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复合地层中盾构机滚刀破岩力学分析

吴起星  
【摘要】:为适应地铁、铁路、引水等大型工程建设的盾构机需求,我国正大力开展研发、设计和制造具有自主知识产权的国产盾构机的相关工作,掌握盾构机刀盘与围岩的相互作用机理一直是我国盾构行业亟待解决的重要课题。盾构刀盘与围岩的相互作用涉及盘形滚刀破岩力计算,其是确定盾构推力的主要参数,也是计算盾构其它参数的基础。基于上述背景,本文运用量纲分析基本理论进行了盾构机盘形滚刀破岩力学分析及刀盘在复合地层中的受力研究。 本文的研究成果和主要内容如下: (1)建立了在固定坐标系中盘形滚刀刃工作点的运动方程,运用量纲理论研究了盘形滚刀法向破岩力问题,得到考虑较全因素的法向破岩力计算函数形式,并基于滚刀线性切割试验数据确定了17"盘形滚刀法向破岩力的经验统计回归公式。同时,在分析盾构荷载的基础上,提出了由盾构机现场掘进总推力反算滚刀法向破岩力的方法与步骤。 (2)运用量纲理论研究了盾壳顶部垂直围岩压力问题,得到基于量纲分析的垂直围岩压力计算函数形式,并基于围岩压力量测数据确定了针对Ⅳ类围岩和Ⅴ类围岩的垂直围岩压力计算公式。 (3)针对上软下硬典型复合地层的特点,建立了隧道断面圆软层面积比模型,运用量纲理论对上软下硬复合地层中盾构刀盘受力问题进行了参量分析,建立起刀盘倾覆力矩和不平衡力计算的无量纲函数形式。 (4)在盘形滚刀破岩力计算研究基础上,建立了盾构机在上软下硬典型复合地层中掘进时刀盘受力计算相关公式,并采用C语言编制了相应的刀盘受力计算分析程序,对盾构机在上软下硬典型不同组合的复合地层中掘进进行了刀盘受力仿真计算,获得盾构机在复合地层中掘进的一些规律与经验。 (5)运用LS-DYNA显式非线性动力分析程序,对盘形滚刀破岩过程进行了有限元仿真,分析了盘形滚刀破岩过程的运动特征、受力变化及岩石破碎过程,得到盘形滚刀与岩石的接触压力分布函数;对刀盘掘进初始侵岩过程进行了有限元仿真,得到刀盘初始侵岩过程有效推力的变化规律及岩体破坏特点。


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