復(fù)雜地層條件下盾構(gòu)掘進(jìn)刀具磨損機(jī)理與預(yù)估模型研究中文摘要

盾構(gòu)刀具磨損已成為制約其技術(shù)安全與掘進(jìn)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(fù)雜地層條件中掘進(jìn)施工。項(xiàng)目擬利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、隨機(jī)場(chǎng)模擬與損傷力學(xué)等理論，提出考慮復(fù)雜地層條件的刀具磨損計(jì)算模型，為解決盾構(gòu)掘進(jìn)刀具磨損動(dòng)態(tài)預(yù)估提供新理論。具體為：通過對(duì)國內(nèi)外盾構(gòu)刀具磨損事故調(diào)研，分析盾構(gòu)掘進(jìn)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(duì)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(jī)模擬模型，分析盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)穿越地層運(yùn)動(dòng)行進(jìn)軌跡，提出刀具掘進(jìn)行程精確計(jì)算模型；針對(duì)我國典型區(qū)域復(fù)雜地層條件，設(shè)計(jì)單個(gè)刀具巖土體磨損試驗(yàn)，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(fù)雜地層條件下刀具磨損動(dòng)態(tài)預(yù)估模型。項(xiàng)目可為降低盾構(gòu)刀具的磨損風(fēng)險(xiǎn)提供理論支撐，對(duì)提高我國盾構(gòu)施工安全有重要的工程價(jià)值。

當(dāng)前我國已有36個(gè)城市正在進(jìn)行大力發(fā)展城市軌道交通，大量的盾構(gòu)隧道施工對(duì)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(fù)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(jìn)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(fù)雜地層條件中掘進(jìn)施工。項(xiàng)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(duì)刀具磨損事故進(jìn)行了系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)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(diǎn)，評(píng)估不同類型盾構(gòu)刀具配置的地層適應(yīng)性風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)收集的國內(nèi)36個(gè)城市軌道交通隧道工程地質(zhì)資料，對(duì)工程所在的復(fù)雜地層條件進(jìn)行系統(tǒng)分析，分析了復(fù)雜地層條件土體磨損物理力學(xué)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(jí)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(fù)雜地層磨損性分區(qū)圖。結(jié)合盾構(gòu)刀具磨損參數(shù)測(cè)試需求，通過對(duì)國內(nèi)外盾構(gòu)刀具磨損試驗(yàn)裝置調(diào)研，分析了國際上現(xiàn)有刀具磨損試驗(yàn)裝置，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)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(yàn)測(cè)試方法；考慮我國城市軌道交通隧道施工特點(diǎn)和要求，提出了復(fù)雜地層條件盾構(gòu)刀具磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)際施工工況的刀具磨損測(cè)試裝置；利用研制裝置測(cè)試的試驗(yàn)，提出了刀具磨損預(yù)估模型，推導(dǎo)了刀具壽命預(yù)測(cè)的普遍模型，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)隧道橫斷面地層分布分區(qū)定義，建立了復(fù)雜地層條件盾構(gòu)刀具磨損預(yù)測(cè)模型。項(xiàng)目研究利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、隨機(jī)場(chǎng)模擬與損傷力學(xué)等理論，提出考慮復(fù)雜地層條件的刀具磨損計(jì)算模型，為解決盾構(gòu)掘進(jìn)刀具磨損動(dòng)態(tài)預(yù)估提供新理論，研究成果可為降低盾構(gòu)刀具的磨損風(fēng)險(xiǎn)提供理論支撐，對(duì)提高我國盾構(gòu)施工安全有重要的工程價(jià)值。本項(xiàng)目研究按預(yù)定的計(jì)劃進(jìn)行，研究?jī)?nèi)容沒有調(diào)整和變動(dòng)，依托研究完成主要成果包括發(fā)表學(xué)術(shù)文論12篇（其中EI收錄6篇，SCI收錄4篇），參編國家標(biāo)準(zhǔn)2部，項(xiàng)目成果獲得軟件著作權(quán)1項(xiàng)，研制試驗(yàn)裝置1套，正在申請(qǐng)國家發(fā)明專利2項(xiàng)，部分研究成果獲得2013年上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)和江蘇省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。研究期間參加會(huì)議10次，其中國際會(huì)議4次；項(xiàng)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(diǎn)應(yīng)用，并在我國深中通道、汕頭通道等重大工程項(xiàng)目咨詢提供了技術(shù)支撐。 2100433B

內(nèi)容介紹

《砂卵石地層條件下盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)理與實(shí)踐》以成都地鐵1號(hào)線為工程案例，系統(tǒng)研究砂卵石地層地質(zhì)力學(xué)特性、盾構(gòu)選型、掘進(jìn)參數(shù)及其盾構(gòu)掘進(jìn)性能的影響因素。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)當(dāng)前隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了科學(xué)分類。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)分析了該類地層的力學(xué)不穩(wěn)定特性，探討了導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)性能低下的主要原因。同時(shí)，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(jìn)行了卵石空間形態(tài)對(duì)力學(xué)性能影響的深入探討。并推導(dǎo)該類地層力學(xué)特性的理論計(jì)算模型，通過數(shù)值方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

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采用理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、模型實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)切削過程和刀具磨損的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(xué)特性的基礎(chǔ)上，研究砂卵石地層盾構(gòu)刀具切削機(jī)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(xué)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(jìn)參數(shù)與刀具磨損的相關(guān)數(shù)學(xué)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(xué)模型，進(jìn)行具有不同的砂卵石地層條件（粒徑、級(jí)配、密實(shí)度）、刀具形式（刀具尺寸、形式、安置角度等）及掘進(jìn)參數(shù)(掘進(jìn)速度、推力和扭矩等)的切削模型實(shí)驗(yàn)，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(jìn)參數(shù)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，合理修正相關(guān)理論模型。針對(duì)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(jì)以及長(zhǎng)距離連續(xù)安全掘進(jìn)提供依據(jù)。

通過搭建盾構(gòu)模型試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行刀具切削試驗(yàn)，研究砂卵石地層與刀具切削相關(guān)物理力學(xué)特性，提出了砂卵石地層盾構(gòu)刀具切削機(jī)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(shí)際工程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)刀具磨損動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，研發(fā)了超聲波動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)刀具磨損裝置，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與刀具磨損的相關(guān)數(shù)學(xué)模型?；陬w粒流理論，建立了盾構(gòu)刀具切削砂卵石地層細(xì)管力學(xué)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(shí)際工程刀具磨損觀測(cè)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(gè)方面提出了耐磨減磨措施，為盾構(gòu)施工提供了指導(dǎo)。