（工程力学专业论文）盾构掘进过程中影响刀盘磨损因素研究.pdf

6 、i l at h e s i si ne n g i n e e r i n gm e c h a n i c s jiii i i i l li i ii ii ll l 删 y 17 16 5 7 4 r e s e a r c ho fe l e m e n t se f f e c t i n go nt h e a b r a s i o no fs h i e l dcu t t e ri nt h et u n n e l i n go f t h ee a r t hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l d b yw a n gc h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a ow e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 妨f ， 。二 - ，一毒 a 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 乙 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ， 意。 学位论文作者签名：习皎 e t期：z 今 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 习睃 签字日期：x 硝苫2 导师签名： 签字e t 期： 2 矿6 ；。 j 、 “ _ 一 东北大学硕士学位论文 摘要 盾构掘进过程中影响刀盘磨损因素研究 摘要 盾构法施工由于其安全、掘进速度快、对周围环境影响小等技术及经济方面的优 越性已在城市地铁施工中得到广泛应用。由于刀盘是盾构掘进的关键部件，所以减 小掘进刀具的磨损是保证土压平衡盾构长距离掘进的重要措施。盾构施工过程中， 刀具磨损严重，容易破损、脱落，刀具更换本身就已造成经济损失，而且给整个工 程的工期、造价都会带来严重的影响。针对岩石地层的盘形滚刀以及类似北京砂卵 石地层的土压平衡盾构刀盘的磨损研究己屡见不鲜，但在沈阳地区砂土地层条件下 土压平衡盾构的刀盘磨损与掘进参数的关系研究还很少。 以沈阳地铁一号线5 标及二号线1 3 标为工程背景，利用实际盾构掘进参数、理 论分析以及m i d a s 有限元分析软件等手段从数据分析与应力计算两方面入手，对 盾构刀具磨损范围内的掘进参数及掘削面刀盘受力进行了研究。 论文研究了各种盾构掘进刀具的工作机理，及其磨损原因和影响因素。针对砂土 地层条件下，结合沈阳地铁二号线1 3 标实际工程情况用理论公式进行刀具磨损量一 最长掘进长度预测，提出了在沈阳最长距离约l k m 的盾构隧道区间段内进行不换刀 具掘进符合实际情况。结合沈阳地铁一号线5 标段的大量现场实际的盾构动态掘进 参数，包括刀盘总扭矩、刀盘总推力与掘进速率的关系，确定在掘进速率满足工程 要求的前提下的经济、合理的扭矩及推力值，用其指导施工可达到减少盾构刀具磨 损、延长掘进距离、减少换刀次数的目的。用m i d a s 有限元软件对刀盘掘削面进行 数值模拟，得出刀盘面上受力分布，对受力较大区域加设刀具，对刀盘刀具组合提 出合理建议。 一 ，o 关键词：盾构刀盘砂土地层刀盘磨损掘进参数刀盘扭矩 ， j ， ， 、( ，i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho fe l e m e n t se f f e c t i n go nt h ea b r a s i o n o fs h i e l dc u t t e ri n t h et u n n e l i n go ft h ee p bs h i e l d a b s t r a c t s h i e l dm e t h o dh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi nt h ec o n s t r u c t i n go ft h ec i t ys u b w a y so w i n gt o i t se c o n o m i c a la n dt e c h n i c a ls u p e r i o r i t yw h i c hi ss a f e ， s p e e d yt u n n e l i n ga n dl i t t l ei n f l u e n c e t ot h es u r r o u n d i n g s b e c a u s ec u t t e r h e a di st h ek e yp a r tt ot h et u n n e l i n g ，t h er e d u c t i o nt ot h e a b r a s i o no ft h ec u t t e r h e a di st h ek e ym e a s u r e m e n tt oe n s u r et h el o n gd i s t a n c et u n n e l i n g i nt h e p r o c e s so ft u n n e l i n g ，t h ea b r a s i o no f t h ec u t t e r h e a di sh u g ea n di n c l i n e dt ob ed a m a g e d n o t o n l yt h ep r i c eo ft h ec u t t e r h e a di sh i 【g h ，b u tt h ei n f l u e n c eo nt h ed u r a t i o na n dc o s to f t h e w h o l ep r o j e c ti ss e r i o u s r e s e a r c ho nt h ea b r a s i o no fd i s cc u r e ru s e di nt h er o c ks t r a t u ma n d t h ec u t t e r h e a do fe p bs h i e l dw h i c hi su s e di nt h es a n d yc o d d l es t r a t u mi nb e i j i n gi sr e p o r t e d i nk i n d so f j o u r n a l s ，b u tt h er e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea b r a s i o no f t h e c u t t e r h e a da n dt u n n e l i n gp a r a m e t e ri sb a r e l ys e e n ，e s p e c i a l l yi nt h es a n d ys o i ls t r a t u mi n s h e n y a n g b a s e do nt h ee n g i n e e r i n go ft h ef i f t hc o n t r a c ts e c t i o ni ns h e n y a n gm e t r ol i n e1a n dt h e ，o t h i r t e e n t hc o n t r a c ts e c t i o ni nl i n e2 ，w i t ht h ea n a l y s i so ft h et u n n e l i n gp a r a m e t e r ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h em i d a s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ew h i c hi su s e di nt h ec a l c u l a t i o no ft h es t r e s s d i s t r i b u t i o no ft h ed i g g i n gf a c e ，t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，r e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo f w o r k ，t h e a b r a s i o nr e a s o n sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r s o fa l lk i n d so fe p bs h i e l dc u t t e r sw e r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h es a n d ys o i ls t r a t u ma n d13c o n t r a c ts e c t i o no fs h e n y a n g m e t r o l i n e2 ，t h ef o r e c a s to ft h ea b r a s i o n - - - m a x i m at u n n e l i n gd i s t a n c e i ti sr e a s o n a b l et o c o m p l e t et h ew h o l ed i s t a n c elk m w i t h o u tc h a n g i n gt h ec u t t e r s t h i r d l y ，w i t ht h ed y n a m i ct u n n e l i n gp a r a m e t e ro ft h ef i f t hc o n t r a c ts e c t i o ni n c l u d i n g c u r e rt o r q u ea n dt h r u s ta n dt h et u n n e l i n gs p e e d ，t h er e a s o n a b l ep a r a m e t e ri sd e t e r m i n e dw i t h t h es a t i s f a c t i o no ft h en o r m a lt u n n e l i n gs p e e dt od i r e c tt h ec o n s t r u c t i o n ，t h er e d u c t i o no ft h e a b r a s i o na n dc h a n g i n go ft h ec u t t e r sa n de x t e n s i o no ft u n n e l i n gd i s t a n c e l a s t l y ，a n a l y z i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h et u n n e l i n gf a c ew i t hm i d a s a n dg i v i n g s o m er e c o m m e n d a t i o nt ot h ec o m b i n a t i o no ft h ec u t t e r s a b s t r a c t a n d ya n ds o i ls t r a t u m ；t h es h i e l dc u t t e rw e a r ；t u n n e l i n gp a r a m e t e r ； i v o 、“ l ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 研究背景和研究意义1 1 2 盾构法概述2 1 2 1 盾构法的历史2 1 2 2 盾构法施工的原理3 1 3 课题的国内外研究现状4 1 3 1 国内研究现状4 1 3 2 国外研究现状7 1 4 盾构掘削机构介绍8 1 4 1 刀盘的构成及功能j 8 1 4 2 刀盘与切口环的位置关系9 1 4 3 刀盘形状9 1 4 4 掘削刀具1 0 1 4 5 刀盘的支承方式。l o 1 5 目前刀具存在的主要问题及解决措施一1 0 1 6 论文研究的主要内容和技术路线1 1 1 6 。1 研究内容1 1 1 6 2 技术路线1l 第2 章土压平衡盾构刀具磨损的理论基础12 2 1 富水砂砾层地质的物理力学特性1 2 2 2 土压平衡盾构刀盘、刀具的选择1 2 2 2 1 刀盘型式及其特点1 2 2 2 2 盾构刀具型式及其特点1 4 2 3 土压平衡盾构刀具的工作机理1 5 2 3 1 切削刀的类型及其工作原理1 5 2 3 2 刀具在刀盘上的典型配置2 2 2 3 3 盾构切削刀具的开挖方式2 3 东北大学硕士学位论文目录 2 3 4 切削力的计算模型2 5 2 4 盾构刀具磨损过程介绍2 7 2 5 盾构刀具磨损原因及主要形式2 8 第3 章与盾构刀盘磨损相关的掘进参数统计分析3 0 3 1 切削刀盘及相关掘进参数介绍3 0 3 1 1 刀盘基本类型的选择3 0 3 1 2 盾构推力的组成3 0 3 1 3 盾构扭矩的组成3 1 3 2 刀盘磨损范围内掘进距离预测3 5 3 2 1 刀具磨损量与掘进长度预测3 5 3 2 2 刀具数量效应与先行刀效应3 7 3 2 3 沈阳地区砂土地层中土压平衡盾构隧道掘进长度预测3 7 3 3 盾构掘进参数数据选取与描述3 9 3 4 掘进参数分布规律统计分析4 0 3 4 1 刀盘转速统计分析4 1 3 4 2 刀盘扭矩统计分析4 2 3 4 3 盾构机推力统计分析4 3 3 4 4 掘进速度统计分析一4 4 3 4 5 贯入度统计分析。4 5 3 5 单一因素影响下的掘进参数统计分析4 5 3 5 1 扭矩掘进速率关系4 6 3 5 2 推力掘进速率关系5 0 3 5 3 掘进参数分析总结。5 3 3 6 多因素协同作用下掘进参数统计分析5 4 3 6 1 刀盘转速与掘进速度的关系5 4 3 6 2 刀盘转速、掘进速度与贯入度( 切土深度) 的关系5 5 3 6 - 3 刀盘扭矩与刀盘转速的关系5 6 3 6 4 盾构机推力、扭矩与掘进速度的关系5 7 3 6 5 参数统计分析总结6 l 第4 章盾构开挖面数值模拟6 2 4 1 工程简介6 2 - v i 东北大学硕士学位论文 目录 4 1 1 工程概况6 2 4 1 2 土层的主要性质指标6 3 4 1 3 盾构参数及刀盘布置6 3 4 1 4 刀盘磨损情况6 6 4 2 m i d a s 有限元简介6 9 4 3 计算材料的本构模型7 0 4 3 1 弹塑性理论7 0 4 3 2 材料本构准则7 1 4 3 3 本构准则应用7 2 4 4 计算前的参数确定及模型简化7 3 4 5 建模及计算过程7 3 4 5 1 建模过程7 3 4 5 2 后处理过程。7 9 第5 章结论和展望8 7 5 1 结论。8 7 5 2 展望8 8 参考文献8 9 致谢9 3 个人简介9 4 v l i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和研究意义 应用于隧道开挖的隧道掘进机( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e s ，t b m ) ，近年来在地下工程 的施工中已得到广泛应用，然而相应的准确的工程风险估计还没有规范可循，造成隧道 掘进机施工过程中土体对掘进刀具的磨损效应以及其造成的工程延期等影响。t b m 刀 盘的磨损及破坏造成的工程影响已在世界各地许多隧道工程施工中屡见不鲜。在工程进 行之前对土体的磨损性进行预期分析将对工程设计、工程运营及工程承包产生重要的积 极作用。 盾构是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在钢壳 体掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成行的 机械。盾构机按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式。目前机械化盾构发展较快， 它由刀盘旋转切削地层，采用螺旋输送机或泥浆管运送渣土，在壳体内拼装预制管片， 依靠液压千斤顶推进。 盾构在地下开挖中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。在 开挖中刀盘受力复杂，工作环境恶劣。刀盘的质量关系到开挖效率、使用寿命、工程费 用及盾构施工的成败。然而，由于刀盘不可避免的磨损往往给工程带来干扰和隐患，这 就需要在短时间内对盾构机刀盘磨损进行焊接修复，从而为盾构机开始新的掘进任务提 供良好的设备条件。 针对围岩为岩石等硬岩结构的隧道掘进刀盘磨损的研究已经较为成熟，以广州地铁 为例，广州地铁穿过了第四系土层和各种风化程度的沉积岩、岩浆岩、变质岩三大类岩 层，碰到了沉积岩中除石灰岩之外的几乎各种岩石特征的地层。但砂土层条件下土体对 刀具的磨损性研究还鲜有人研究。 研究土压平衡盾构刀盘刀具的磨损性，换一种更准确的说法应该是研究盾构掘进参 数对刀具的作用，因为适用于砂土层的土压平衡盾构所采用的刀具大多数是切刀、刮刀 这种刀具。切刀起到切削土体的作用，刮刀是对切下来的土体起到扰动的作用，使挖下 来的土块不至于结成土饼，影响盾构掘进过程。这些在刀具的作用在本文第二章将有详 细阐述。 采用盾构法施工必须分析和研究刀具的使用性能和磨损规律，并根据实际工况对施 工参数等进行必要修正，或者根据施工地层的特点重新选配或研制更合适的刀具，以便 获得更高的掘进速度、创造更好的经济效益。 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 本文将利用沈阳地铁土压平衡盾构隧道施工过程中土体对刀盘的实际磨损等数据， 结合北京地铁、广州地铁等已总结并建立的经验公式，提出针对沈阳地区砂土层这一特 点的盾构刀盘磨损与掘进参数之间的关系。利用m i d a s g t s 有限元数值模拟软件，计 算施工扭矩作用下盾构刀盘磨损范围内，提出合理、经济的盾构掘进参数。 1 2 盾构法概述 1 2 1 盾构法的历史 盾构法【l 】的起源可以追溯到1 8 1 8 年，距今已有1 8 0 多年的历史了，当时由法国工 程师b r u n e l 受到食船虫在船身上打洞一事启发，提出盾构施工方法这可以说是敞胸式手 掘盾构机的原型。1 8 2 3 1 8 4 1 年，b r u n e l 获得特许，首次在伦敦泰晤士河下修建了世界 上第一条盾构法施工的隧道，全长4 5 8 m 。b r u n e l 在该隧道中采用的是方形铸铁框盾构。 自b r u n e l 的方形盾构以后，盾构技术又经过了长足的改进。1 8 6 9 年建造横贯泰晤士河 的第二条隧道，首次采用圆形断面( 外径2 18 m ，长4 0 2 m ) 。该工程由g r e a t 主要负责， g r e a t 采用了新开发的圆形盾构，使用铸铁扇形管片，直到隧道掘削结束未发生任何事 故。随后g r e a t 在1 8 8 7 年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和气压组合工法获得成功， 这为现在的盾构工法奠定了基础。 1 9 世纪末到2 0 世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国， 并得到不同程度的发展。美国于1 8 9 2 年最先开发了封闭式盾构；同年法国巴黎使用混 凝土管片建造了下水道隧道；1 8 9 6 1 8 9 9 年德国使用钢管片建造了柏林隧道；1 9 1 3 年德 国建造了断面为马蹄形的易北河隧道；1 9 1 7 年日本采用盾构工法建造国铁羽越线，后因 地质条件差而停止使用；1 9 3 1 年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了 化学注浆和冻结工法；1 9 3 9 年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7 m 的关门隧道；1 9 4 8 年苏联建造了列宁格勒地铁隧道；1 9 5 4 年中国阜新建造了矽2 6 m 的圆形盾构疏水隧道； 1 9 5 7 年中国北京建造了t , 0 2 m 、p 2 6 m 的盾构下水道隧道；1 9 5 7 年日本采用封闭式盾构 建造了东京地铁隧道。总之，在这5 0 - - 6 0 年的时间里盾构工法虽然也有进步，但这一时 期仍主要是盾构工法在世界各国的推广普及。 2 0 世纪6 0 - - 8 0 年代盾构工法继续发展完善，成绩显著。1 9 6 0 年英国伦敦开始使用 滚筒式挖掘机；同年美国纽约最先使用油压千斤顶盾构；1 9 6 4 年日本琦玉隧道中最先使 用泥水盾构；1 9 6 9 年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工；1 9 7 2 年日本开发土压盾 构成功；1 9 7 5 年日本推出泥土加压盾构；1 9 7 8 年日本开发高浓度泥水盾构成功；1 9 8 1 年日本开发气泡盾构成功；1 9 8 2 年r 本开发e c l 工法成功；1 9 8 8 年日本开发泥水式双 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 圆塔接盾构工法成功；1 9 8 9 年日本开发h v 工法、注浆盾构工法成功。总之，这一时期 的特点是开发了多种新型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主。 1 9 9 0 - 2 0 0 3 年这一段时间里盾构工法的技术进步极为显著。归纳起来有以下几个特 点：盾构隧道长距离化、大直径化。盾构多样化，从断面形状方面讲，出现了矩形、马 蹄形、椭圆形、多圆塔接形( 双圆塔接、三圆塔接) 等多种异圆断面盾构；从功能上讲， 出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具( 无需竖 井) 盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构；从盾构机的掘削方式上看，出现了摇动、 摆动掘削方式的盾构，打破了以往的传统的旋转掘削方式。施工自动化，施工设备出现 了管片供给、运送、组装自动化装置；盾构机掘进中的方向、姿态自动控制系统；施工 信息化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统。 1 2 2 盾构法施工的原理 ( 1 ) 盾构工法的概念 盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗挖隧道 施工机械。因此，盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支承，在它的掩护下，头部可 以安全的开挖地层，尾部可以装配预制管片、砌块或现浇钢筋混凝土，迅速地形成隧道 的永久衬砌。它借助于支撑在已经完成的衬砌上的千斤顶的项力不断前进，如果采用装 配式衬砌，当盾构推进时，要将衬砌与土层之间的空隙用浆液填实，防止周围地层的继 续变形和围岩压力的增长【2 】。 盾构法是暗挖施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通 过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装 置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝 土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。 盾构工法作为一个系统包括开挖面的掘削、开挖面的稳定措施、渣土的运输、盾 构机的前进、衬砌的拼装及盾尾的回填注浆等几个部分。传统的盾构操作循环过程包含 3 个不同的阶段。在第一阶段，在前一个循环的管片拼装好后，开始掘削刀盘前方的土 体：在第二阶段，千斤顶逐渐伸长至最大极限，然后各千斤顶依次缩回，以便该处的管 片拼装，而其余部位仍处在工作状态的千斤顶要确保开挖面的稳定性：在第三阶段，又 开始准备下一个操作循环。由于衬砌的外径般要小于盾构的外径，因此在盾构推进过 程中就会产生盾尾间隙，该间隙应该等于盾构外壳的厚度( 2 a ) 与净距离( 6 ) 之和， 作为管片拼装的容许误差。盾构推进结束之后的全部空间高度为d + 2 + 万，无论采用 哪种盾构类型施工，都会产生这一结果。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 盾构工法的优点 盾构法的优点是：除竖井施工外，大部分均在地下进行，既不影响交通，也减小了 对附近居民的噪音和振动影响。对周围环境影响较小，施工中不会引起地下水位降低， 开挖引起地表沉降较小；掘进速度较快；隧道成型质量较好；施工环境较好，机械化程 度高，具有人性化，噪音小，占有场地少；施工中支护衬砌质量可靠且造价较低；穿越 河道不受影响；施工受天气影响较小；在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道， 有较高的技术经济优越性；盾构施工不受季节气候的影响，在穿越河道时不影响航运。 在施工中，其推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员较 少，且土方量也比较少。所以在同类地下工程施工中，盾构施工经济性及安全性都较高， 但盾构机的成本较高【3 1 。 1 3 课题的国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 国内专家、学者在盾构刀具磨损研究方面已经做了许多的研究工作，研究成要如下： 张凤祥、朱合华、傅德明等4 1 介绍了盾构刀盘外圈刀具磨损量的计算公式： 8 = k 霭- d n l | v 式中： 万为刀具最外周磨损量( 姗) ： k 为磨损系数( r a m k i n ) ： d 为盾构外径( m ) ： n 为刀盘转数( r p m ) ： 三为掘进距离( k m ) ： ，为掘进速度( m r a i n ) 。 张国京【5 1 根据北京地区地质情况复杂多变的特点，通过盾构刀具的适用性分析，论 述了刀具的选择与配置；并针对具体工程条件进行了刀具耐磨量与掘进长度预测；提出应 从设备和施工工艺两方面采取措施来提高盾构刀具的耐用度。 邹积波【6 1 对北京地铁五号线盾构试验刀具的磨损规律进行了分析和总结，对刀具使 用寿命的影响因素进行了分析和探讨。陈述了砂卵石地层施工对盾构刀具的性能要求， 论述了合理选择刀具、合理设计刀盘结构和合理选择泡沫对提高施工进度、降低施工成 本的重要性。 何其平【7 】结合广州和南京地铁工程介绍了土压平衡盾构刀盘的功能、刀盘类型及刀 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 具配置。论述了适应南京的地铁条件盾构类型，以及相应的盾构工作参数的选择。 张明富【8 】【9 1 等采用最新动态监测装黄，对北京地铁四号线四标角门北路站一北京南京 区间隧道盾构刀具进行磨损监测，利用最小二乘法对监测数据进行回归分析。提出掘进 参数的合理选择范围，并建立刀具磨损量与掘进距离的拟合表达式，为工程实际中减小 刀具磨损及预测盾构在类似地层条件下的最长掘进距离等提供理论依据。 彭少杰【1 0 】结合北京地铁1 0 号线1 1 标总长度约2 8 k m 的区间隧道工程土质条件，从 刀盘形式、刀具布置、加泥材料及施工措施等方面，阐述了在砂砾地层中提高土压平衡 盾构掘进机的刀盘切削刀具耐用性的一些有效对策，为盾构选型和类似工程施工提供参 考。 同济大学地下建筑与工程系的朱合华、徐前卫等【l l 】曾利用小直径( 4 0 0 m ) 模型盾构 机在砂土、砂砾中进行模拟掘进实验。 1 9 9 7 年，上海隧道施工技术研究所进行了“土压盾构穿越全断面粉砂层 的试验， 模拟盾构掘进过程中开挖面和土舱内加入膨润土泥浆改良土体的效果，并完成泥浆配比 研究，采集模拟盾构的顶力、扭矩、压浆压力、压浆量等参数并进行优化，研究成果用 于上海地铁区间隧道在粉砂地层中的掘进施工。2 0 0 1 年，上海隧道施工技术研究所进行 了1 2 m xi m 矩形偏心多轴土压盾构模拟掘进试验，完成了模拟盾构在粘性土、砂性土、 砂砾土地层中的切削掘进试验，并同时采集了推力、掘进速度、刀盘扭矩、出土量和注 浆量等参数，为今后的盾构设计提供了技术依据。 徐前卫【1 2 】等以上海地区的粉砂地层为参照原型，进行了土压平衡盾构的相似模型试 验。得出了掘进过程中各施工参数间的匹配关系及覆土厚度、刀盘开口率对盾构推力和 刀盘扭矩等参数的影响。 张厚美【l3 】等应用正交试验设计技术，进行了盾构掘进参数组合试验，采用多元统计 分析方法，对上仓压力、推力、刀盘转速等主要掘进参数对掘进速度、刀盘扭矩的影响 进行了较系统的研究，得到了土压平衡盾构在软土中的掘进速度数学模型和刀盘扭矩数 学模型。研究结果表明：对掘进速度和刀盘扭矩影响最大的3 个参数依次为：千斤顶推力、 土仓压力和刀盘转速。掘进速度、刀盘扭矩与千斤顶推力成正比，与土仓压力成反比， 刀盘转速对刀盘扭矩和掘进速度影响并不大 何祯【1 4 】等将刀具磨损过程的总变异进行分解，共分为三部分：趋势项、残差自相关 结构、未能解释的变异，以区分不同的变异来源，并计算出相应的能力指数。此方法有 助于操作者更好地理解盾构刀具磨损过程，确定降低过程变异的合理措施，同时也可使 用该方法分析类似刀具磨损的自相关过程。 管会生和高波【1 5 】介绍了刀具寿命预测的分析方法，总结了刀具磨损的原因和影响因 5 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 素，给出了提高刀具寿命降低刀具磨耗的建议，并介绍了刀具转动距离寿命五的计算公 式为，名= ，式中t 为限定磨损量取值，其值一般为l o - - 2 0 m m ，k 为磨耗系数。 k 毛履国【1 6 】等利用刀具磨损曲线中不同切削速度的磨损曲线在正常磨损段的延长线 都交于同一点的特性，推导出泰勒公式的系数m 和a 的计算式。依据此原理得出刀具 使用寿命快速试验方法。 宋克志【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 1 基于重庆越江隧道盾构掘进施工，进行了掘进实验设计及相关参 数测试工作，通过对掘进参数的系统分析得出如下结论： ( 1 ) 3 3 盘推力对增大每转切深和掘进速率的作用都是非常显著的，扭矩和转速对增加 每转切深作用不显著，而加快刀盘转速可以有效地提高掘进速率：刀盘转速较高时，不宜 对刀盘施加较大的推力，而使其每转切深较浅，综合考查掘进速率，高转速时的小于低 转速时的；另外，泥岩地层下的切深和掘进速率均明显大于砂岩地层的，说明每转切深和 掘进速率均随岩石强度的提高而降低。 ( 2 ) 盾构掘进过程中，刀盘扭矩、推力、每转切深、掘进速率及点荷载强度等的变化 均服从正态分布。 ( 3 ) 3 3 具的最高峰值荷载约为平均荷载的4 o 5 0 倍，最大峰值荷载发生在滚刀与岩 石接触的每一瞬间，此时对滚刀和刀盘产生一定的冲击作用，且转速越高，冲击作用越 强。 高为国川根据金属切削过程的微观变形特点，分析了切削刀具的磨损形式和磨损机 理，并结合国内外切削刀具的研究成果，运用现代磨损理论，进一步探讨了金属切削刀 具的抗磨方法和抗磨机理。 陈超2 2 】【2 3 1 等通过对刀具磨损状态与影响因素间因果关系的分析，利用m a t l a b 中的 n e u r a ln e t w o r kt o o l b o x 仿真环境和b p 模型算法建立了用于刀具磨损状态分析与控制的 神经网络模型，详细论述了模型结构的设计、数据处理、网络初始化、训练与仿真的过 程。实际表明，基于m a t l a b 的刀具磨损状态分析能有效地提高效率及直观地显示结果， 对提高机械加工效率与加工质量其有积极作用。 王令其和屈、波【2 4 1 ，介绍了以p c 机为后台，以双单片机为前台的刀具磨损状态识别 系统。经实践测试，该系统能较准确的评估刀具磨损，作出换刀决策。 刘强【2 5 】采用偏最小二乘回归方法，根据变量重要性指针分析和因子载荷分析，从8 个变量及其组合中筛选出了6 个用于建模的自变量，并以后刀具磨损量作为因变量，建 立了对所选自变量( 切削速度v 、切削分力的均值f x 、f y 、f z 和分力比值f y f x 、f z f x 等) 的偏最4 - - 乘回归模型，该回归模型可以较满意地计算出不同切削条件下刀具后刀 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 面的磨损量。 赵小林等f 2 6 】通过建立刀具磨损时的切削力信号奇异性指数与刀具磨损状态的对应 关系，利用小波变换对切削力信号进行分析，实现了对刀具磨损的间接测量。为现场刀 具磨损的检测提供了一个优良的办法。 1 3 2 国外研究现状 对刀具与土体、岩石相互作用始于接触现象，1 8 8 1 年，h e r z 分析了物体的接触现 象2 7 】【2 引，在达到临界荷载时，将产生裂纹并向物体内部延伸，这是分析工具侵入的理 论基础。 1 8 8 5 年，j b o u s s i n e s q 关于半无限大物体边界上作用集中力的弹性力学解【2 7 】【2 8 1 ， 为研究压头作用下的岩石应力及变形分布规律提供了坚实的力学基础。 c h e a t h a m ( 19 5 8 ) 1 2 9 1 ，p a r i s e a u 3 0 并- 1f a i r h u r s t ( 19 6 7 ) 1 31 1 ，m i l l e r 和c h e a t h a m ( 19 7 2 ) 3 2 】 等都基于塑性力学的滑移线场理论，研究了压头作用下材料的塑性破坏理论，为后人的 研究提供了理论基础。 t e a l e 3 3 】【3 4 1 于1 9 6 5 年提出了l k 能( s p e c i f i ce n e r g e ，以下用s e 表示) 的概念，并解释 了其物理意义。他将比能分成推力作用比能s e t h 删( 由推力产生) 和旋转作用比能s e 删 ( 由扭矩产生) 两部分。研究发现，旋转作用的比能s e 删要比推力作比能s e 。h r e a t 大的 k 多，因此，计算总比能时，s e t i 。删可以忽略不计。但是，推力f n 产生岩石切削的一个 必要的重要参数：当f n 较小时，刀刃只克服刀具一岩石问的摩擦，而不产生切削作用( 压 碎和形成碎片) 。随着f n 的增大，由初始自由研磨作用，在f n 较高时产生碎片，随推 力的增大，碎片尺寸变大，伴随着比能的降低。因此，扭矩对比能的贡献较大，而推力 贡献很小，但它是刀具产生切削作用的一个重要的诱导因素。 h a r t m a n 于1 9 6 6 年通过钻削试验研究了切削碎片的形状和体积，发现：对硬砂岩， 起初形成较大的碎片，随后碎片尺寸变小；对软砂岩，切削中产生较人程度的压碎，而非 剥离碎片：硬砂岩的破碎量大于软砂岩，而尺寸分布，硬砂岩则小于软砂岩。t e a l e 后来 的研究也证实了h a r t m a n 的观察。 h a n d e w i t h 3 5 1 ( 1 9 7 2 ) 和f a r r n 一3 6 1 ( 1 9 8 7 ) 研究了掘进过程中法向力f n 和切向力f n 的 操作关系。在进行刀盘设计时，法向力和切向力分别有其最大界限值，在不超过最大值 的前提下，调整法向力f n 和切向力f n 的比例关系，可以将机械能量最大限度地传递， 从而使刀盘达到最优的切削状态。 1 9 8 2 年，h o w a r t h 3 7 1 和r o x b o r o u g h f 3 8 】研究了岩体节理的数量、开度及频度对切削的 影响。发现：节理间距较小( 频度大) 能降低法向切削力和切向切削力达5 0 ：而且刀刃角 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 越大，这种效应就越明显，刀具越钝，节理的存在越有助于切削。这是因为在节理岩石 中在较低的应变下允许拉伸破裂，而在完整岩石中则不具备这一条件。 日本早稻田大学小泉淳等学者们曾进行了多个盾构室内相似模型试验。意大利某试 验单位曾采用铅化物、重晶石粉等与石膏的混合材料制备岩土介质相似材料模拟岩土地 层。口本入江健二、末富裕二、河越藤对半藏门线的清澄工业区侧部现行的三连拱盾构 区间隧道的结构进行了室内相似模拟试验。原列宁格勒铁道学院曾对单跨双层的地铁车 站结构进行了室内相似模拟试验。 1 9 9 3 年m e h m e tc i g l a 介绍了地下掘进机的力学数值模拟模型，针对不同地质条件 的地层参数，建立地下掘进机以及其刀盘设计尺寸等相关参数，对地下掘进机的设计提 供相关依据。 d e a v e s 和c r i p p s ( 1 9 9 4 ) 的研究表明：在富含粘土的因素地层中水压力是制约刀盘 切削及渣料输送的重要因素。 r o s t a m i ( 1 9 9 7 ) 采用常截面滚刀建立了半经验的理论模型。研究认为：若滚刀与岩石 面接触区的压力分布已知，然后在接触面积上进行积分，即可得切入压力。 r i c h a r de d w a r dg e a s c h ( 2 0 0 0 ) 研究了与岩石的坚韧程度与滚刀切削的关系。他把韧 度( t o u g h n e s s ) 定义为切削岩石困难程度的一种度量，认为：韧度不是岩石本身独有的 特性，而是综合利用岩石物理力学性质与切削参数所得出的一个反映岩石可切削性的指 标。 z x z h a n g ，s ，q k o ue ta 1 ( 2 0 0 2 ) 针对1 7 5 m 钻孔机0 2 8 0 m m 镶齿滚刀进行了受 力测试研究。 b n i l s e n ( 2 0 0 7 ) 【3 9 】利用岩石磨损性标准试验，对砂土层的土体样本进行试验，提出 检测砂土磨损性的试验方法，对地下工程设计及施工提出指导意见。 1 4 盾构掘削机构介绍 1 4 1 刀盘的构成及功能 掘削刀盘即作转动或摇动的盘状掘削器，由掘削地层的刀具、稳定掘削面的面板、 出土槽口、转动或摇动的驱动机构、轴承机构等构成。刀盘设置在盾构机的最前方，其 功能是既能掘削地层土体，又能对掘削面起一定支承作用从而保证掘削面的稳定。如图 1 1 所示施工人员正在进行刀盘推进结构的拼装。 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 盾构拼装现场 f i g1 1i n s t a l l m e n to fs h i d d 1 4 2 刀盘与切口环的位置关系 刀盘与切口环的位置关系有三种形式。第一种形式是刀盘位于切口环内的情形， 该形式适用于软弱地层；第二种形式是刀盘外沿凸出切口环的情形，该形式适用的土质 范围较宽，故用得最多；第三中形式是刀盘与切口环对齐，位于同条直线上的情形， 适用范围居中。 1 4 3 刀盘形状