復雜地層條件下盾構(gòu)掘進刀具磨損機理與預估模型研究

當前我國已有36個城市正在進行大力發(fā)展城市軌道交通，大量的盾構(gòu)隧道施工對盾構(gòu)施工技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)。由于我國各地城市地層條件復雜多變，盾構(gòu)刀具磨損問題已成為制約其技術(shù)安全與掘進效率的關(guān)鍵問題之一，尤其是在含有大漂石、礫石、砂卵石及軟土的土-砂-石混合的復雜地層條件中掘進施工。項目研究系統(tǒng)收集了國內(nèi)外自2003年以來盾構(gòu)隧道施工發(fā)生41例典型的盾構(gòu)刀具事故，通過對刀具磨損事故進行了系統(tǒng)統(tǒng)計分析，研究刀盤及刀具的組合配置與布置規(guī)律，結(jié)合我國主要城市盾構(gòu)施工地層特點，評估不同類型盾構(gòu)刀具配置的地層適應性風險。針對收集的國內(nèi)36個城市軌道交通隧道工程地質(zhì)資料，對工程所在的復雜地層條件進行系統(tǒng)分析，分析了復雜地層條件土體磨損物理力學特性特征，根據(jù)土體磨損特性考慮建立了極易磨損Ⅰ、易磨損性Ⅱ、中等磨損Ⅲ和低磨損Ⅳ四級分類，并結(jié)合我國城市區(qū)域特性首次提出了我國主要城市復雜地層磨損性分區(qū)圖。結(jié)合盾構(gòu)刀具磨損參數(shù)測試需求，通過對國內(nèi)外盾構(gòu)刀具磨損試驗裝置調(diào)研，分析了國際上現(xiàn)有刀具磨損試驗裝置，并對其進行了系統(tǒng)對比分析，研究了適用于不同類型土體的盾構(gòu)刀具磨損試驗測試方法；考慮我國城市軌道交通隧道施工特點和要求，提出了復雜地層條件盾構(gòu)刀具磨損試驗設(shè)計方案，并創(chuàng)新研制了考慮現(xiàn)狀施工條件可模擬盾構(gòu)實際施工工況的刀具磨損測試裝置；利用研制裝置測試的試驗，提出了刀具磨損預估模型，推導了刀具壽命預測的普遍模型，通過對現(xiàn)場盾構(gòu)隧道橫斷面地層分布分區(qū)定義，建立了復雜地層條件盾構(gòu)刀具磨損預測模型。項目研究利用地質(zhì)統(tǒng)計學、隨機場模擬與損傷力學等理論，提出考慮復雜地層條件的刀具磨損計算模型，為解決盾構(gòu)掘進刀具磨損動態(tài)預估提供新理論，研究成果可為降低盾構(gòu)刀具的磨損風險提供理論支撐，對提高我國盾構(gòu)施工安全有重要的工程價值。本項目研究按預定的計劃進行，研究內(nèi)容沒有調(diào)整和變動，依托研究完成主要成果包括發(fā)表學術(shù)文論12篇（其中EI收錄6篇，SCI收錄4篇），參編國家標準2部，項目成果獲得軟件著作權(quán)1項，研制試驗裝置1套，正在申請國家發(fā)明專利2項，部分研究成果獲得2013年上海市科技進步二等獎1項和江蘇省科技進步三等獎1項。研究期間參加會議10次，其中國際會議4次；項目培養(yǎng)研究生4名（已答辯2名，待答辯2名），結(jié)合我國廈門、福州、南寧、蘭州等城市開展了試點應用，并在我國深中通道、汕頭通道等重大工程項目咨詢提供了技術(shù)支撐。 2100433B

盾構(gòu)刀具磨損已成為制約其技術(shù)安全與掘進效率的關(guān)鍵問題之一，尤其是在含有大漂石、礫石、砂卵石及軟土的土-砂-石混合的復雜地層條件中掘進施工。項目擬利用地質(zhì)統(tǒng)計學、隨機場模擬與損傷力學等理論，提出考慮復雜地層條件的刀具磨損計算模型，為解決盾構(gòu)掘進刀具磨損動態(tài)預估提供新理論。具體為：通過對國內(nèi)外盾構(gòu)刀具磨損事故調(diào)研，分析盾構(gòu)掘進不同刀具切削原理，研究刀盤與刀具的組合配置與布置原則，揭示地層分布變異對盾構(gòu)刀具磨損影響；研究隧道縱、橫向斷面地層的分布狀態(tài)與變異特征，建立地層斷面二維和三維隨機模擬模型，分析盾構(gòu)刀盤掘進穿越地層運動行進軌跡，提出刀具掘進行程精確計算模型；針對我國典型區(qū)域復雜地層條件，設(shè)計單個刀具巖土體磨損試驗，獲取不同地層的刀具耐磨性參數(shù)，提出刀具磨損量估算方法，建立復雜地層條件下刀具磨損動態(tài)預估模型。項目可為降低盾構(gòu)刀具的磨損風險提供理論支撐，對提高我國盾構(gòu)施工安全有重要的工程價值。

內(nèi)容介紹

《砂卵石地層條件下盾構(gòu)掘進機理與實踐》以成都地鐵1號線為工程案例，系統(tǒng)研究砂卵石地層地質(zhì)力學特性、盾構(gòu)選型、掘進參數(shù)及其盾構(gòu)掘進性能的影響因素。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對當前隧道掘進機進行了科學分類。結(jié)合現(xiàn)場及室內(nèi)試驗分析了該類地層的力學不穩(wěn)定特性，探討了導致盾構(gòu)掘進性能低下的主要原因。同時，介紹了專為該類地層開發(fā)的數(shù)據(jù)模型生成系統(tǒng)，進行了卵石空間形態(tài)對力學性能影響的深入探討。并推導該類地層力學特性的理論計算模型，通過數(shù)值方法進行了驗證。

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采用理論研究、室內(nèi)實驗、模型實驗及現(xiàn)場切削過程和刀具磨損的動態(tài)監(jiān)測等手段，在研究砂卵石與盾構(gòu)刀具切削相關(guān)的物理力學特性的基礎(chǔ)上，研究砂卵石地層盾構(gòu)刀具切削機理和刀具磨損。包括(1)砂卵石地層合理的切削模式和切削力學模型；(2)砂卵石地層土體性質(zhì)與刀具磨損的相關(guān)關(guān)系；(3)刀具形式和配置與刀具磨損關(guān)系；(4)盾構(gòu)掘進參數(shù)與刀具磨損的相關(guān)數(shù)學模型。研究從刀具與土體的相互作用入手，通過理論分析建立砂卵石地層切削力學模型，進行具有不同的砂卵石地層條件（粒徑、級配、密實度）、刀具形式（刀具尺寸、形式、安置角度等）及掘進參數(shù)(掘進速度、推力和扭矩等)的切削模型實驗，分析提出砂卵石地層性質(zhì)與刀具形式、刀具配置的相關(guān)關(guān)系。建立刀具磨損與掘進參數(shù)的相關(guān)數(shù)學模型，并進行現(xiàn)場動態(tài)觀測，合理修正相關(guān)理論模型。針對具體工程提出降低刀具磨損方案。為砂卵石地層盾構(gòu)選型、刀盤刀具設(shè)計以及長距離連續(xù)安全掘進提供依據(jù)。

通過搭建盾構(gòu)模型試驗平臺，進行刀具切削試驗，研究砂卵石地層與刀具切削相關(guān)物理力學特性，提出了砂卵石地層盾構(gòu)刀具切削機理和切削模式，并命名為犁松原理，為類似地層合理配置刀具提供了理論依據(jù)；并依托實際工程進行了現(xiàn)場盾構(gòu)刀具磨損動態(tài)監(jiān)測，研發(fā)了超聲波動態(tài)監(jiān)測盾構(gòu)刀具磨損裝置，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)建立了盾構(gòu)掘進參數(shù)與刀具磨損的相關(guān)數(shù)學模型?；陬w粒流理論，建立了盾構(gòu)刀具切削砂卵石地層細管力學模型，研究了不同刀間距、貫入度、地層條件切削效率問題，根據(jù)刀具間土體顆粒接觸力的變化，總結(jié)歸納出了三種典型的土體耕松模式，三種耕松模式可根據(jù)切深和間距不同相互轉(zhuǎn)化, 耕松土體面積也因耕松模式的變化而改變，并提出了耕松效率的概念, 結(jié)合相關(guān)參數(shù)的比較, 選擇出了最優(yōu)刀間距。結(jié)合北京地區(qū)砂卵石地層實際工程刀具磨損觀測數(shù)據(jù)，總結(jié)了砂卵石地層刀具磨損規(guī)律，并從刀具配置和渣土改良兩個方面提出了耐磨減磨措施，為盾構(gòu)施工提供了指導。