數(shù)的選擇不適當(dāng),往往容易出現(xiàn)刀盤(pán)的過(guò)度磨損、堵轉(zhuǎn)等事故的發(fā)生,因此,對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下刀盤(pán)載荷進(jìn)行研究,對(duì)盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中的推進(jìn)載荷以及驅(qū)動(dòng)扭矩的設(shè)定具有十分重要的意義。
　　論文基于盾構(gòu)機(jī)工作過(guò)程中復(fù)雜地質(zhì)條件的特點(diǎn),對(duì)復(fù)合地層進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,建立刀盤(pán)截面圓等效地質(zhì)模型;根據(jù)復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)上單個(gè)盤(pán)形滾刀和切削刀的切削機(jī)理,建立含巖土力學(xué)性能、刀具布局等因素影響的刀盤(pán)異質(zhì)巖土掘進(jìn)等效推進(jìn)力

3、、等效彎矩和等效扭矩的數(shù)學(xué)描述方法。以海瑞克某型刀盤(pán)的刀具布置為例,分析刀盤(pán)在異質(zhì)巖土掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)推力阻力、扭矩和彎矩的波動(dòng)特性,并與工程案例進(jìn)行比較,在此基礎(chǔ)上,研究推進(jìn)載荷與扭矩之間的耦合特性,采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。以沈重11號(hào)盾構(gòu)機(jī)的冗余驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)為例,考慮盾構(gòu)機(jī)主軸齒輪的變形,采用有限元方法分析偏載工況下冗余驅(qū)動(dòng)載荷非均勻傳遞特性,采用仿真方法對(duì)偏載工況下冗余驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)載荷非均勻傳遞進(jìn)行研究。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:1.復(fù)合

4、式盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)載荷等效模型的建立。將復(fù)雜的地層數(shù)學(xué)化,建立針對(duì)異質(zhì)巖土的刀盤(pán)截面圓土層等效模型;根據(jù)復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)上單個(gè)盤(pán)形滾刀和切削刀的切削機(jī)理,建立刀盤(pán)異質(zhì)巖土掘進(jìn)等效推進(jìn)力、等效彎矩和等效扭矩的數(shù)學(xué)描述方法。2.異質(zhì)巖土掘進(jìn)刀盤(pán)等效載荷特性分析?；诘侗P(pán)異質(zhì)巖土掘進(jìn)載荷等效模型,采用德國(guó)產(chǎn)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)原型,計(jì)算其刀盤(pán)在異質(zhì)巖土下所受到的推力、扭矩和彎矩載荷,并對(duì)其進(jìn)行波動(dòng)載荷研究。研究表明:在盾構(gòu)刀盤(pán)截面圓內(nèi)軟質(zhì)地質(zhì)元素含量在3

5、0％~33%,65%~68%時(shí),刀盤(pán)遭受強(qiáng)烈振動(dòng),運(yùn)動(dòng)很不平穩(wěn),掘進(jìn)阻力矩也大大高于平均阻力矩,刀盤(pán)極易發(fā)生堵轉(zhuǎn),研究結(jié)果與云南上公山堵轉(zhuǎn)事故現(xiàn)場(chǎng)基本一致;刀盤(pán)所受的推力載荷隨刀盤(pán)截面圓百分比含量的增加而增加;刀盤(pán)的彎矩載荷與刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度之間存在正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。3.異質(zhì)巖土掘進(jìn)刀盤(pán)推進(jìn)載荷與扭矩之間耦合特性分析。基于對(duì)刀盤(pán)載荷波動(dòng)關(guān)系的研究結(jié)果,在Simulink環(huán)境下進(jìn)行刀盤(pán)載荷仿真,得出正常掘進(jìn)時(shí)“推力”與“扭矩”之間的系數(shù)曲線