岩土盾构振动掘削机理与减阻规律数值优化研究

发布时间：2020-06-08 23:41

【摘要】：盾构设备是现阶段重要的大型隧道挖掘和铺设机械,在今天中国各个城市地区都有广泛的应用。而应用岩土振动掘削技术能有效降低盾构机械的掘削阻力和能耗。论文以岩土掘削减阻机理及规律为理论研究着眼点,采用理论分析与有限元数值仿真方法,结合盾构刀盘动力学测试台架设计和相关掘削实验,研究盾构刀具、刀盘与岩土振动掘削过程的数值建模技术、岩土盾构振动掘削减阻规律及刀盘激振参数优化。主要工作包括:(1)土壤振动减阻机理分析。通过研究盾构刀具和刀盘的振动运动轨迹,推导盾构切刀软土掘削中的动力学载荷解析式,综合土壤的物理属性和动静强度分析土壤振动掘削工作机理。(2)土壤Drucker-Prager本构模型修正和岩土振动切削数值建模与求解方法研究。针对盾构振动掘削以及杭州地质土壤特性选择合适的土壤本构模型,并通过岩土三轴试验得出土壤物理特性参数,进行Drucker-Prager本构模型修正;并通过数值FEM,DEM建模,Lagrange、ALE数值求解方法的土壤分析与对比,进行岩土振动切削数值建模与振动掘削过程的数值仿真求解方法研究。(3)基于LS-DYNA建立盾构刀具的振动掘削数值模型。针对杭州地质即长江中下游软土地层,选取土壤Drucker Prager修正本构模型和混凝土连续盖帽模型,分别建立盾构切刀和滚刀的振动掘削数值模型,通过对比振动激励和匀速掘削下载荷和能耗变化以及混凝土内部损伤裂纹变化,研究振动参数对掘削载荷和能耗的影响。(4)盾构刀盘掘削数值模型的建立及激振参数优化研究。以杭州地铁1号线土壤样本建立盾构刀盘掘削数值模型,分析在刀盘选择圆周方向及刀盘前进两个方向施加不同的外加激励,其激振参数对刀盘掘进推进阻力、切削阻尼转矩和驱动功耗的影响关系和规律,并利用ANSYS/LS-DYNA优化设计过程及工具(LS-OPT)实现盾构刀盘振动掘削符合激振参数的多目标优化求解与分析,单把切刀优化后切削阻力减少57.5%,刀盘掘削中推进力减少1%,扭矩减少17%。(5)设计并制造?800 mm盾构振动掘削实验平台。实验台实现了盾构刀盘圆周方向和推进方向的主动振动激励和激振频率、振幅参数可调,最后进行了土壤的盾构刀盘振动举行动力学测试实验,相关实验数据与论文的数值仿真结果对比分析。结果表明,实验结果趋势和稳定时的数值范围(推进力0~7500 N,扭矩0~5000 N×M)与论文前述理论分析与数值建模仿真研究一致。本论文通过振动掘削在盾构刀具及刀盘上的应用,研究了岩土振动减阻机理,并通过正交试验和优化分析为特定工况下盾构刀盘实现最佳振动参数组合,设计并制造了可调激振参数的?800 mm盾构振动掘削实验平台。
【图文】：

盾构施工

盾构工法是隧道暗挖法中的一种全机械化施工方法，盾构机在地面下推进，通过盾构外壳和管片支撑四周土体围岩防止隧道内坍塌。如图1-1所示，为盾构施工的现场照片。盾构工法相对于其他隧道开挖工法有施工隧道稳固，不影响地面交通，对地面建筑影响小等优点。盾构机(Shield Machine,SM)是该施工法的施工机具，带有护罩及隧道支撑结构的挖掘机械。盾构机的学科集成度高，往往包含机械自动化、土木工程、环境工程下属的多个子学科,能同时完成土体和岩体的挖掘掘削、渣土输送和隧道管片拼装等隧道建设的几个工序。盾构机主要由前盾，中盾，盾尾三部分组成。前盾部位安装有盾构刀盘负责破坏岩土的挖掘任务和支撑隧道前方土压力的工作[3]。(a) 杭州地铁 2 号线隧道区段贯通 (b) 杭州地铁 5 号线区段贯通图 1- 1 盾构施工现场作为盾构机的关键部件之一，刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌砂土的功能，刀盘设计的好坏直接影响到盾构施工的效率、使用寿命及刀具费用情况。由于掘进路线中的地质情况复杂多变

释放过程,单次,土体,深松机

图 1-2 Spector 对土体单次压缩释放过程的分析[13]SAKAI[14](1983-1987)研究了深松机的四种运动中施加振动力的4种振动作用机制以及最佳的振动角度β。研究了振响，对深松机工作功率的影响。研究了施加振动后，深耕goli[18]（2010）为研究振动参数对深耕的作用，设计制作幅69mm，振动角27°，前进速度最大3Km/h，，振动频率可结果表明在速比小于1时对深耕铲施加振动，会使牵引拉率最小，在速比1.5时得到最优化振动频率3.3Hz。振动参少切削阻力的效果。Kim K等[19](2016）通过LS-DYNA软进行了分析。在软件中以不同的多变形的压路机滚筒对同多边形滚筒反映了不同的振动参数。Elyas Razzaghi等[20](以描述振动土壤切削，在该模型中使用无量纲的参数作为实验结果比较认为模型符合的比较好。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.39

【参考文献】