盾构机刀盘扭矩模型研究及刀盘强度校核

摘要

盾构技术作为一种先进的施工技术,近年来被广泛应用于隧道和城市地铁建设。刀盘直接与土体接触，是盾构设备的关键部件，盾构设备的结构和地质条件以及施工参数的变化都将直接影响盾构机刀盘扭矩以及刀具切削力的大小。因此，对刀盘扭矩的研究有助于在施工时维持开挖面的稳定，同时这也一直是工程中着重研究的课题。本文结合沈阳地铁工段地质条件及施工中使用的盾构机参数，重点在刀盘扭矩的力学模型、刀盘扭矩的影响因素以及刀具的受力情况方面进行了深入的分析，并根据实际工况对施工中的盾构机刀盘进行了强度校核，为刀盘扭矩的深入研究提供了可靠的理论依据。
　　本文首先分析了目前盾构机刀盘模型存在的缺陷，在此基础上利用数学、理论力学、材料力学、岩土力学等相关知识，重新划分了沈阳地铁施工用土压盾构机刀盘扭矩的组成部分，并建立了土压平衡盾构机刀盘扭矩的力学模型。并根据沈阳地铁2号线和1号线特定标段的地质条件及施工参数对该模型的准确性进行验证。
　　根据对刀盘扭矩构成比例的分析提出了影响刀盘扭矩的几点主要因素，分别是地质条件和刀具参数，并说明了埋深、坡度与刀盘扭矩大小之间的关系。根据剪切失效准则和Extended Drucker-Prager Cap塑性本构模型理论建立了切刀与土体的三维模型，并利用Explicit Dynamics模块对切刀切削土体的过程进行了显示动力学分析，得到了刀具在切削土体过程中的受力情况，得出了切削力随着时间变化的曲线进而指出了刀具前角和切削深度与刀盘扭矩大小之间的关系。
　　最后，利用本文提出的刀盘扭矩模型的计算结果，结合沈阳地铁2号线工况，对该土压平衡盾构机刀盘进行了静力学分析。利用Solidworks软件建立并简化了刀盘模型，并采用有限元法通过ANSYS Workbench软件进行仿真研究，结果表明该土压平衡盾构机在启动脱困和稳态掘进工况下刀盘的强度和刚度均满足设计要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 盾构法概述

1.3 刀盘扭矩研究现状

1.4 刀盘扭矩影响因素研究现状

1.5 本文主要工作

2 刀盘扭矩的力学模型

2.1 土压平衡盾构机刀盘模型

2.2 岩土力学的相关理论

2.3 刀盘扭矩的组成部分

2.4 刀盘与土体的摩擦阻力扭矩计算模型

2.5 本章小结

3 基于工程实例的刀盘扭矩模型验证

3.1 地质条件

3.2 刀盘扭矩计算

3.3 其余主要部位阻力扭矩

3.4 刀盘总体扭矩

3.5 刀盘扭矩模型的验证

3.6 模型先进性

3.7 本章小结

4 刀盘扭矩的影响因素分析

4.1 刀盘扭矩的构成比例

4.2 地质条件的影响

4.3 刀具参数对扭矩的影响

4.4 本章小结

5 基于计算扭矩的盾构机刀盘强度校核

5.1 有限元基础

5.2 有限元模型的建立

5.3 稳态掘进工况

5.4 启动脱困分析

5.5 本章小节

结论

参考文献

致谢