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盾构土压平衡系统的建模与仿真研究

陈烘陶  
【摘要】: 土压平衡(Earth Pressure Balance,EPB)式盾构是在盾构施工中较为普遍使用的一种隧道掘进专用工程机械。在土压平衡式盾构中,开挖面的稳定是通过土压平衡系统实现的。土压平衡系统是土压平衡式盾构的关键系统,其性能直接影响盾构的施工质量。目前对盾构EPB系统的研究多集中在几个相对独立的领域内,而关于盾构EPB系统整体特性的研究却相对较少,其原因在于这类研究常需要进行盾构现场实验或物理模型实验,而实验所需的设备投资较大,极大地限制了研究的开展。因此盾构EPB系统的分析与设计只能过多地依赖于工程经验。有鉴于此,本课题旨在利用盾构EPB系统数学模型进行仿真研究,以安全、经济、快速、有效的方式研究盾构EPB系统的特性,为改进盾构EPB系统的性能提供一定的研究条件与参考。 由于直接建立盾构EPB系统的数学模型存在困难,因此本研究利用盾构EPB电液模拟系统(简称为模拟系统)与盾构EPB系统的相似性,先建立模拟系统的数学模型,再以该数学模型为基础建立盾构EPB系统的数学模型。 本文首先以功率键合图法建立模拟系统的数学模型,通过对比模拟系统的实验结果与其数学模型的仿真结果,验证模拟系统数学模型的有效性。 在模拟系统的数学模型的基础上,通过对盾构机的土仓及螺旋输送机的深入分析,以土力学、螺旋输送机与螺旋挤出机的理论改进土仓和螺旋输送机的数学模型。再根据盾构EPB的液压系统调整模拟系统中螺旋输送机液压驱动部分的模型,建立盾构EPB系统的数学模型。 将某一盾构的参数代入盾构EPB系统的数学模型进行仿真实验,通过对比仿真的结果与模拟系统的实验结果,验证盾构EPB系统的数学模型具有一定的可信度。最后利用螺旋输送机的数学模型进行仿真研究,获得土压和土摩擦系数对螺旋输送机性能影响的一些规律,该规律可用于提高盾构EPB系统的抗干扰能力。 本研究的成果为更深入研究盾构EPB系统特性提供了一定的参考,对改善盾构EPB系统的设计与土压控制具有一定的工程价值。


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