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《大连理工大学》 2012年
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土压平衡盾构密封舱压力控制的关键技术研究

刘畅  
【摘要】:土压平衡盾构机是国家基础建设、资源开发和国防建设急需的重大技术装备,被广泛用于地铁隧道、越江隧道、铁路隧道等工程建设中。密封舱压力平衡控制是土压平衡盾构核心技术之一,直接影响着隧道开挖面的稳定性、施工安全和效率、能量消耗等。但由于对密封舱压力测点观测值与开挖面支护压力之间的映射关系认识不清,难以为密封舱压力平衡控制提供合理、准确的依据,给盾构设计、施工、控制带来了极大的困难,严重地阻碍了土压平衡盾构机的国产化进程。针对这一问题,本文采用模型实验、土工试验、数值模拟技术相结合的方法,研究了密封舱压力分布规律和密封舱压力传递特性,给出了密封舱等效压力的定义与计算方法,提出了密封舱压力测点优化布置方法,为密封舱压力平衡控制提供理论依据。 本文以Φ6.28m土压平衡盾构作为设计原型,搭建密封舱压力控制实验台,并进行实验台模拟真实的密封舱压力分布规律的可行性实验。通过在不同改性砂土中进行实验可以发现,实验台密封舱竖直和水平压力分布与工程中的密封舱压力分布规律一致,表明实验台可以模拟改性砂土流动过程,能为密封舱内压力场数值模拟方法的有效性验证提供详实的数据。 在搭建密封舱压力控制实验台的基础上,通过模型实验验证离散元法模拟密封舱压力场的有效性。依据改性砂土的三轴实验数据,采取基于遗传神经网络的反演方法获取改性砂土等效离散元模型参数。通过反演得到的接触模型参数预测的三轴实验结果与实测数据基本一致,表明接触模型能够模拟改性砂土颗粒间的力学行为,反演方法是可行的和正确的。在此基础上,以密封舱压力控制实验台为原型,进行密封舱压力场离散元数值模拟研究。数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性,说明离散元仿真模型是有效的,为进一步的密封舱压力传递特性研究和测点布置优化奠定了基础。 基于离散元数值模拟方法,本文研究了密封舱压力传递特性,提出开挖面与密封舱隔板间的压力差计算公式。采用数值模拟方法研究沈阳某地铁标段施工的Φ6.28m土压平衡盾构密封舱压力传递特性,通过施工数据验证了密封舱压力传递特性是可以用于指导施工的。同时,通过改变密封舱几何模型和边界条件,研究了密封舱长度、隧道埋深、刀盘开口对密封舱压力传递特性的影响。结果表明密封舱长度、隧道埋深对开挖面与隔板间的压力差的影响很小,但是随着刀盘开口率的增大,开挖面与隔板间的压力差反而降低,两者成二次函数曲线关系,为密封舱压力的设定提供了理论依据。 为了获得较为精确的密封舱压力控制依据,本文提出密封舱等效压力的概念与加权计算方法,建立密封舱压力测点布置优化的数学模型,给出了密封舱压力测点优化布置方法。以Φ6.28m土压平衡盾构为研究对象,基于密封舱压力数值模拟数据,采用模糊聚类分析与判别分析相结合的方法进行了压力测点布置优化研究。通过对比密封舱等效压力误差可以发现,加权算法获得的密封舱等效压力是准确的,密封舱压力测点优化布置方法是可行的,为土压平衡盾构机设计、密封舱压力控制提供理论基础。 最后,对下一步的研究工作进行了展望和规划。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U455.39

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【参考文献】
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