全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷特性与结构性能研究

摘要

刀盘是全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel Boring Machine，简记为TBM）的直接掘进部件，其工作性能直接影响工程掘进效率和施工安全。受破碎岩层、超硬岩层及节理不发育岩层等恶劣地质条件的影响，施工过程中刀盘往往承受大推力、大扭矩及冲击力的作用，载荷工况十分复杂。此外，在掘进工程中若操作参数控制不当，刀盘将产生高强度的振动与冲击，导致结构失效严重。工程实践表明，TBM刀盘刀具消耗可达装备总施工成本的三分之一。因此，开展TBM刀盘掘进载荷特性及复杂受载工况下刀盘结构力学性能的相关研究具有重要意义。 本文首先通过研究岩石材料的力学特性提出了TBM刀盘掘进全物理过程的直接数值模拟方法，并通过模型实验对其可行性进行了验证。该方法将TBM掘进过程理解为刀盘刀具作用下岩石的损伤失效问题，通过建立集弹塑性本构关系、损伤演化关系及失效剥离准则为一体的岩石材料模型来描述掘进过程中岩石的力学行为；应用接触对算法描述掘进过程中刀具与岩石的相互作用；并基于动能与内能的比例关系确定掘进仿真的最佳显式求解策略。此外，针对TBM刀盘建模工作耗时、费力及重复性操作较多等问题，基于APDL语言开发了一套TBM刀盘有限元参数化建模方法，并通过模态实验进行了验证。 其次，利用刀盘掘进仿真模型进行了大量的数值实验，并基于仿真结果对刀盘载荷的时空分布规律及其影响因素进行了研究。根据刀具与岩石的相互作用得到了刀具破岩载荷及刀盘掘进载荷，并从时程响应、幅频特性及统计特征三方面对载荷的时间域分布规律进行了分析，结果表明载荷响应呈现出一定的随机性，刀盘推力近似服从正态分布，而刀盘扭矩、刀具切向力和法向力近似服从对数正态分布。在空间域上，刀具破岩载荷随安装半径的增加呈现增大趋势；在不均匀地层中掘进时，刀盘法向合力作用点集中分布于硬岩区。分别以岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength, UCS)、贯入度和刀盘直径为特征变量分析了地质、操作和结构三大类参数对刀盘载荷的影响规律，结果表明刀盘载荷随 UCS的增加按比例增大，随贯入度和刀盘直径的增加按幂函数增大。此外，结合吉林省中部城市引松供水工程实测载荷数据对仿真载荷进行了验证，两者相对误差在工程允许范围以内。 再次，结合刀盘掘进仿真得到的载荷数据，对吉林省中部城市引松供水工程所用刀盘在静态极限载荷、准静态随机载荷及动态载荷作用下的强度性能进行了研究。在极限推力和脱困扭矩工况下对两种不同布局型式的刀盘进行了强度分析。结合刀具载荷的分布特征，采用蒙特卡罗法对准静态随机载荷作用下刀盘刀具强度的失效概率进行了计算，并从相关性和敏感性等角度对结果进行了分析。结果表明最外侧正滚刀的破岩载荷对刀盘强度失效的影响最为显著，而刀具的强度失效主要发生在刀轴和刀座上。依据仿真得到的动态载荷对刀盘及其支撑系统进行了瞬态动力学分析，对机头架、主梁及刀盘刀具等装备核心受力部件的强度性能做了进一步校核，结果显示刀盘加强筋板在掘进过程中可发生强度失效。依据分析结果对刀盘结构进行优化设计，改进后的刀盘成功用于实际施工。 最后，针对强度分析中所揭示的刀盘动力破坏问题，本文从固有振动特性及动力稳定性两方面出发对刀盘的动力特性进行了研究。考虑刀具与岩石的相互作用对刀盘进行了模态分析，结果表明刀盘轴向振动模态的固有频率随UCS和贯入度的增加而明显增大。依据系统对扰动的响应特征，分析了掘进过程中刀盘的动力稳定性，给出了保证系统动力稳定的刀盘临界推进速度的确定方法。分析结果显示，随岩石UCS的增加，刀盘临界推进速度按对数形式下降。在刀盘设计时，应通过优化结构参数使其临界推进速度曲线上移，以给出充足的操作参数的调整空间；同时在TBM实际掘进过程中应将推进速度控制在临界推进速度曲线的下方区域，以避免大幅振动的产生。 本文提出了一种TBM刀盘掘进过程的直接数值模拟方法；分析了刀盘掘进载荷和刀具破岩载荷的时空分布特征，并给出了地质、操作和结构三大类参数对载荷的影响规律；同时分析了刀盘的结构性能，并建立了刀盘强度性能和动力稳定性的分析方法。所提方法为TBM刀盘力学性能的研究提供了有效手段；所得结果可为刀盘的载荷均衡性、地质适应性及动力稳定性设计提供参考，同时也可为实际施工过程中装备操作参数的实时调控提供依据。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 全断面岩石掘进机简介

1.2 刀盘载荷相关研究

1.3 刀盘结构性能相关研究

1.4 本文主要工作

第二章 全断面岩石掘进机刀盘掘进过程数值模拟方法

2.1 岩石材料模型

2.2 刀盘掘进仿真关键技术

2.3 显式动力学分析方法

2.4 模型及方法验证

2.5 本章小结

第三章 全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷特性研究

3.1 载荷时间域分布规律

3.2 载荷空间域分布特征

3.3 载荷影响因素分析

3.4 工程验证

3.5 本章小结

第四章 全断面岩石掘进机刀盘强度性能分析

4.1 静态极限载荷作用下刀盘的强度性能

4.2 准静态随机载荷作用下刀盘的强度性能

4.3 动态载荷作用下刀盘的强度性能

4.4 本章小结

第五章 全断面岩石掘进机刀盘动力特性研究

5.1 刀盘固有振动特性

5.2 刀盘的动力稳定性

5.3 本章小结

第六章 工作总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 进一步工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢