土岩复合地层盾构滚刀冲击荷载及振动响应分析

发布时间：2021-07-03 07:43

　　盾构在土岩复合地层中掘进时,由于地层的不均匀性,刀具在土岩交界面会受到明显的冲击荷载,进而引起刀盘的强烈振动,对盾构设备安全及环境产生不利影响。基于济南地铁R2线某区间的实际施工情况,利用三维动力数值方法,建立滚刀切削复合地层的有限元模型,分析了不同贯入度、切削速度及岩层硬度等条件下滚刀的冲击荷载响应以及冲击荷载响应与各因素的相关关系;对典型工况下的荷载响应时程曲线进行傅里叶变换,得到了单滚刀冲击荷载响应的频率分布特点。结果表明:（1）单滚刀所受垂直力与贯入度、切削速度、岩层硬度均呈正相关关系;（2）滚刀荷载频率主要分布在0～20 Hz的范围内,随着贯入度、切割速度、岩层硬度的增大,滚刀荷载在低频范围内的振幅有所提升,且在50 Hz左右存在少量分布。 

【文章来源】：现代隧道技术. 2020,57(05)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

刀圈截面尺寸（单位：mm)

第一个分析步模拟滚刀下降至初始切削深度的过程，分析步时长为1 s。在该分析步的初始时刻，滚刀刀圈恰好与地层上表面相接触，位于滚刀中心的参考点RP与土岩交界面的水平距离为L。在该分析步内，控制滚刀运动的参考点RP沿垂直于岩石上表面的方向（Y轴）匀速运动，直至下降一个初始切削深度D(D即刀盘的贯入度），同时约束住参考点RP沿其它方向的位移；第二个分析步模拟滚刀随刀盘掘进的破岩过程，分析步时长为1 s。由于模拟时长较短，且主要研究对象为滚刀破岩的垂直力，故将滚刀绕刀轴的“公转”简化为线切割。在该分析步内，设置参考点RP沿地层表面方向（X轴）的速度为V1(V1与滚刀的安装半径和刀盘的转速相关），沿Y轴的速度为V2(V2与贯入度和刀盘转速相关），做匀速运动,不约束刀盘绕刀轴方向的转动，使刀盘能在地层摩擦力的作用下自由转动，同时约束住参考点RP沿其它方向的位移，控制每种工况下刀盘中心参考点RP在第二个分析步的0.5 s时刻恰好位于土岩交界面正上方，即：以上所有关键变量的含义如图3所示。

实际施工过程中，刀盘转速为1.2 r/min。在此刀盘转速下，不同安装半径的正滚刀的切割速度不同，最高可达到353 mm/s，最低为101 mm/s。在地质条件较好的区间掘进时，推进速度可达30 mm/min；在复合地层掘进时，推进速度下降至10 mm/min以内。除了以上两个变量外，在该模型试验中，还设置了多组不同岩层硬度的对比试验，以模拟盾构在掘进过程中切削不同硬度的岩层的荷载响应。(1）贯入度分析工况

【参考文献】：
期刊论文
[1]复合地层下盾构施工模态系统刀盘荷载及振动特性研究[J]. 王鲁琦,刘海宁,李苗,周建军,刘汉东.  隧道建设. 2017(01)
[2]不同模式下TBM刀群三维回转切削仿真与优化设计[J]. 霍军周,杨静,孙伟,李庆宇.  哈尔滨工程大学学报. 2014(11)
[3]岩石掘进机盘形滚刀测绘[J]. 张照煌.  矿山机械. 2001(11)

博士论文
[1]TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究[D]. 王召迁.东北大学 2014



本文编号：3262180