复合岩石地层下TBM刀盘载荷分析及滚刀布置研究

摘要

全断面岩石掘进机以其高效、安全、低成本的优点在隧道工程中广泛应用。刀盘是TBM的核心部件之一，位于整机的最前端。刀盘在施工中不仅掘进单一岩石地层，也掘进复合岩石地层，其性能好坏严重影响整机的利用率。针对刀盘在复合岩石地层掘进刀盘受力复杂、刀盘振动较大以及滚刀磨损严重等现象，本论文在国内外相关研究的基础上，开展了TBM刀盘的载荷特性、刀盘滚刀优化布局设计及性能评价方法研究。本论文的主要内容如下：
　　（1）针对地层的分布特点，建立了岩石截面圆分层模型，将基于CSM滚刀受力模型建立的单一岩层的刀盘载荷模型扩展到复合岩石地层中。通过对比秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据，验证了模型的准确性，评价了刀盘的掘进性能。在此基础上研究了特定地质下滚刀分布与刀盘载荷分布的关系。
　　（2）分析了地质变化对刀盘载荷的影响，当截面圆中两种岩石各占一半时，刀盘倾覆力矩、径向不平衡力取得最大值，并且刀盘倾覆力矩和径向不平衡力随着两种岩石之间的抗压强度的差值的变大而变大。通过研究刀盘在不同地质条件下推力和扭矩的关系式，对数据进行拟合处理，得到了TBM在特定地质掘进过程中刀盘推力与扭矩的匹配关系计算公式。
　　（3）针对复合岩石地层中滚刀磨损严重、刀盘载荷不均衡的特点，提出了刀盘正滚刀布局设计方法，即基于滚刀等磨损速率的极径设计和基于刀盘载荷分布均匀的多螺旋线分区域极角设计。
　　（4）提出了基于AHP-熵权法的刀盘滚刀布置性能的评价方法。针对刀盘滚刀布置性能评价建立了滚刀布置的层次结构模型，采用层次分析法与熵权法相结合的方法，结合主客观评价信息，有效的克服层次分析法过于依赖决策者主观经验的问题。以相对优化程度作为最终的决策度量实现对刀盘滚刀布置性能的综合评价，得到八条螺旋线型刀盘滚刀布置性能综合最优。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究意义

1.4 主要研究内容

第二章 复合岩石地层下刀盘载荷模型

2.1 掘进机盘形滚刀与刀盘简介

2.2 滚刀分布及运动特性

2.3 滚刀工作原理及受力特性

2.4 复合岩石地层下刀盘载荷模型

2.5 本章小结

第三章 复合岩石地层下刀盘载荷特性分析

3.1 复合岩石地层下刀盘载荷分布特性

3.2 地质变化与刀盘载荷的关系

3.3 贯入度与刀盘载荷的关系

3.4 刀盘推力-扭矩匹配特性

3.5 本章小结

第四章 复合岩石地层下刀盘滚刀布局设计

4.1 刀盘设计介绍

4.2 基于等磨损速率的正滚刀极径设计

4.3 基于载荷分布均衡的正滚刀极角设计

4.4 本章小结

第五章 基于AHP-熵权法的滚刀布置性能评价方法

5.1 TBM刀盘整体性能评价

5.2 基于AHP-熵权法的滚刀布置评价模型

5.3 滚刀布置性能评价决策

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢