【摘要】：盾構(gòu)設(shè)備是現(xiàn)階段重要的大型隧道挖掘和鋪設(shè)機(jī)械,在今天中國各個(gè)城市地區(qū)都有廣泛的應(yīng)用。而應(yīng)用巖土振動(dòng)掘削技術(shù)能有效降低盾構(gòu)機(jī)械的掘削阻力和能耗。論文以巖土掘削減阻機(jī)理及規(guī)律為理論研究著眼點(diǎn),采用理論分析與有限元數(shù)值仿真方法,結(jié)合盾構(gòu)刀盤動(dòng)力學(xué)測試臺(tái)架設(shè)計(jì)和相關(guān)掘削實(shí)驗(yàn),研究盾構(gòu)刀具、刀盤與巖土振動(dòng)掘削過程的數(shù)值建模技術(shù)、巖土盾構(gòu)振動(dòng)掘削減阻規(guī)律及刀盤激振參數(shù)優(yōu)化。主要工作包括:(1)土壤振動(dòng)減阻機(jī)理分析。通過研究盾構(gòu)刀具和刀盤的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡,推導(dǎo)盾構(gòu)切刀軟土掘削中的動(dòng)力學(xué)載荷解析式,綜合土壤的物理屬性和動(dòng)靜強(qiáng)度分析土壤振動(dòng)掘削工作機(jī)理。(2)土壤Drucker-Prager本構(gòu)模型修正和巖土振動(dòng)切削數(shù)值建模與求解方法研究。針對盾構(gòu)振動(dòng)掘削以及杭州地質(zhì)土壤特性選擇合適的土壤本構(gòu)模型,并通過巖土三軸試驗(yàn)得出土壤物理特性參數(shù),進(jìn)行Drucker-Prager本構(gòu)模型修正;并通過數(shù)值FEM,DEM建模,Lagrange、ALE數(shù)值求解方法的土壤分析與對比,進(jìn)行巖土振動(dòng)切削數(shù)值建模與振動(dòng)掘削過程的數(shù)值仿真求解方法研究。(3)基于LS-DYNA建立盾構(gòu)刀具的振動(dòng)掘削數(shù)值模型。針對杭州地質(zhì)即長江中下游軟土地層,選取土壤Drucker Prager修正本構(gòu)模型和混凝土連續(xù)蓋帽模型,分別建立盾構(gòu)切刀和滾刀的振動(dòng)掘削數(shù)值模型,通過對比振動(dòng)激勵(lì)和勻速掘削下載荷和能耗變化以及混凝土內(nèi)部損傷裂紋變化,研究振動(dòng)參數(shù)對掘削載荷和能耗的影響。(4)盾構(gòu)刀盤掘削數(shù)值模型的建立及激振參數(shù)優(yōu)化研究。以杭州地鐵1號線土壤樣本建立盾構(gòu)刀盤掘削數(shù)值模型,分析在刀盤選擇圓周方向及刀盤前進(jìn)兩個(gè)方向施加不同的外加激勵(lì),其激振參數(shù)對刀盤掘進(jìn)推進(jìn)阻力、切削阻尼轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)功耗的影響關(guān)系和規(guī)律,并利用ANSYS/LS-DYNA優(yōu)化設(shè)計(jì)過程及工具(LS-OPT)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)刀盤振動(dòng)掘削符合激振參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化求解與分析,單把切刀優(yōu)化后切削阻力減少57.5%,刀盤掘削中推進(jìn)力減少1%,扭矩減少17%。(5)設(shè)計(jì)并制造?800 mm盾構(gòu)振動(dòng)掘削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)刀盤圓周方向和推進(jìn)方向的主動(dòng)振動(dòng)激勵(lì)和激振頻率、振幅參數(shù)可調(diào),最后進(jìn)行了土壤的盾構(gòu)刀盤振動(dòng)舉行動(dòng)力學(xué)測試實(shí)驗(yàn),相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與論文的數(shù)值仿真結(jié)果對比分析。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢和穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值范圍(推進(jìn)力0~7500 N,扭矩0~5000 N×M)與論文前述理論分析與數(shù)值建模仿真研究一致。本論文通過振動(dòng)掘削在盾構(gòu)刀具及刀盤上的應(yīng)用,研究了巖土振動(dòng)減阻機(jī)理,并通過正交試驗(yàn)和優(yōu)化分析為特定工況下盾構(gòu)刀盤實(shí)現(xiàn)最佳振動(dòng)參數(shù)組合,設(shè)計(jì)并制造了可調(diào)激振參數(shù)的?800 mm盾構(gòu)振動(dòng)掘削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
【圖文】：

盾構(gòu)工法是隧道暗挖法中的一種全機(jī)械化施工方法，盾構(gòu)機(jī)在地面下推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支撐四周土體圍巖防止隧道內(nèi)坍塌。如圖1-1所示，為盾構(gòu)施工的現(xiàn)場照片。盾構(gòu)工法相對于其他隧道開挖工法有施工隧道穩(wěn)固，不影響地面交通，對地面建筑影響小等優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)(Shield Machine,SM)是該施工法的施工機(jī)具，帶有護(hù)罩及隧道支撐結(jié)構(gòu)的挖掘機(jī)械。盾構(gòu)機(jī)的學(xué)科集成度高，往往包含機(jī)械自動(dòng)化、土木工程、環(huán)境工程下屬的多個(gè)子學(xué)科,能同時(shí)完成土體和巖體的挖掘掘削、渣土輸送和隧道管片拼裝等隧道建設(shè)的幾個(gè)工序。盾構(gòu)機(jī)主要由前盾，中盾，盾尾三部分組成。前盾部位安裝有盾構(gòu)刀盤負(fù)責(zé)破壞巖土的挖掘任務(wù)和支撐隧道前方土壓力的工作[3]。(a) 杭州地鐵 2 號線隧道區(qū)段貫通 (b) 杭州地鐵 5 號線區(qū)段貫通圖 1- 1 盾構(gòu)施工現(xiàn)場作為盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，刀盤主要起到開挖土體、穩(wěn)定工作面及攪拌砂土的功能，刀盤設(shè)計(jì)的好壞直接影響到盾構(gòu)施工的效率、使用壽命及刀具費(fèi)用情況。由于掘進(jìn)路線中的地質(zhì)情況復(fù)雜多變

圖 1-2 Spector 對土體單次壓縮釋放過程的分析[13]SAKAI[14](1983-1987)研究了深松機(jī)的四種運(yùn)動(dòng)中施加振動(dòng)力的4種振動(dòng)作用機(jī)制以及最佳的振動(dòng)角度β。研究了振響，對深松機(jī)工作功率的影響。研究了施加振動(dòng)后，深耕goli[18]（2010）為研究振動(dòng)參數(shù)對深耕的作用，設(shè)計(jì)制作幅69mm，振動(dòng)角27°，前進(jìn)速度最大3Km/h，，振動(dòng)頻率可結(jié)果表明在速比小于1時(shí)對深耕鏟施加振動(dòng)，會(huì)使?fàn)恳首钚�，在速�?.5時(shí)得到最優(yōu)化振動(dòng)頻率3.3Hz。振動(dòng)參少切削阻力的效果。Kim K等[19](2016）通過LS-DYNA軟進(jìn)行了分析。在軟件中以不同的多變形的壓路機(jī)滾筒對同多邊形滾筒反映了不同的振動(dòng)參數(shù)。Elyas Razzaghi等[20](以描述振動(dòng)土壤切削，在該模型中使用無量綱的參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較認(rèn)為模型符合的比較好。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U455.39

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2703833