（机械制造及其自动化专业论文）盾构机刀盘设计参数的适应性研究.pdf

中文摘要 近年来，随着科学与技术的不断发展，人们对空间需求已经从地上逐步发展 到地下，开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机。而刀盘设计是全断面 隧道掘进机的设计关键，是影响其掘进性能的决定性因素。特别是刀盘开口率需 根据地质条件和施工要求进行适应性设计，属复杂工程系统设计问题。掌握刀盘 适应性设计关键技术，提高自主创新设计与制造能力，具有重要的战略意义。 基于上述工程背景，在国家重点基础研究发展计划项目( 9 7 3 项目) 的资助 下，本文首先研究了影响刀盘设计的关键因素，改性土的流体力学参数和本构模 型，构建了刀盘适应性研究的四联体模型，进行了刀盘开口率的适应性计算和分 析。刀盘参数的适应性设计内容较广，本文仅研究了其中部分内容，主要内容包 括： 1 综合分析了砂土和粘性土的物理、力学模型，并对改性土的本构模型及 参数进行了分析比较，选取用于改性土数值计算的本构模型。 2 研究了非牛顿流场的分析方法，采用计算流体力学的基本原理，对改性 土在刀盘、泥土舱及螺旋输送机内部的流场进行了分析和研究。 3 研究了基于b i n g h a m 流变特性的刀盘设计分析模型，构建了刀盘设计的 四联体计算模型，给出了刀盘开口率的优化方法，借助施工现场监测，验证了四 联体计算分析模型的正确性与可行性。 4 基于四联体计算模型，运用二维和三维的全流场数值模拟法，分析了刀 盘旋转和重力与界面压力和速度场的作用关系。 5 研究了前处理建模软件g a m b i t 的j o u r n a l 命令，提出参数化建模的方法， 并建立了土压平衡式盾构机刀盘的参数化模型。 6 建立了刀盘刀具的力学模型，利用有限元分析软件a n s y s 完成了刀盘刀 具在不同掘进工况和设计方案下的静态数值模拟和参数优化。 本文的研究工作对于土压平衡式盾构机刀盘参数的适应性设计具有指导意 义。 关键词：盾构；刀盘设计：地质适应性；开口率；参数化；计算流体力学 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a s ，w i t hs c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lp r o g r e s s ，p e o p l e sd e m a n df o rs p a c e h a sb e e ng r a d u a l l yd e v e l o p e df r o mt h eg r o u n dt ou n d e r g r o u n d ，t h em o s ti m p o r t a n t t o o lt oe x p l o i ta n du t i l i z eu n d e r g r o u n ds p a c ei ss h i e l dm a c h i n e h o w e v e r , b e i n ga c r u c i a lf a c t o ri ni n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs h i e l dm a c h i n e ，t h ec u r e r h e a dd e s i g n i so n eo ft h ek e yi s s u e so fs h i e l dm a c h i n e e s p e c i a l l y , t h ea p e r t u r er a t i oo ft h e c u t t e r h e a dn e e d st ob ed e s i g n e da c c o r d i n gt og e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dc o n s t r u c t i o n r e q u i r e m e n t so fat u n n e l i n g t h u st h ec u a e r h e a dd e s i g ni s ac o m p l e xi s s u eo f e n g i n e e r i n gs y s t e md e s i g n i ti so fi m p o r t a n ts t r a t e g i cm e a n i n gt os t u d yt h ek e y t e c h n o l o g i e sa n di m p r o v ei n d e p e n d e n ti n n o v a t i o nd e s i g nc a p a b i l i t yo f t h ec u r e r h e a d b a s e do na b o v ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d sa n ds u p p o r t e db yn a t i o n a l k e yb a s i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o j e c t ( 9 7 3p r o g r a m ) ，t h i sp a p e rf i r s t l ys t u d i e s t h ek e y p a r a m e t e r s w h i c hi n f l u e n c et h ec u t t e r h e a d d e s i g n , t h eh y d r o d y n a m i c p a r a m e t e r sa n dc o n s t i t u t i v em o d e lo fm o d i f i e ds o i l t h e nc o n s t r u c t st h ef o u r - b o d y c o n j o i n e dm o d e lf o rt h ea d a p t i v ec u t t e r h e a dr e s e a r c ha n dp r o p o s e sa na d a p t i v e c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sm e t h o df o rt h ec u r e r h e a dd e s i g no fe p b t h ec u t t e r h e a d d e s i g ni saw i d ei s s u e ，a n do n l yap a r ti ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lm o d e l so f t h es a n da n dc l a yw e r ec o m p r e h e n s i - v e l ya n a l y z e d c o n s t i t u t i v em o d e la n dp a r a m e t e r so ft h em o d i f i e ds o i lw e r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e d o nt h eb a s i so ft h e s e ，c o n s t i t u t i v em o d e lo ft h em o d i f i e ds o i lw a s s e l e c t e d 2 t h ea n a l y s i sm e t h o do fn o n - n e w t o n i a nf l u i dw a ss t u d i e d b a s e do nt h eb a s i c p r i n c i p l e so fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t h ef l o wf i e l dm o d e li nt h ec u t t e r h e a d ，t h e s o i lc o m p a r t m e n ta n dt h es c r e wc o n v e y o rw a sc o n s t r u c t e da n ds t u d i e d 3 t h em o d e lo fc u t t e r h e a dd e s i g na n da n a l y s i sb a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so f b i n g h a mf l u i dw a ss t u d i e d t h ec o m p u t i n gm o d e lo ff o u r - b o d yc o n j o i n e df o rc u r e r - h e a dd e s i g nw a sc o n s t r u c t e d am e t h o dw h i c hc a r lo p t i m i z et h ea p e r t u r er a t i oo ft h e c u t t e r h e a dh a sb e e np r o p o s e da n di t sc o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yh a sb e e nv e r i f i e d t h r o u g hc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n go nt h es p o t 4 b a s e do nt h ec o m p u t i n gm o d e lo ff o u r - b o d yc o n j o i n e d ，t h ei n f l u e n c eo ft h e r o t a t i o no fc u t t e r h e a da n dg r a v i t yo nt h ei n t e r f a c ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yf i e l dw a s s t u d i e db yt h ee n t i r e2 da n d3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wf i e l d 5 s t u d yt h ej o u r n a ll a n g u a g eo ft h em o d e l i n gs o f t w a r eg a m 暇i t b r i n g f o r w a r dt h em e t h o do fp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g 1 1 1 ep a r a m e t e r i z e dm o d e l i n go ft h e c u t t e r h e a df o re p bw a se s t a b l i s h e d 6 t h e m e c h a n i c a lm o d e lo ft h ec u t t e r h e a da n dc u t t e rw a sc o n s t r u c t e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h ec u t t e r h e a dw a sd o n eb yt h e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s 1 1 1 es t u d yo ft h i sp a p e rm a k e sag r e a ts e n s et ot h ea d a p t i v er e s e a r c ho ft h e c u t t e r h e a df o re p b k e yw o r d s ：s h i e l d ，c u t t e r h e a dd e s i g n ，g e o l o g i c a la d a p t i v e ，a p e r t u r er a t i o ， p a r a m e t e r i z a t i o n , c f d 独创性声明 土人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘堂或其他教育机构的学位或证 书焉使用过的材料。与我亏工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了谢意。 学位论文作者签名：专两最签字日期：易哆年。加口阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞苤堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 专两欠 签字日期：力哆年护月口尹目 导师签名： 签字目期：9 甲年d 月d 涉目 乍 第一章绪论 1 1 课题的工程背景 第一章绪论 进入2 l 世纪，世界经济的迅速发展加速了城市化建设。随着我国城市化进 程的加快以及城市基础建设的发展，大城市的交通问题日益严峻，改建、新建的 市政管线工程以及由此产生的共同沟通技术也日益增多，这都极大地促进了隧道 及地下工程建设的发展和应用。 盾构掘进技术是地下隧道建设采用的一项先进技术，当今世界三大海底隧道 工程：英吉利海峡隧道( c h a n n e lt u n n e l ) 、丹麦海峡隧道( g r e a tb e l tt u n n e l ) 和东京 海底隧道均采用了盾构掘进技术，显示出了盾构技术的巨大优越性和技术潜力， 在发达国家隧道及其它地下工程中也较多采用。 发达国家的大城市发展的经验教训说明地面空间、地下空间与上部空间协调 发展的城市立体化再开发，是城市中心区改造的唯一现实的途径，充分利用地下 空间是城市立体化开发的主要组成部分。当今发达国家已把地下空间开发利用作 为解决城市人口、环境、资源三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施 可持续发展的重要途径【堆】。 我国一些发达地区己经进入了大规模开发利用地下空间的时代。地下空间的 利用包括建设地下交通系统( 如地下铁道、地下道路系统、地下停车场) ，地下公 用设施系统( 如地下供水管道、河流污水管道、地下供电和通信电缆通道、地下 煤气管道) ，地下防灾系统，地下商业街等。其中，地铁的建设将是我国2 1 世纪 城市地下空间开发的重点。目前，北京、上海、广州、深圳、南京、天津、杭州、 青岛等城市地铁正在修建，另外，重庆、武汉、南京等地的长江隧道也在修建之 中。隧道与地下工程专家已预言，2 1 世纪必将是我国隧道与地下工程建设的高 峰阶段【2 】o 然而，由于地下工程地质环境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程中灾害事故 的突发性以及对环境影响的控制难度，加之盾构法是一项复杂的技术，其理论还 待进一步完善，决定了盾构地下施工时建设质量、安全性的控制和管理的难度比 地上工程高得多，总会引发不同程度上的地层变形，且地层变形与盾构设备性能 及盾构施工工艺等诸多因素直接相关。这样一来，如何分析已建盾构隧道施工阶 段发生的问题并预测将来新建隧道可能遇到的问题，掌握成熟的盾构机刀盘设计 第一章绪论 理论，已成为亟待解决的研究重点【3 j 。 模型试验、数值模拟与仿真技术的兴起是2 0 世纪后半叶最重要的科技进步 之一，它紧随科学试验与理论分析之后，己成为人类认识世界最重要的手段。它 融合了理论分析和科学试验的特点，主要用来解决以下两类问题：不可能进行实 验的问题以及进行实验代价太大的问题。随着计算机技术和计算方法的不断发 展，它目前已不仅仅局限于传统科学计算，而且正被广泛应用于科学研究、工程 与生产领域以解决各种复杂问题【4 】。 1 2 盾构机类型及其工作原理 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【5 一。自从1 8 2 3 年，世界上第一台盾构掘进机在英国诞生以后，己 有1 8 0 多年的历史，经过大量施工实践和不断的技术改进，尤其是近3 0 多年技 术快速发展，使盾构掘进机技术发展日趋完善，能适应各种恶劣的地质条件和施 工环境，保证隧道施工质量。现根据盾构掘进机对土层稳定采取的技术措施和对 土层采用的施工方法不同，将盾构掘进机进行如下分类( 见图1 1 ) ，可供盾构掘 进机选型参考【，q u j 。 詹构掘进机 厂手掘式后构掘进机 l 全开馘谍僦 l l 机械式后构掘进机 r 挤压式詹构掘进机 罄分开放式_ l 网格式詹构掘进机 fi 接控制型泥水平衡后构掘进机 厂汜懒后构掘进机 i i f e 3 搀控制型泥水平衡后构掘进机 j 封闭式 1，誓通型土压平衡月瞒掘进机 ii 1 土压平衡肭掘 进机j 加泥型土压平衡盾构掘进机 i 加水型压平衡盾构掘进机 i l 泥浆型土压平衡詹构掘进机 r 泥水平衡复台詹构掘进机 i 复合型 土压平衡复台詹构掘进机 i l 全开放式复台盾构掘进机 其它 图1 - 1 盾构掘进机分类 土压盾构与泥水盾构是目前最为常用的能够转动掘削的两种盾构类型，并且 各自又衍生出许多新的种类来。如图1 - 2 和图1 3 所示。土压盾构通过向掘削下 来的弃土中加入泥浆或气泡等材料，使得其具有流塑性从而能被螺旋输送机排 第一章绪论 出，而泥水盾构则是采用水力泥浆排除方式，具有压力的膨润土泥浆从地表泥浆 站通过管道向下输送到隧道内盾构机的压力舱室。 三簪二e | 1 | | 隰|十*e8：。4延l犍 图1 4 土压平街式盾构施工适用的地层界限 土压平衡式盾构机的组成 第一章绪论 以下以德国海瑞克土压平衡式盾构机为例分析盾构机的组成及工作原理。 盾构机主要由9 大部分构成，他们是盾壳、刀盘、刀盘驱动、双室气闸、管片拼 装机、排土机构、后配套装置，电气系统和辅助设备，见图l 一5 。 】瑚2 月t g 自3 - 后先4 - 进簟5 - 人i t 十_ 管月女# n7 。冀g m 图i - 5 盾构机构造 ( 1 ) 盾壳 盾壳是一个用厚钢板焊接而成的圆筒，是盾构受力支撑的主体结构。其作用 是承受地下水压和地层土压力，起l 临时支护作用，保护设备及操作人员的安全； 承受盾构千斤顶的水平推力及各种施工荷载，使盾构在土层中项进，是盾构各机 构的支承和安装基础。 盾壳主要包括切口环( 前盾) 、支承环( 中盾) 和尾盾三部分。 但) 刀盘 刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土 体，如图1 6 所示。刀盘有封闭型和开放型之分。封闭型切削刀盘由辐条、切削 刀具、进土槽和面板等构成。辐条的布置有多种形式，如y 形、十字形、米字 形等。进土槽的形状有从切削川盘中心部分到外围部分宽度一致的和越到外围部 分宽度越大的两种。进土槽的宽度是根据切自土砂堵塞情况或砾石的最大直径等 决定。但一般采用2 0 0 5 0 0 m m 之问较多，刀盘的开口率多为1 5 4 0 左右，但 在砂砾地层中有时也有高达5 0 以上的。开放型切削刀盘是由切削刀具和加筋辐 条构成，辐条在盾构直径小时多为3 4 根在中口径时大多为5 根。 第一章绪论 国1 6 切削刀盘 ( 3 ) 刀盘驱动支承机构 刀盘驱动支承机构用以驱动刀盘旋转，以对体进行挤压和切削。其位于盾构 切口环的中部。主要由驱动支承轴承、大齿圈、密封支撑、带轴承的小齿轮、减 速器及马达等组成。 刀盘支承方式有中心支承式、中间支承式和周边大轴承支承式，如图l - 7 。 ! 一!i 焉1r 了三r ；一鼻。i 二；专自= = = j ，= 二一 f ! 丢i 萎。i i 妻。 自0 女# 目 - 十l e # ! 圈1 7 刀盘支承方式 ( 4 1 管片拼装机 管片拼装机的功能是准确地将管片放到恰当的位置上并能安全且迅速地把 管片组装成所定形式。因此它需具备以下三个动作：即能提升管片，能沿盾构轴 向平行移动，能绕盾构轴线回转。相应的拼装机构为举升装置，平移装置和回转 装置。 ( 5 ) 排土机构 盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机，碴土由螺旋输送机从 泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输至第四节台车的尾 部，落入等候的碴土车的土箱中，土箱装满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井， 龙门吊将上箱吊至地面，并倒人碴土坑中。 ( 6 ) 后配套设各 后配套设备主要由以下几部分组成：管片运输设备，四节后配套台车厦其上 面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、 膨润土设备、循环水设各及通风设备等。 第一章绪论 1 2 2 土压平衡式盾构机工作原理 盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢 壳，所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆【1 4 1 。土压平衡式盾构机是在普通 盾构机的基础上，在盾构中部设置一道密封隔板，使密封隔板与开挖面土层之间 形成一个密封泥土舱，即所谓的压力舱，刀盘在压力舱中工作。因此，土压平衡 式盾构机主要由盾壳、刀盘、密封隔板、螺旋排土器、盾构千斤顶、管片拼装机 以及盾尾密封装置等构成。土压平衡式盾构工作时，盾构由盾构千斤项向前推进， 由刀盘切削下来的泥土充满压力舱和螺旋排土器壳体内的全部空间，并依靠充满 的泥土来支护开挖面土层的水、土压力。通过调节螺旋排土器转速控制排土量， 同时通过调节千斤项推进速度控制开挖土量，使盾构机排出土量和开挖土量保持 或接近平衡，以保持开挖面地层的稳定和防止地面变形。由于土质特性和工作压 力不同，螺旋排土器排土效率亦不相同，盾构机工作时，实际上通过调整排土量 或开挖土量来直接控制压力舱内的土压，使其与开挖面地层的水、土压力相平衡， 从而使开挖面土层保持稳定，这就是土压平衡式盾构的基本工作原理【1 4 , 1 5 】。图 1 8 所示为土压平衡式盾构机的基本结构和工作原理简图。 开 图1 - 8 土压平衡式盾构机的工作原理图 1 2 3 土压平衡式盾构机界面稳定性控制 土压平衡式盾构法施工保持开挖面稳定有以下几个必要条件 i , 1 3 1 6 】： ( 1 ) 压力舱内的泥土压力必须可以抵抗开挖面上的土压力、水压力； ( 2 ) 必须可以利用螺旋输送机等排土装置来调节排土量，使之与开挖土量保 持动态平衡； ( 3 ) 切削下来的渣土必须具备或者可以改良成为具有一定的塑性流动性和 防渗性的弹塑性体，能够充满压力舱以稳定开挖面，并且达到止水效果防止地下 第一章绪论 水涌入隧道的。 土压平衡式盾构机在掘进过程中，以开挖面的土压力控制和切削土砂的添加 剂管理( 塑性流动化控制) 为主，但排土量的控制也尤为关键【1 6 1 。图1 - 9 为土压 平衡式盾构机界面稳定性控制流程图。 (掘进面控制) - - 。- - _ 。_ _ 。_ - ，_ _ _ _ - - _ _ 。_ - 。_ 。_ 。_ _ ， 图1 - 9 土压平衡式盾构机界面稳定性控制流程图 土压力控制采取以下两种操作模式： ( 1 ) 控制排土量的排土操作控制模式，即通过土压传感器检测，改变螺旋输 送机的转速控制排土量，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时盾构的推进速 度人工事先给定； ( 2 ) 控制进土量的推进操作控制模式，即通过土压传感器检测来控制盾构千 斤项的推进速度，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时螺旋输送机的转速人 工事先给定。 上述两种操作模式在实际施工中同时使用。 第一章绪论 1 3 盾构机掘进技术研究现状 1 3 1 国内外盾构技术现状 全断面隧道掘进机【2 ，5 ，6 ，1 7 1 ( f u l lf a c et u n n e lb o r i n gm a c h i n e ) ( 简称盾构) 的设 计生产主要集中在美、日、欧等发达国家和地区。据统计全球已累计生产各种盾 构8 0 0 0 多台，已分别在几十个国家使用。主要生产厂家有日本三菱重工 ( m i t s u b i s h i ) ，川1 崎重- l - ( k a w a s a k i ) ，日立( h i t a c h i ) ，德国海瑞克( h e r r e n k n e c h t ) 公 司及维尔特( w i r t h ) 公司，此外瑞典的阿特拉斯科普科( a t l a sc o p c o ) 公司和英国的 詹姆斯豪登( j a m e sh o w d e n ) 公司及马克海姆( m a r k h a m ) 公司，加拿大的拉瓦特 ( l o v a t ) 公司等也生产了很多盾构。在盾构技术性能方面，日本盾构工法发展较快， 可以说2 0 世纪8 0 年代以来，日本无论是新型盾构工法的开发( 双圆、三圆、椭 圆形、矩形，球体盾构，母子盾构、地中对接技术等很多新工法、新工艺源于日 本) ，还是施工机械盾构机的数量等均名列前茅。这主要是因为日本经济、城市 快速发展的原因。日本尤其是在土压平衡式和泥水式盾构【l8 】的发展领先于其他国 家。 德国的盾构技术发展也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，在保证密封 和高达0 3 m p a 气压条件下可更换刀盘上的刀具，从而提高了盾构的掘进长度。 总的说来日本和德国处于世界领先水平，其先进性主要表现为： ( 1 ) 刀盘、刀具的适应性设计方面形成系统的理论和设计方法，能够依据 地质报告快速的设计出适应性强的刀盘刀具系统。英、德、日、法、美等国在长 期的实践探索过程中，形成了一套针对本国隧道地质条件的盾构设备设计理论、 盾构模拟试验方法和系统的经验数据。盾构地层适应性广，可用于硬岩、沙砾层、 卵石层、沙层和软土等各种地层； ( 2 ) 泥水盾构和土压盾构技术不断普及和推广，技术细节的不断完善、改 进及提高。基本实现了掘进、衬砌、排土施工工艺的全机械化和全自动化； ( 3 ) 掘进断面的形状多样化，尺寸变化范围较大。己生产出圆形、矩形( 图 1 - 1 0 ) 、双圆( d o t ) 型( 图1 1 1 ) 、三圆型、球型、h & v 水平及垂直( 横纵) 型、子母 型盾构等，径向尺寸从0 2 m - 1 8 m 。 第一章绪论 图1 - 1 0 矩形刀盘困i - 1 1 职圆刀盘 由于盾构施工法的安全性和先进性，盾构掘进机己广泛用于世界各国地铁、 铁路、公路、市政、水电磁道工程，尤其是在城市地铁隧道施工中得到越来越广 泛的应用。尽管近2 0 多年来盾构施工技术在我国得到了迅速发展，但与欧洲、 美国、日本等发达国家相比，我国使用盾构技术的历史还较短，施工经验较少， 尚无全国性的盾构隧道设计和施工的专门规范，加之我国地域广阔。工程地质条 件差异大，在地铁盾构工程设计与施工过程还存在许多问题需要研究解决。刀盘 系统设计方面，国内外主要采用相似模型实验、数值仿真和现场测试等手段，研 究特定刀具的破岩能力、岩土性质及温度等因素对刀具的影响、随机载荷作用下 刀具的疲劳寿命及对掘进效率的影响、刀盘系统整体强度、刚度及稳定性等问题。 目前对刀盘开1 ：3 率和界面稳定性及掘进效率关系等问题的研究尚不够深入，缺乏 对刀盘系统与地质的相互作用规律的足够认识，尚未形成完整的刀盘系统设计理 论与指标评价体系。 其中，最突出的问题就是缺乏盾构机刀盘设计的理论和方法，刀盘开1 3 率设 计与地层特性不相适应。因此，如何建立一套合理的盾构刀盘开口率与地层特性 相适应的刀盘设计的理论和方法，亦即“刀盘参数的适应性理论从而更好地 指导刀盘设计和施工，降低工程造价，已成为当前地下空间开发必须认真研究的 课题。为此，需要解决的问题主要有： ( i ) 如何选定与特定地层条件相适应的盾构机类型、刀盘结构和刀盘开口 率( 大小、位置、形状) ； ( 2 ) 在特定地层条件下，如何选定与地层特性相适宜的盾构机工作参数， 从而能确保开挖面的稳定性，使得地表不至于产生过大的变形，盾构施工对地层 产生的扰动最小； ( 3 ) 地层特性确定，如何设开口率使得盾构机的在掘进过程中操作参数对 界面稳定性的影响最小，敏感度晟低。 第一章绪论 1 3 2 刀盘的地层适应性 盾构法施工有一个最突出的特点就是适应性问题【2 2 1 ，针对不同的土质、不同 的施工条件和不同的要求，我们必须选用与之适应的盾构施工方式以及合理的盾 构机刀盘，这样才能达到事半功倍的效果；反之则可能使盾构施工出现问题，严 重的会使盾构施工失败，给工程造成巨大损失。所谓盾构法施工中刀盘的“地层 适应性 ，国内外目前尚未有明确的定义，本文结合国内外学者总结的盾构法施 工的经验和教训，对此作出了如下定义： ( 1 ) 刀盘刀具结构型式及刀盘开口率对地层的适应性 刀盘、刀具结构型式主要是针对地质条件设计的。刀盘、刀具结构型式主要 是指采用面板式刀盘还是辐条式刀盘、刀盘主轴的支撑形式( 中心支撑式、中间 支撑式和周边支撑式) 、各种不同型式刀具的组合及其在刀盘上的布置型式等。 刀盘开口率主要指开口大小、形状和位置，合理的选择开口率可以增强界面的稳 定性和掘进效率，因此必须根据地质情况及土层性质的不同，合理选择刀盘的结 构、刀具布局和开口率。 ( 2 ) 刀盘参数与工作参数之间的匹配性 盾构机的施工过程实际上是一个复杂的系统工程，为了保证系统的稳定性， 同时也为了提高机器掘进效率，盾构机的刀盘参数( 直径、开口大小、形状和位 置等) 和工作参数( 推力、推进速度、刀盘转速、螺旋机转速、土舱压力) 之间 需满足一定的匹配性。为此，应该选择受盾构机工作参数影响敏感度最低的刀盘 参数，使系统始终处于稳定的平衡状态。 1 4 刀盘参数的适应性研究现状 1 4 1 理论研究方面 h a n d e w i t h ( 1 9 7 2 ) t 1 9 1 ，f a r m e r ( 1 9 8 7 ) 2 0 】研究了掘进过程中法向力r 和切向力 f r 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 r 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。 尹吕超( 1 9 9 9 ) 总结了日本盾构隧道的新技术，并给出了各类不同地层条件下 适用的盾构机类型。张风翔( 2 0 0 4 ) 在盾构隧道一书中总结了盾构机的种类， 以及各种盾构机使用的地层条件。张成( 2 0 0 2 ) 总结了上海、广州、南京、深圳 等地的地质特点，给出土压平衡盾构对各类地层的适应条件，以及相应的刀盘、 刀具的结构型式，并给出了适应各类地层的刀盘大小。白中仁( 2 0 0 3 ) 介绍了适应 第一章绪论 广州地层特性的地铁3 号线盾构选型技术，以及相应的刀盘、刀具配制方案。何 其平( 2 0 0 4 ) 论述了适应南京的地层条件盾构类型，以及相应的盾构工作参数的 选择。邝诺( 2 0 0 2 ) 对适应北京地层特性的盾构技术做了论述。何伦( 2 0 0 3 ) 在分 析了各种刀具作用机理的基础上，并结合对当今世界不同地质条件下盾构施工实 例的分析，研究了与各种不同地质条件相适应的刀盘、刀具的组合。袁敏正( 2 0 0 4 ) 通过对广州地铁一、二号线盾构机适应性有关的刀盘扭矩等主要技术参数和刀具 布置型式的分析和研究，对其合理性进行了评价。张国京( 2 0 0 5 ) 对北京地区土 压平衡盾构的刀具适应性做了分析，并论述了刀具的选择与配置。 关于盾构机工作参数的匹配性研究方面，张厚美( 2 0 0 4 ) 结合广州市轨道交 通三号线【天河客运站一华南师大站】盾构区间隧道工程的施工，应用正交试 验技术对土舱压力、推力、刀盘转速等主要掘进参数对掘进速度、刀盘扭矩的影 响进行现场试验研究，并建立了土压平衡式盾构在软土中的掘进速度数学模型和 刀盘扭矩数学模型。杨洪杰( 2 0 0 6 ) 以盾构前方的隆起量作为主要控制量，讨论 了盾构各种控制参数的相互关系。 关于土体扰动与盾构工作参数的研究，赵华松( 2 0 0 4 ) 通过数值模拟，建立 了地面沉降与盾构覆土厚度( h ) 、盾构直径( d ) 、土层性质参数( e ，u ) 、土舱压 力( p ) 的经验公式。秦建设( 2 0 0 5 ) 利用f l a c 3 d 分别研究砂土地层和粘土地层中 土舱支护压力与地表变形的关系。邓忠义( 2 0 0 5 ) 结合上海复兴东路越江隧道盾构 施工大量监测数据，对盾构施工参数( 切口水压、送泥密度、排泥密度、推进速 度、刀盘力矩、千斤项项力、注浆压力、注浆量、土砂量、掘削时间和盾构平面、 高程、方位角、转角等) 与开挖面的稳定与平衡做了研究。m i t s u t a k a ( 2 0 0 2 ) 建立了 盾构操作、盾构特性、和地层特性之间的加载模型。 关于土体数值模拟方面，k a r m a k a r 等人( 2 l 】重点研究了对耕刀模拟时，由于 刀具作用引起的土壤大变形问题，提出利用流体动力学软件c f x 来模拟土体流 动，主要目的是通过将土体描述为b i n g h a m 粘塑性材料来确定刀具附近土体流 动的方式。 胡显鹏( 2 0 0 6 ) 【2 3 】以北京地铁四号线1 4 标段、五号线1 8 标段的土压平衡式 盾构施工为背景，探讨引起土压平衡盾构刀具( 7 3 盘) 磨损的因素，研究了砂卵石 地层土压平衡盾构刀具磨损特征、砂卵石刀具磨损系数及不换刀能掘进的最长距 离：从机械和土性改良两方面研究减少刀具( 7 3 盘) 磨损的方法。其中重点研究了 砂卵石地层盾构刀具减磨技术土性改良。介绍了添加剂的配制、选用，及其对 地质参数的适用范围。为了检验添加剂对土体的改良效果，对改良后的土体进行 了流动性试验；最后结合适合相似理论及正交试验等，给出了适合砂卵石地层的 添加剂，及添加剂的配置、选择和注入量的控制方法。 第一章绪论 1 4 2 模型试验研究方面 杨洪杰【2 4 】等建立大型盾构模拟试验平台和直径为1 8 聊的盾构机模型，在软 土、砂土及砂砾土地层进行了盾构模型的掘进试验。试验中模型机刀盘采用了 3 0 和7 0 两种不同的开口率，重点对模型盾构周围的土压力变化及刀盘开口率 对土仓内外土压力的影响进行了研究。另外，还研究了2 种不同刀盘开口率对盾 构推力和刀盘扭矩的影响。 吕强【2 5 】等介绍了模拟试验平台和针对两种不同形式刀盘的两次模拟试验，并 针对直径1 8 m 的土压平衡盾构模型机进行了刀盘扭矩计算。得出了土压平衡盾 构刀盘扭矩的计算公式。 徐前卫( 2 0 0 6 ) 【2 6 】针对北京地区的砂土地层，首先依据相似理论和模型试 验的原理进行了盾构掘进的模型试验设计随后在软、硬不同的地层条件下，进行 盾构机不同工作参数组合的掘进试验，试验过程中记录有关盾构机的掘进速度、 顶进推力、螺旋机转速、刀盘扭矩，以及地表面的变形和土体内部的应力变化过 程最后对试验结果进行分析，从中得出以下重要结论g 刀盘的开口率大小是施工 中的一个重要影响参数，其值的变化直接到影响土舱压力、土体附加应力、孔隙 水压力、千斤顶推力、刀盘扭矩以及推进速度等参数的大小。同样，在盾构机选 型、设计及施工中也应给予该参数以足够的重视。 张厚美 2 7 1 等应用正交试验设计技术，进行盾构掘进参数组合试验，采用多 元统计分析方法，对土仓压力、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。 国外美国、日本、欧洲等国均进行了许多室内相似模拟试验，如：日本早稻 田大学的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幽j 。 日本入江健二、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 5 问题分析及研究方法 面对盾构机刀盘适应性设计技术的迫切需求，不同的新技术、新理论、新方 法不断的被研究并应用于刀盘设计，促进了盾构机刀盘设计制造技术的快速发 展，推动了盾构机在工程施工中的运用，扩展了地质环境适应范围。发展空间越 第一章绪论 大，需求背景越广，面临的挑战也越多。由于盾构机刀盘设计问题的复杂性，地 质状况复杂，目前刀盘地质适应性研究理论还不够成熟，尚没有掌握完善的刀盘 地质适应性设计理论体系，造成盾构机刀盘设计制造周期较长，在施工过程中效 率较低、事故频发。刀盘设计中关键是刀盘开口率的设计问题，本质上讲，刀盘 设计就是刀盘参数的适应性问题，刀盘参数的匹配性问题。随着隧道工程对盾构 机精确施工预测、提高掘进效率、降低挖掘成本、适应更恶劣地质条件等更高要 求，需要对刀盘参数的地质适应性设计方法和技术深入研究。 目前，应用最为广泛的为土压平衡盾构机，而土压平衡盾构机的掘进过程中， 实际要根据地质状况的不同进行土体的改良，改良好的土体经刀盘开口流入泥土 舱然后从螺旋输送机排出，因此整个掘进过程中刀盘、泥土舱、排土器内的土体 是一种粘弹性的塑性流体，这样就可以用流体力学的理论加以研究。流体力学理 论的丰富和快速发展，使得一些复杂问题迎刃而解。特别是计算流体力学 2 9 - 3 2 】 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 的飞速发展，使得问题的处理进一 步简单化。近几十年来，计算流体力学逐步替代了经典流体力学中的一些近似计 算法和图解法，过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借 助c f d 手段在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、。分子输运等现象的 问题，凡乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一 个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、 海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。因此，我们可以借助计算流体力学对 刀盘设计参数进行适应性研究，通过对计算对象进行合理抽象和简化，就可得出 理论解。 刀盘设计参数的适应性研究也可以通过模型试验方法，实验测量方法所得到 的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然 而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能 很难通过试验力一法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨 大耗费及周期长等许多困难。所以对于这些受限制的问题的研究，我们可以先采 用c f d 手段在计算机上实现，然后通过缩尺试验验证，这不失为一种处理问题 的好方法。 c f d 的基本思路为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速 度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原 则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数 方程组获得场变量的近似值c f d 可以看做是在流动基本方程( 质量守恒方程、 动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟， 我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、 第一章绪论 温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定压力分布特性、 速度特性等关键参数的瞬态、稳态特性，从而为参数优化、设计提供理论依据。 1 6 本文的研究目标、内容及研究意义 1 6 1 课题来源 本课题来源于国家重点基础研究发展计划项目( 9 7 3 项目) “全断面大型掘 进装备设计制造中的基础科学问题”其中的子项目“岩土切削机理与刀盘设计理 论研究”( 课题编号：2 0 0 7 c b 7 1 4 0 0 2 ) 。 1 6 2 选题背景及意义 随着地下空间开发需求的持续高涨，盾构工法正越来越成为一种主要的施工 方法。由于我国盾构市场需求日益增大，而目前盾构技术多为国外所垄断，国家 每年需要拿出巨资进口盾构，因此研制具有自主知识产权的盾构已是当务之急 【3 3 3 5 】。同时，由于盾构掘进机不同于其它工程机械，它具有很强的针对性，往 往需要针对建造隧道工程的地质条件及其它要求进行设计制造，这种“适应性 理论和施工技术在盾构机的发展中显得格外重要。因为隧道等岩土工程的复杂性 和现有数学计算的局限性，物理模拟试验成了盾构掘进机设计和施工关键技术进 步的基础，是提高盾构可靠性的有效手段。我国目前尚没有适合我国国情的具有 适应性的设计和施工理论的指导，也没有系统的设计经验数据，系统的安装、调 试技术也未完全掌握，所以有必要建设高水平的盾构模拟试验平台，为完善系统 设计理论提供试验数据和指导思想。 尽管盾构工法的施工技术有了很大发展，但是由于各国、各地区地层特性的 差异，反映在盾构机工作参数上的变化也不尽相同，而盾构机设计参数的变化往 往又导致盾构机操作参数的对界面稳定性影响的敏感性增加。因此，本论文课题 “盾构刀盘设计参数的适应性理论研究”的研究背景主要是针对盾构在不同地层 中掘进时，盾构机刀盘设计参数与地层特性的适应性研究，研究刀盘开口率对刀 盘掘进效能、界面稳定性影响，提供一种从地质参数的获取土体改良刀盘设计 的设计理论，为刀盘的适应性设计提供参考和理论指导。所以，开展这方面的研 究，对于正确指导盾构机选型、刀盘设、提高掘进效率、合理施工及减小对周围 环境的影响具有重要意义。 第一章绪论 1 6 3 论文主要研究内容 1 综合分析砂土和粘性土的物理、力学模型，并对改性土的本构模型及参 数进行分析比较，选取用于改性土数值计算的本构模型。 2 研究非牛顿流场的分析方法，采用计算流体力学的基本