（机械设计及理论专业论文）盾构掘进过程数值模拟方法研究及应用.pdf

l ， c a n d i d a t e ：s h e nj i a n q i s u p e r v i s o r ：p r o f j i nx i a n l o n g m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y m a y , 2 0 0 9 指导下， 内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：婉建亏 日期：一乡年，6 月7 e l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密丘 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：包建豸 日期：叼7 年舌月i e l 指导教师签名： 日期抄尹占月 ： 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 所在 姓名沈建奇学号 0 0 5 0 2 0 2 0 3 0 机械设计及理论 学科 指导教j i i l j 金先龙 答辩 2 0 0 9 - 0 5 2 7 答辩 机械与动力工程学院主楼4 0 1 同期地点 论文题目 盾构掘进过程数值模拟方法研究及应用 投票表决结果：( r f ( 同意票数实到委员数应到委员数) 答辩结论：日通过 口未通过 评语和决议： 沈建奇的博士学位论文紧密结合工程实际，研究了盾构掘进过程的 数值模拟方法，对于盾构施工及盾构设备开发具有重要理论指导意义和 实用价值。论文取得的主要成果与创新点如下： ( 1 ) 提出了考虑盾构- 土体一构筑物相互作用关系的盾构稳态掘进过 程数值模拟方法，并将该方法运用于长江隧道工程的预测与分析。 ( 2 ) 提出了盾构刀盘切削土体过程的动态数值模拟方法，并将该方 法运用于大型泥水盾构模型试验。 ( 3 ) 提出了盾构宏观稳态掘进过程与刀盘局部动态切削过程相关联 的联合数值模拟方法，并将该方法运用于大型越江隧道工程的预测与分 析。 论文结构严谨，理论推导正确，仿真及实验数据可信。答辩过程中 思路清楚，回答问题正确。表明作者在本学科已掌握了坚实的基础理论 和系统的专业知识，具备独立从事科学研究的能力。论文达到了工学博 士学位论文的要求。 经答辩委员会投票表决，一致通过博士论文答辩，并建议授予沈建 奇工学博士学位。 山口7 年厂月，7 日 职务姓名 职称单位签名 主席 左曙光教授 同济大学汽车学院 概 答 郑松林教授上海理工大学机械工程学院 龛瞎林 辩 委员 委 委员 张建武教授上海交通大学 ， i 形逢孩 员 会委员 杨建国 教授上海交通大学 维汝a 成 彩南 员 委员杨培中 副教授上海交通大学 ， 签 委员 名 委员 秘忙 曹源 讲师上海交通大学秀撅 摘要 摘要 及应用 在城市地下空间建设中，盾构法由于其安全性、快速性、经济性 成为隧道建设的首选。然而，盾构法施工过程包含了复杂的物理力学 作用，如何准确预测地表沉降、开挖面稳定性、构筑物安全性、盾构 姿态、盾构刀盘扭矩等关键因素，以及如何分析各参数的相互作用关 系，成为当前盾构法安全性研究领域极为困难而又必须的工作。 本文在将盾构掘进的连续稳态过程离散成逐步稳态过程的基础 上，详细考虑并分析了盾构土体构筑物这一系统中的各影响因素，针 对盾构法施工过程的宏观稳态特性与局部刀盘切削的动态特性，提出 了盾构掘进过程的细致模拟方法，实现了对盾构法施工关键因素的预 测及对各参数相互作用关系的分析，并将这一方法在大型盾构隧道工 程领域得到了验证及应用。 盾构掘进过程中的宏观特性是盾构法施工的重要研究内容，通过 对盾构法施工过程中，盾构结构参数、工作参数、环境构筑物因素以 及施工因素的完整性考虑，建立了盾构一土体一构筑物系统的细致三维 有限元模型，提出了盾构稳态掘进过程的数值模拟方法。针对南京长 江隧道工程，实现了对地表隆沉、长江大堤隆沉、开挖面稳定性、盾 构姿态等宏观特性的预测。通过对盾构自重分布、机身结构坡度、推 进力大小及分布、盾构超挖、长江大堤自重及刚度的影响模拟，扩大 了在盾构选型、结构设计、参数匹配、构筑物安全性预测领域的应用。 除宏观特性外，盾构掘进过程的局部动态特性是另一项重要研究 内容，特别是盾构刀盘的动态切削过程，无论对刀盘结构受力或对开 挖面土层稳定性都具有重要影响。为了研究刀盘与土体之间的动态相 互作用关系，提出了刀盘切削土体的三维动态数值模拟方法。解决了 土体大变形、失效面的客观形成、切屑自然流动等难点问题。实现了 对多尺度模型的缩减、模型精细度的确定及地层应力场的初始化。通 过在大型模型盾构掘进试验平台的应用与验证，得到了刀盘结构的动 力学响应，探讨了模型网格精细度对结果精度的影响，分析了刀盘扭 矩、转速、加速度、土体强度参数之间的作用关系，为基于动荷载的 上海交通大学博士学位论文摘要 刀盘结构设计与刀盘选型提供一定的参考。 大量研究表明，盾构法施工改变了地层的原始应力状态，形成了 扰动地应力场，直观表现为地表隆沉。该扰动地应力场必然对刀盘结 构动态受力与开挖面动态稳定性产生了重要影响。因此，提出了盾构 稳态掘进与刀盘动态切削的联合数值模拟方法。将盾构稳态掘进数值 模拟形成的扰动地应力场作为研究开挖面动态稳定性与刀盘动态切削 特性的外部边界条件，反映了盾构法施工的实际工况。利用子模型方 法协调了模型网格精细度，控制了扰动地应力场传递的精度。通过在 上海崇明越江隧道工程试验段中的应用与验证，得到了扰动地应力场 分布以及刀盘扭矩的变化关系，为刀盘土层适应性研究、刀盘工作参 数控制提供了方法参考。 针对盾构掘进过程数值模拟的超大计算量需求，研究了s m p 与 d m p 并行计算平台下，盾构稳态掘进过程数值模拟的并行计算效率以 及盾构刀盘切削土体动态模拟的最佳并行分区策略。研究结果显示： 针对盾构稳态掘进过程数值模拟中，迭代法计算效率远大于直接法， 其中以a m g 、p c g 并行算法求解速度最快，d p c g 的最佳求解c p u 数为1 2 ；针对盾构刀盘切削土体动态模拟中，a l e 网格单元处理是影 响计算时间的主导因素，其次是动态耦合接触，基于r c b 分区方法的 矩形体分区策略达到了最佳并行计算效率。 关键词：盾构法，刀盘，a l e ，子模型方法，有限元，并行计算 b e c a u s eo fi t ss a f e t y , r a p i d i t y , e c o n o m y h o w e v e rt h e r ea r ec o m p l e xi n t e r a c t i o n sb e t w e e n p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lf a c t o r s p r e d i c t i o no fg r o u n ds e t t l e m e n t s ，c u r i n gf a c es t a b i l i t y , s a f e t yo fg r o u n ds t r u c t u r e s ，s h i e l dm o v e m e n t s ，e x c a v a t i o nt o r q u ei sv e r yh a r d b e s i d e s ， r e l a t i o n sb e t w e e nt u n n e l i n gp a r a m e t e r sa r es t i l lu n c l e a r i nt h i sp a p e r , t h ec o n t i n u o u ss t e a d y - s t a t ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fs h i e l dt u n n e l i n gi s d i s c r e t i z e dt oas t e p b y s t e ps t e a d y s t a t ep r o c e s s a l lr e l e v a n tc o n s t r u c t i o nc o m p o n e n t s a n df a c t o r sh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t af i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rs i m u l a t i n gs h i e l d t u n n e l i n gp r o c e s si sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，t h es t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i ci nm a c r o a s p e c ta n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci nl o c a la s p e c ta r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h e p o t e n t i a le n g i n e e r i n gv a l u eo ft h ep r o p o s e dm e t h o di s d e m o n s t r a t e db ya p p l i c a t i o ni n l a r g es c a l es h i e l dt u n n e l i n gp r o j e c t i ns h i e l dt u n n e l i n g ，m o s tr e s e a r c hw o r kf o c u so nt h ei m p o r t a n tm a c r o - p r o p e r t i e s b a s e do nt h ei n t e g r i t ya s s u m p t i o no fs h i e l d s o i l - s t r u c t u r es y s t e m ，a3 df m i t ee l e m e n t m o d e lf o rs h i e l dt u n n e l i n gi se s t a b l i s h e d i nt h i sm o d e l ，t h ei m p a c to fs h i e l ds t r u c t u r e ， o p e r a t i o np a r a m e t e r sa n de n v i r o n m e n t a l f a c t o r so ns h i e l dt u n n e l i n ga r et a k e ni n t o a c c o u n tb e s i d e sc o n s t r u c t i o nf a c t o r s a f t e rt h a t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o df o r s i m u l a t i n gs h i e l dm a c h i n e ss t e a d y - s t a t ea d v a n c i n gp r o c e s si si n t r o d u c e d i ti s f u r t h e r e m p l o y e di nn a n j i n gy a n g t z er i v e rt u n n e lp r o j e c tt op r e d i c tg r o u n ds e t t l e m e n t s ，f l o o d l e v e es e t t l e m e n t s ，c u r i n gf a c es t a b i l i t ya n ds h i e l dm o v e m e n t s i n v e s t i g a t i o no nt h e e f f e c t so fs h i e l dw e i g h td i s t r i b u t i o n , t h et a p e ro fs h i e l ds k i n , t h ep r o p e l l i n gf o r c e sa n d t h e i rd i s t r i b u t i o n ，t h eo v e r - c u to fc u t t e r h e a d ，t h ew e i g h ta n ds t i f f n e s so ff l o o dl e v e e e x t e n d sa p p l i c a t i o n si ns h i e l dm a c h i n es e l e c t i o n ，s h i e l ds t r u c t u r ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o n p a r a m e t e rm a t c h a n ds a f e t yp r e d i c t i o no fe n v i r o n m e n t a ls t r u c t u r ee t c b e s i d e sm a c r o p r o p e r t i e s ，l o c a l - p r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yt h ed y n a m i ci n t e r a c t i o n si n s o i l c u r i n gp r o c e s si ns h i e l dt u n n e l i n gi n f l u e n c et h ec u t t e r h e a dp e r f o r m a n c ea n dc u r i n g f a c es t a b i l i t yd r a m a t i c a l l y i no r d e rt oi n v e s t i g a t ed y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n d c u t t e r h e a d ，a3 dd y n a m i cn u m e d c a ja p p r o a c hf o rs i m u l a t i n gt h es o i le x c a v a t i o np r o c e s s i sp r o p o s e d i nt h i sa p p r o a c h ，l a r g ed e f o r m a t i o ni ns o i li sh a n d l e d ；s o i lf a i l u r e sa n df l o w s i i i 上海交通人学博士学位论文 摘要 a r ec a p t u r e d m e t h o d sf o rr e d u c i n gt h em o d e ls i z e ，i n i t i a l i z i n gt h es o i ls t r e s sa n dd e c i d i n g t h em e s hr e f i n e m e n to ft h i sm u l t i - s c a l es o i le x c a v a t i o np r o b l e ma r ei n t r o d u c e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs o i le x c a v a t i o np r o c e s si nal a r g es c a l em o d e lt e s tf o rs l u r r y s h i e l dt u n n e l i n gi sc a r r i e do u tt ov a l i d a t et h ep r o p o s e da p p r o a c h d y n a m i cr e s p o n s eo f c u t t e r h e a di so b t a i n e d t h ee f f e c to f m e s hr e f i n e m e n to nr e s u l t si sa n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ep a r a m e t r i cs t u d yo fc u t t e r h e a d - s o i li n t e r a c t i o n ，r e l a t i o n sb e t w e e nc u t t i n gt o r q u e ， v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n ds o i lp r o p e r t i e sh a v e b e e nd e r i v e d t h ef i n d i n g so ft h i sw o r kc a l l p r o v i d ear e f e r e n c ef o rc u t t e r h e a ds e l e c t i o na n dd e s i g n s t u d i e ss h o wt h a ts o i ls t r e s ss t a t ei sd i s t u r b e dd u r i n gs h i e l dt u n n e l i n g t h i sd i s t u r b e d s o i ls t r e s ss t a t ec a u s e sg r o u n ds e t t l e m e n t s ，a n db e s i d e s ，i ti m p a c t sc u t t e r h e a de x c a v a t i o n p e r f o r m a n c ea n dc u t t i n gf a c es t a b i l i t y t h e r e f o r e ，a j o i n tn u m e r i c a lm e t h o df o rs i m u l a t i n g t h es t e a d y s t a t ep r o c e s so fs h i e l dt u n n e l i n gi nm a c r oa s p e c ta n dd y n a m i ci n t e r a c t i o no f s o i le x c a v a t i o ni nl o c a la s p e c ti sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，t h ed i s t u r b e ds o i ls t r e s si st h e b o u n d a r yc o n d i t i o n f o r c u t t i n gs t a b i l i t ya n a l y s i sa n d c u t t e r h e a d s o i li n t e r a c t i o n s i m u l a t i o n s u b m o d e l i n gm e t h o di su s e dt oc o o r d i n a t ed i f f e r e n tm e s hr e f i n e m e n t sa n d c o n t r o lt h ep r e c i s i o ni nt r a n s f e r r i n gd i s t u r b e ds o i ls t r e s s v a l i d a t i o no f t h i s j o i n tn u m e r i c a l m e t h o di sm a d eb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs h i e l dt u n n e l i n gp r o c e s si ns h a n g h a i c h o n g m i n gy a n g t z er i v e rt u n n e lp r o j e c t r e s u l t ss h o wt h ed i s t u r b e ds o i ls t r e s sa n dt h e d e v e l o p m e n tc u r v eo fc u t t e r h e a de x c a v a t i o nt o r q u ew h i c hc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o r c u t t e r h e a da d a p t a b i l i t yi n v e s t i g a t i o na n do p e r a t i o np a r a m e t e r sc o n t r 0 1 i no r d e rt or e d u c et h el a r g ec o m p u t a t i o n a le f f o r ti ns h i e l dt u n n e l i n gs i m u l a t i o n ， i n v e s t i g a t i o no np a r a l l e lc o m p u t i n ge f f i c i e n c yi sc a r r i e do u t i ti sn o t i c e dt h a t ：o ns m p p a r a l l e lp l a t f o r m ，i t e r a t i v em e t h o d sa r ef a s t e rt h a nd i r e c tm e t h o da n dt h ei m p a c to f 缸c t i o n a lc o n t a c tb e t w e e ns h i e l ds k i na n ds o i lo nd i r e c tm e t h o di sg r e a t e rt h a ni t e r a t i v e m e t h o d s ；o nd m pp a r a l l e lp l a t f o 姗t h ei n c r e a s ei nc p un u m b e rd o e s n ta l w a y sc a u s e d e c r e a s ei nc o m p u t i n gt i m ea st od p c gs o l v e r ；w h e n12c p ua r eu s e d ，t h el e a s t c o m p u t i n gt i m ec a nb ea c h i e v e d b a s e do nt h er e s e a r c ho fp a r a l l e lc o m p u t i n ge f f i c i e n c y o fc u t t e r h e a d - s o i ld y n a m i ci n t e r a c t i o ns i m u l a t i o n ，i ti sf o u n dt h a t ：a l ee l e m e n t p r o c e s s i n gd o m i n a t e s t h et o t a l c o m p u t i n gt i m e ；t h e c u b e s h a p e d s u b d o m a i n s d e c o m p o s e db yr c bm e t h o de x h i b i t st h eb e s tp a r a l l e lc o m p u t i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：s h i e l dt u n n e l i n g ，c u t t e r h e a d ，a l e ，s u b m o d e l i n g ，f i n i t e e l e m e n t ， p a r a l l e lc o m p u t i n g 上海交通大学博上学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义 1 2 盾构掘进技术发展现状 1 3 盾构掘进性能及其数值模拟研究的发展现状 1 1 3 1 盾构掘进性能的研究对象及研究方法5 1 3 2 盾构掘进过程数值模拟研究现状l l 1 3 3 刀盘切削土体过程数值模拟研究现状1 6 1 4 大规模并行数值模拟方法简述 1 5 本文课题来源和主要研究内容 2 2 1 5 1课题来源2 2 1 5 2 主要研究内容2 2 第二章盾构稳态掘进过程数值模拟方法及应用2 5 2 1 引言 2 2 盾构及地层相互作用机理分析2 5 2 2 1 地层隆沉机理分析2 5 2 2 2 盾构掘进姿态稳定性分析2 6 2 3 盾构稳态掘进数值模拟方法及理论 2 7 2 3 1 刚度迁移法2 7 2 3 2 弹塑性土体本构2 8 2 3 3 地应力场初始化方法2 8 2 3 4 盾构与土体自适应接触算法2 9 2 3 5 多点约束( m p c ) 建模方法3 0 2 3 6 盾构掘进离散方法3 2 2 3 7 机身坡度及刀盘超挖模拟3 3 2 3 8 开挖面泥水压力模拟3 4 2 3 9 刀盘切削作用模拟3 4 2 3 1 0 注浆材料时空变化特性模拟3 4 v i 上海交通人学博上学位论文 2 3 1 1 拖车移动载荷加载 2 3 12 盾构推进力模拟。 2 3 1 3 有限元模型及边界荷载施加3 6 2 4 南京长江隧道工程应用 2 4 1 工程计算参数4 0 2 4 2 模型建模及边界条件4 4 2 4 3 结果分析4 6 2 5 本章小结 第三章盾构刀盘切削土体动态数值模拟方法及应用。5 2 3 1 引言 3 2 盾构刀盘与刀具 3 2 1 盾构机工作原理5 2 3 2 2 刀盘与刀具5 4 3 2 3 刀盘切削特点5 6 3 3 基于a l e 方法的刀盘切削土体动态数值模拟方法 动态显式时间积分算法5 7 a l e 理论方法一6 0 动态耦合接触算法6 l 非线性土体本构模型6 7 地层模型缩减及应力初始化6 9 多尺度网格精细度确定7 0 刀盘切削土体的数值模拟方案7 2 3 4 大型盾构模型试验应用7 4 3 4 1 工程概况7 4 3 4 2 物理模型试验平台介绍7 5 3 4 3 试验工况及参数7 8 3 4 4 模型建模及边界条件7 9 3 4 5 结果分析及方法验证8 3 3 5 本章小结。 第四章盾构稳态掘进与动态切削的联合模拟方法及应用。9 1 4 1 引言9 1 l 2 3 4 5 6 7 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 2 1子模型方法的应用9 l 4 2 2 联合数值模拟方案9 2 4 3 上海崇明越江隧道工程应用 4 3 1工程计算参数9 4 4 3 2 模型建模及边界条件9 5 4 3 3 结果分析及方法验证1 0 0 4 4 本章小结 1 0 5 第五章并行计算技术及其应用1 0 6 5 1 引言 5 2 并行计算环境 1 0 6 5 2 1 并行计算环境的发展10 7 5 2 2 曙光4 0 0 0 a 超级计算机10 9 5 3 盾构稳态掘进过程数值模拟的并行计算 1 1 0 5 3 1并行数值计算方法l ll 5 3 2 并行计算效率分析1 1 2 5 4 盾构刀盘切削土体动态数值模拟的并行计算 1 1 5 5 4 1r c b 并行分区方法1 1 5 5 4 2 并行计算效率分析1 18 5 5 本章小结 第六章结论与展望。1 2 1 6 1 工作总结 6 2 主要创新点 6 3 研究展望 1 2 1 1 2 2 1 2 3 参考文献。1 2 5 ；i ! l ：谢1 3 3 攻读博士学位期间完成论文及参与课题情况。1 3 4 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着我国经济的高速发展，社会工业化、城镇化程度的加大，最终导致城市 人口规模、密度不断增大。随之带来的是拥挤的建筑空间、交通空间等诸多的城 市问题。为了全面建设小康社会，满足人民群众对安全、舒适、快捷的交通需求， 促进和谐社会的可持续发展，需要对城市空间资源进行立体开发，即发展好地表 资源、利用好空间资源、开发好地下空间资源。可以预见，大都市隧道建设必将 有效地解决城市交通拥堵问题。 盾构机( 简称：盾构) 作为盾构法隧道施工的主要掘进工具，是集电子、液 压、机械、传感、信息等技术高度集成的技术装备，具有安全性、高效性、环保 性、经济性以及对环境影响小等工作特点，在隧道暗挖施工领域得到了广泛的应 用。经过百年来的发展，盾构机已经衍生出了适合各种水文地质条件下工作的不 同种类盾构机，促进了全方位的城市隧道建设。 从我国隧道建设里程来看，我国已修建铁路隧道6 8 7 6 座，长度3 6 7 0 公里， 居世界首位。特别是近两年以每年2 0 0 公里的速度快速增长。据国家有关部委预 测，截至2 0 2 0 年，我国将完成约6 0 0 0 公里的各类地下隧道建设。 从我国盾构机市场的需求来看，2 0 0 6 - 2 0 2 0 年的1 5 年间：我国将有2 0 余座 城市建设地铁，地铁盾构机总需约3 0 0 余台；铁路隧道和引水工程隧道盾构机需 约6 0 台；越江公路隧道工程需约2 0 台；市政管道施工盾构机需约1 0 0 台；总需 求量约为4 8 0 台，总耗资将达到3 0 亿美元l l 】。 据统计，全球目前己累计生产各种盾构机8 0 0 0 多台，主要的生产厂家有日本 三菱重工( m i t s u b i s h i ) 、川崎重工( k a w a s a k i ) 、小松制作所( k o m a t s u ) ，德国的 海瑞克( h e r r e n k n e c h t a g ) 、维尔特( w i r t h ) ，美国的罗宾斯( r o b b i n s ) 等。从目 前国内盾构机市场占有率来看，进口盾构机在国内占有约9 0 的市场，光德国海 瑞克一家就占了7 0 的市场。2 0 0 5 年以前我国使用的盾构机几乎全部从国外采购， 欧、美、日等国制造商始终垄断着中国市场。国内仅有沈重、上海隧道股份和二 重等为数不多的几家企业能作为分承包方。 2 0 0 2 年由上海隧道工程股份有限公司承担的“十五国家8 6 3 计划”课题： 矽6 3 4 m 土压平衡盾构和矽6 2 0 m 复合型土压平衡盾构，经过2 年的努力，设计 制造了国内第一台具有完全自主知识产权的矽6 3 4 m 土压平衡盾构“先行号n o2 0 0 6 年，隧道股份工程有限公司又设计了“先行2 号”，国产化率更达到了7 0 。与此 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 同时，国务院出台了关于加快振兴装备制造业的若干意见正式将盾构机产业 列为振兴装备制造业1 6 项重大专项之一。为盾构机的自主研发提供了政策保障。 综上所述，可以得出：1 、我国目前已经开始跨入世界隧道建设大国的行列， 并且在未来十年，将持续保持较高的隧道建设速度及建设里程。2 、从隧道建设的 安全性、环保性、经济性、高效性角度，盾构机将持续保持隧道主要施工机械地 位。3 、盾构机市场前景非常广阔。4 、盾构机自主研发、设计已经引起政府的重 视：企业开始尝试设计、制造具有完全知识产权的盾构机。基于以上认识，可以 认为采用新方法、新理论、新技术解决盾构机设计、盾构法施工中的问题成为当 前重要的研究方向。 计算技术的发展，数值算法、理论的成熟，进一步扩大了数值模拟技术在科 学研究、工程决策等领域的应用。特别是近年来，并行计算技术的发展，超级计 算机的应用，有力推动了数值模拟在大规模、复杂系统仿真领域的广泛应用。 本文旨在以最新的数值计算理论、方法结合并行计算技术，同时以重大越江 隧道工程为背景，提出了盾构稳态掘进与刀盘切削的联合数值模拟方法，研究了 盾构掘进过程的环境适应性、盾构工作参数、结构参数对环境的影响规律。通过 此研究工作，一方面可以为盾构结构的自主设计提供理论、方法参考；另一方面， 为盾构法隧道工程提供盾构机选型、盾构机工作参数设定、穿越特殊土层安全性 等提供决策参考。具体来说，通过此项研究工作的意义在于： 首先，盾构在掘进过程中，主要通过刀盘对开挖面土体的切削作用进行地层 开挖。由于土层分布极其复杂多变，盾构刀盘设计往往根据具体土层特性进行单 独设计。刀盘的主要结构设计参数，如刀齿布置方式、刀齿种类、刀齿形状参数、 刀盘开口率、刀齿种类的配合方式等都对刀盘的切削性能具有重要影响。而刀盘 的切削性能直接关系到盾构机的掘进效率，是整个工程能够顺利完成的重要因素。 同时刀盘的设计合理与否还直接影响到开挖面稳定性，继而对开挖面处周围环境 产生重要影响。特别当地表有建筑物存在时，将严重威胁到地表人民生命财产的 安全。因此，研究刀盘与土体的相互作用原理，不仅对盾构刀盘的结构设计具有 重要理论指导价值，而且对盾构法隧道的施工安全性亦具有重要工程参考价值。 其次，盾构实际掘进过程中遇到的地质情况复杂多变。最常见的情况可以分 为以下几种：( 1 ) 穿越中心城区，此时必须保证盾构在掘进过程中对地表建筑物 的影响要足够小。( 2 ) 隧道轴线临近存在其他重要设施，如隧道、市政管线、地下 建筑等。此时必须保证盾构的掘进对周围环境影响能够得到有效控制。( 3 ) 盾构 穿越浅覆、高水压、大深度等特殊地层段时，必须对盾构掘进过程中的各施工参 数进行合理控制，以防工程险情的产生。通过对盾构稳态掘进过程中，盾构工作 参数、结构参数、施工参数以及周围环境因素之间的相互作用关系的研究，为提 2 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 高盾构施工过程的事故防范能力提供决策参考。同时，也为盾构整体结构的设计 提供方法参考。 基于以上两个层面的盾构施工参数、工作参数、结构参数的研究，以期为更 好地理解盾构掘进过程中盾构系统与土体的相互作用机理提供参考，同时也为增 强我国盾构自主设计能力作一份贡献。 1 2 盾构掘进技术发展现状 盾构机诞生至今已有近2 0 0 年的历史，从最初的盾壳支护结合人工开挖模式， 发展到了全自动、集成化、精确定位、高度安全的掘进系统。现代盾构机主要有 盾壳防护系统、刀盘掘进系统、液压推进系统、电子监控系统、压力控制系统、 土体搅拌及排土系统、衬砌安装系统以及其他辅助系统等组成。随着隧道建设的 全方位进行，现代盾构掘进技术进步极为显著。除了发展常规用途盾构机外，各 种特殊用途、特殊功能盾构机同样发展迅速。 盾构机掘进的主要工作原理【2 】是：用一件有形的钢组件沿隧道设计轴线开挖土 体而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道建成前，主要起防护开挖出的土 体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件即为盾构，也代指盾构 机。盾构另一个作用是能够承受来自地层的压力、防止地下水或流沙的入侵。 根据盾构机平衡开挖面水土压力方法的不同，可以分为土压平衡式、泥水加 压平衡式、压缩空气平衡式、混合式、机械支撑稳定式、敞口开胸式等。从目前 盾构机使用数量及范围来说，基本上以土压平衡式及泥水加压平衡式盾构机为主。 其中泥水加压平衡式盾构机主要由盾壳、开挖机构、推进机构、送排泥浆机构、 拼装机构及附属装置组成，是目前各种盾构机中最复杂、最昂贵的一种。其适用 范围较大，多用于含水率较高的软弱土质中，是一种低沉降、较安全的施工机械， 其工作效率要高于土压平衡机。土压平衡式盾构机是在泥水加压平衡式盾构机的 基础上开发的一种新型盾构机，其主要由盾壳、开挖机构、推进机构、排土机构、 拼装机构及附属装置组成。土压平衡式盾构机主要通过控制土压仓内土压或土渣 量的相对平衡与稳定来进行工作。其广泛用于对冲积粘土、洪积粘土砂质土、砂、 砂砾、卵石等地质的施工，不需要分离装置，占地面积少。 从盾构机开挖断面不同，可分为插刀式、多断面式( 双圆、三圆、自由断面) 、 球体、矩形、椭圆形、马蹄形、半圆形盾构等。 按盾构机断面直径，可分为特大、大、中、小及微型盾构机；按控制方式分 有地面遥控( 微型盾构机) 和随机控制盾构机；按开挖方式有人工、半机械、机 械式开挖盾构机；按开挖断面有部分断面开挖和全断面开挖盾构机等等1 ) j 。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 盾构法施工过程，即以盾构机为主要挖掘工具，并配套各种辅助施工设施， 采用暗挖地下隧道的方法。构成盾构法施工的主要过程如下【4 】：先在隧道始发段建 立竖井( 始发井) ，供盾构机安装就位。盾构机从竖井墙壁开孔处出发，沿着设计 轴线穿越地层，并最终到达另一竖井( 接收井) 。盾构掘进过程中将地层阻力通过 推进千斤顶传至盾尾的已拼装完成的预制隧道衬砌结构，再传到竖井( 始发井) 的后靠壁上，如图1 1 为盾构法施工过程示意图。 图1 - 1 泥水盾构法施工示意图 f i g u r e1 - ls k e t c hm a po fs l u r r ys h i e l dt u n n e l i n gm e t h o d - 利用盾构法建设隧道，相对于其他施工方法的优点主要表现为：1 ) 除了始发井与 接受井处外，整个施工过程均在地下进行，其对地表扰动小，便于穿越城市建筑、 大堤等重要建筑区域施工。既不影响地面交通，也不产生额外噪音污染。2 ) 盾构 机推进、出土、管片拼装、开挖面