复合地层TBM破岩过程滚刀磨损机理及掘进效率研究

发布时间：2017-04-08 14:14

  本文关键词：复合地层TBM破岩过程滚刀磨损机理及掘进效率研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着我国大规模基础建设的展开,所需建设和在建的隧道越来越多,而TBM能够以更快的速度和更高的质量以及更低的成本完成对隧道的开挖,因此,TBM的应用将越来越广泛且会不可避免的面临复合地层掘进问题。在TBM开挖隧道的过程中,掘进机前端的刀盘所处的工作环境十分复杂,尤其是在复合地层中掘进时,滚刀破岩过程中滚刀对刀盘的作用力直接影响着掘进机掘进的方向,而在不同的地质条件和施工参数下盘形滚刀破碎岩石的效果又不一样,且滚刀的磨损情况十分严重,在复合地层中还会出现滚刀偏磨的现象,直接影响着施工的进度和成本。因此,对TBM盘形滚刀破岩机理及磨损情况进行研究就变得十分重要。本文综合采用理论分析及数值模拟方法对这一问题进行研究。主要内容如下:(1)基于对盘形滚刀磨损因素的分析,介绍了包含滚刀结构参数和掘进参数的定量预估滚刀磨损量的方法,并且对滚刀在复合地层条件下发生偏磨的条件和滚刀偏磨的磨损量进行了分析,得到了滚刀正常磨损量与滚刀偏磨量的预估方法。(2)通过对盘形滚刀破岩运动的分析,在单点双角度变量理论的基础上,建立了TBM盘形滚刀破岩三维力学模型,并进行了相应的研究,推导出了盘形滚刀垂直力、滚动力和侧向力的数值模型,且结合了已有理论模型对其进行了可行性验证。(3)将盘形滚刀三维破岩力学模型应用到复合地层中,并对复合地层条件下的滚刀破岩力和滚刀破岩时的岩体应力场进行讨论和分析,得到了滚刀作用下岩石的破坏区域和损伤区域,通过研究发现岩石损伤区域是不对称的且损伤区域被划分为两部分:左损伤域和右损伤域。(4)对复合地层条件下的滚刀偏磨进行了分析,研究了偏磨在软硬复合地层中发生的风险因素。此外,还通过参数分析研究了滚刀切深和滚刀安装半径对滚刀偏磨量的影响。(5)采用通用有限元程序ANSYS/LS-DYNA对滚刀贯入下的岩石应力场及破坏特征进行分析,讨论了盘形滚刀破岩过程中的受力变化及岩石破碎过程;研究了均一地层和复合地层情况下滚刀的破岩力变化情况,并分析了复合地层滚刀破岩的掘进效率。
【关键词】：TBM 复合地层 磨损量预测 ANSYS/LS-DYNA 掘进效率
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.4
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 研究意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 盘形滚刀破岩机理11-14
• 1.2.2 盘形滚刀受力预测14-16
• 1.2.3 盘形滚刀磨损16-17
• 1.2.4 存在不足17
• 1.3 研究内容及技术路线17-18
• 1.3.1 研究内容17-18
• 1.3.2 技术路线18
• 1.4 主要创新点18-21
• 2 盘形滚刀正常与偏磨磨损量计算模型21-35
• 2.1 引言21
• 2.2 滚刀正常磨损与偏磨发生机制21-23
• 2.3 滚刀与岩体相对滑动过程接触力学模型23-26
• 2.3.1 滚刀与岩石接触区弹性滑动分析23
• 2.3.2 接触区域的边界条件23-24
• 2.3.3 接触区盘形滚刀的受力24
• 2.3.4 滑移比的确定24
• 2.3.5 滚刀偏磨与正常磨损发生临界条件24-26
• 2.4 滚刀磨损量计算模型26-31
• 2.4.1 体积磨损量与摩擦功之间的关系26
• 2.4.2 摩擦功的确定26-27
• 2.4.3 体积磨损量计算模型27-31
• 2.5 正常磨损与偏磨对比分析31-34
• 2.5.1 滚刀正常磨损分析31-32
• 2.5.2 滚刀偏磨分析32-34
• 2.6 本章小结34-35
• 3 复合地层滚刀破岩力三维力学模型35-77
• 3.1 引言35
• 3.2 单点双角度变量理论35-36
• 3.3 单点双角度理论的应用36-39
• 3.3.1 岩体变形几何方程的建立36-38
• 3.3.2 滚刀刃域破岩运动引起的岩石对应点的接触力38-39
• 3.4 盘形滚刀引起的岩石弹性应力域39-45
• 3.4.1 滚刀刃域内侧引起的岩石应力分布40-42
• 3.4.2 滚刀刃域外侧引起的岩石应力分布42-45
• 3.5 滚刀破岩力三维模型45-54
• 3.5.1 破岩力计算公式的建立45-46
• 3.5.2 三维破岩力模型下滚刀磨损量的计算46-47
• 3.5.3 三维破岩力预测模型的验证47-49
• 3.5.4 参数敏感性分析49-54
• 3.6 复合地层下滚刀切削力和岩体应力场分布54-74
• 3.6.1 复合地层条件下滚刀的切削力55-57
• 3.6.2 复合地层条件下滚刀破岩引起的岩石应力场分布57-70
• 3.6.3 复合地层条件下滚刀偏磨分析70-74
• 3.7 本章小结74-77
• 4 TBM盘形滚刀掘进过程数值模拟及掘进效率分析77-101
• 4.1 引言77
• 4.2 均一地层盘形滚刀掘进过程数值模拟77-89
• 4.2.1 数值分析模型77-81
• 4.2.2 均一地层滚刀破岩力分析81-85
• 4.2.3 均一地层滚刀破岩分析85-89
• 4.3 复合地层盘形滚刀掘进过程数值模拟89-98
• 4.3.1 复合地层结构简化89-90
• 4.3.2 软硬互层盘形滚刀破岩模拟90
• 4.3.3 复合地层滚刀破岩力分析90-92
• 4.3.4 复合地层滚刀破岩效率分析92-98
• 4.4 本章小结98-101
• 5 结论与展望101-103
• 5.1 结论101-102
• 5.2 展望102-103
• 致谢103-105
• 参考文献105-111
• 附录111
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录111
• B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目及得奖情况111

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6 商啸e，

本文编号：293028