基于CFD數(shù)值模擬的盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)分析.pdf

1、隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,各類涉及民生的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益加快,采用盾構(gòu)施工的隧道及地下工程已迎來其高速發(fā)展期。土壓平衡盾構(gòu)以其占地面積小、適用土層范圍廣、對環(huán)境污染小的特點(diǎn),在我國各類隧道施工中得到廣泛的應(yīng)用。處于盾構(gòu)最前沿的刀盤,作為與土體直接接觸的部件有著開挖土體、支護(hù)圍巖、攪拌渣土的功能,是盾構(gòu)最關(guān)鍵的部件之一,也是盾構(gòu)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。事實(shí)上,土壓平衡盾構(gòu)刀盤之所以能夠在復(fù)雜的地質(zhì)條件中高效、穩(wěn)定的掘進(jìn),就是因?yàn)榈侗P拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì)綜合考慮了刀盤開口大小變化或開口分布特征變化等因素對盾構(gòu)掘進(jìn)效率、掘進(jìn)能耗、掘進(jìn)穩(wěn)定性及刀盤使用效率的影響。然而,刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮掘進(jìn)地質(zhì)特征、掘進(jìn)地表穩(wěn)定性要求及盾構(gòu)掘進(jìn)效率要求等多方面因素,是當(dāng)前盾構(gòu)設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域中極為困難而又必須的工作。本文特別針對給定地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)分析了土壓平衡盾構(gòu)工作的基本原理,利用刀盤切削渣土被改良為“塑性流變狀態(tài)”的特性

3、,運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)理論,建立了包括土體、刀盤、土艙和螺旋輸送機(jī)在內(nèi)的CFD模型,結(jié)合施工數(shù)據(jù),驗(yàn)證了CFD計(jì)算模型及其分析方法的可行性和正確性,為進(jìn)一步研究分析刀盤開口率及開口分布對刀盤的掘進(jìn)穩(wěn)定性和掘進(jìn)性能等影響機(jī)理奠定基礎(chǔ);
　　(2)闡述了刀盤開口設(shè)計(jì)機(jī)理,研究分析了平衡狀態(tài)下不同開口率和埋深時刀盤開挖面渣土壓力及速度分布的影響變化規(guī)律,并建立了渣土壓力及其速度分布的數(shù)學(xué)模型,同時分析了刀盤開口分布特征對刀盤前后渣土壓力分

4、布的影響作用關(guān)系,提出了相同開口率不同開口分布的刀盤前后渣土壓力映射關(guān)系,最終揭示了刀盤開口分布與前后渣土壓力傳遞的映射關(guān)系;
　　(3)基于天津三號線、九號線等相關(guān)標(biāo)段隧道掘進(jìn)所采用的土壓平衡盾構(gòu)刀盤,驗(yàn)證了刀盤開口分析結(jié)果的正確性,為土壓平衡盾構(gòu)刀盤開口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀盤開挖面支護(hù)壓力平衡控制提供了主要的參考價值;
　　(4)分析了刀盤開口率以及對應(yīng)的開口分布特征變化下的多方案刀盤的掘進(jìn)穩(wěn)定性與掘進(jìn)排渣性能,建立了以刀盤開口