土压平衡式复合盾构刀盘的刀具优化配置研究

摘要

随着国家经济的发展,工程建设需求的不断增加,盾构机在隧道、地下轨道交通等工程建设中得到了广泛使用。刀盘刀具是盾构机的关键部件,其主要作用是支护掘进界面,破碎剥离岩土,实现碴土过流。刀盘刀具合理配置是盾构实现高效稳定掘进的基本保证,也是减小刀盘振动,保证刀盘受力平衡,减小掘进能耗,延长刀盘刀具寿命的重要措施。在查阅了大量文献的基础上,结合工程实践,将盾构刀具的选型、盾构刀具布置的关键因素分析以及盾构刀盘刀具的优化布置作为拟解决的关键问题,进行了以下研究工作:
　　 1、提出了基于模糊理论的刀具选型方法。首先建立了地层抗压强度和岩层完整程度的地质适应性隶属度函数,然后根据建立的模糊规则库进行单因素评判,最后根据模糊综合评价模型对两种因素进行综合评判,选出适应地层的刀具类型。
　　 2、对滚刀布置时涉及的刀间距和相位角两个关键因素进行了分析。首先理论上推导出了岩石破碎体积的计算方法,在此基础上提出了基于比能耗最小的刀间距确定方法;然后进行了滚刀切削实验,对比能耗随刀间距的变化趋势进行了验证;最后对工程实际中的盾构刀盘的刀具布置进行了改进仿真,分析说明了滚刀相位角在平衡刀盘受力中的作用。
　　 3、分析了三种典型刀盘结构形式对地质条件的适应性,得出了不同形式刀盘在受力方面的特点;根据刀盘在力学传递特性以及地质适应性两方面的要求,指出了盾构刀盘设计时应该着重考虑牛腿、辐条和肋板的联接以及刀盘的开口率等关键因素。
　　 4、采用遗传算法对滚刀进行了优化布置。以刀盘的径向不平衡力最小、刀盘的倾覆力矩最小和刀具的破岩量基本相同作为优化目标,建立了带约束的盾构刀盘滚刀布置优化模型,采用实数进行编码,应用线性加权和法、罚函数方法建立该问题的适应度函数。通过matlab编写遗传算法程序进行计算,得到参数的优化值,以满足设计要求。