TBM边缘滚刀组合优化布置研究

摘要

硬岩隧道掘进机(TBM)是在水利水电、铁路隧道等工程项目中得到广泛应用的大型工程装备。盘形滚刀作为TBM刀盘的核心部件，其使用寿命及破岩效率已成为影响施工成本和施工效率的关键因素。相较于正滚刀，边缘滚刀线速度大，破岩工况复杂，使用寿命低。本文深入分析了边缘滚刀与岩体相互作用机理，研究了边缘滚刀破岩特性关键影响因素，并提出了边缘滚刀布置优化方法，论文主要研究内容如下:
　　(1)基于离散元理论建立了边缘滚刀顺次破岩数值模型，并对破岩过程中的裂纹演化过程、刀具载荷及岩石内部应力分布情况进行了分析;建立了多评价指标敏感度熵权综合评价体系，对影响边缘滚刀切削过程的各参数进行了多因素敏感度分析，并得出了不同地质条件下各因素影响程度的主次顺序。
　　(2)以国内某隧道所用刀盘为例，建立了不同倾角范围下最外侧边缘滚刀切削数值模型，确定边缘滚刀最大安装倾角范围;建立了双刀顺次破岩模型，通过计算双刀之间的最优倾角差确定了边缘滚刀数量、安装倾角和安装极径;建立了边缘滚刀多目标优化布置模型，对边缘滚刀的安装极角进行优化。
　　(3)利用100T回转式切削试验台开展边缘滚刀顺次破岩实验研究，监测边缘滚刀切削过程中的刀具载荷和最后岩石的破碎情况，并对实验结果进行相关分析，最终与仿真结果进行比对，验证了仿真方法的可靠性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及来源

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题来源

1．2 国内外研究现状

1．2．1 硬岩隧道掘进机TBM研究概况

1．2．2 边缘滚刀研究现状

1．2．3 岩石力学特性及盘形滚刀切削机理及载荷特性研究

1．2．4 盘形滚刀切削数值模拟研究

1．2．5 盘形滚刀布置规律研究

1．2．6 实验研究

1．3 课题研究的目的及意义

1．4 论文主要研究内容

2 盘形滚刀破岩工况分析

2．1 引言

2．2 盘形滚刀简介

2．2．1 滚刀类型介绍

2．2．2 边缘滚刀结构组成

2．2．3 滚刀安装位置

2．3 盘形滚刀破岩相互作用机理分析

2．3．1 岩石强度理论概述

2．3．2 盘形滚刀破岩机理分析

2．3．3 盘形滚刀掘进受力特性分析

2．4 边缘滚刀破岩效率及其影响因素分析

2．4．1 破岩效率评价指标

2．4．2 破岩效率影响因素

2．5 小结

3 边缘滚刀组合破岩特性研究

3．1 引言

3．2 离散元颗粒流方法介绍

3．2．1 离散元颗粒流法概述

3．2．2 颗粒流计算方法—力位移定律

3．2．3 颗粒流计算方法—牛顿第二运动定律

3．2．4 颗粒流裂纹表示形式

3．3 边缘滚刀破岩参数敏感性分析数值模拟

3．3．1 敏感性分析概述

3．3．2 基于敏感性分析的数值模拟方案制定

3．3．3 材料参数标定

3．4 边缘滚刀破岩特性分析

3．4．1 岩体内部应力特性

3．4．2 边缘滚刀破岩裂纹演化过程

3．4．3 边缘滚刀载荷特性

3．5 边缘滚刀破岩参数敏感度熵权综合评价分析方法

3．5．1 多评价指标敏感度模型建立

3．5．2 敏感度熵值权重化

3．5．3 敏感度属性分类标准判断矩阵的构建

3．5．4 敏感性参数属性的测度

3．5．5 敏感度熵权综合评价标准构建

3．5．6 敏感度熵权综合评价结果分析

3．6 小结

4 边缘滚刀优化布置设计方法

4．1 引言

4．2 边缘滚刀安装倾角范围的确定

4．2．1 工程概况

4．2．2 最外侧边缘滚刀切削离散元建模

4．2．3 计算结果分析与讨论

4．3 边缘滚刀极径确定

4．3．1 极径确定的几何描述

4．3．2 数值模拟方案

4．3．3 仿真结果分析

4．4 边缘滚刀极角优化

4．4．1 边缘滚刀布置基本原则

4．4．2 边缘滚刀布置模型建立

4．4．3 遗传算法简介

4．4．4 优化计算结果分析

4．5 小结

5 实验

5．1 引言

5．2 实验目的与实验内容

5．3 实验条件介绍

5．4 实验方案与材料制备

5．4．1 实验方案介绍

5．4．2 材料试样的制备

5．5 实验验证及结果分析

5．5．1 载荷特性分析

5．5．2 破岩效果分析

5．5．3 破岩效率分析

5．6 小结

6 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢