基于CFD数值模拟的盾构刀盘设计分析

摘要

随着国内经济持续快速发展,各类涉及民生的基础设施建设日益加快,采用盾构施工的隧道及地下工程已迎来其高速发展期。土压平衡盾构以其占地面积小、适用土层范围广、对环境污染小的特点,在我国各类隧道施工中得到广泛的应用。处于盾构最前沿的刀盘,作为与土体直接接触的部件有着开挖土体、支护围岩、搅拌渣土的功能,是盾构最关键的部件之一,也是盾构设计的核心技术之一。事实上,土压平衡盾构刀盘之所以能够在复杂的地质条件中高效、稳定的掘进,就是因为刀盘拓扑结构设计综合考虑了刀盘开口大小变化或开口分布特征变化等因素对盾构掘进效率、掘进能耗、掘进稳定性及刀盘使用效率的影响。然而,刀盘拓扑结构设计需综合考虑掘进地质特征、掘进地表稳定性要求及盾构掘进效率要求等多方面因素,是当前盾构设计研究领域中极为困难而又必须的工作。本文特别针对给定地质条件下的土压平衡盾构刀盘拓扑结构的设计进行了研究,主要研究内容如下:
　　(1)分析了土压平衡盾构工作的基本原理,利用刀盘切削渣土被改良为“塑性流变状态”的特性,运用计算流体动力学理论,建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,结合施工数据,验证了CFD计算模型及其分析方法的可行性和正确性,为进一步研究分析刀盘开口率及开口分布对刀盘的掘进稳定性和掘进性能等影响机理奠定基础;
　　(2)阐述了刀盘开口设计机理,研究分析了平衡状态下不同开口率和埋深时刀盘开挖面渣土压力及速度分布的影响变化规律,并建立了渣土压力及其速度分布的数学模型,同时分析了刀盘开口分布特征对刀盘前后渣土压力分布的影响作用关系,提出了相同开口率不同开口分布的刀盘前后渣土压力映射关系,最终揭示了刀盘开口分布与前后渣土压力传递的映射关系;
　　(3)基于天津三号线、九号线等相关标段隧道掘进所采用的土压平衡盾构刀盘,验证了刀盘开口分析结果的正确性,为土压平衡盾构刀盘开口结构设计及刀盘开挖面支护压力平衡控制提供了主要的参考价值;
　　(4)分析了刀盘开口率以及对应的开口分布特征变化下的多方案刀盘的掘进稳定性与掘进排渣性能,建立了以刀盘开口为基础并具有地质适应性的刀盘拓扑结构方案设计分析方法,对高效、稳定掘进的土压平衡盾构刀盘设计提供指导意义。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景与问题提出

1.2 相关研究综述

1.3 研究方法与技术路线

1.4 论文主要研究内容

第二章 盾构刀盘结构CFD数值模型

2.1 数值模拟控制方程

2.2 控制方程离散化及其算法

2.3 盾构刀盘结构CFD模型

2.4 CFD模型模拟结果与分析

2.5 本章总结

第三章 盾构刀盘开口设计分析

3.1 盾构刀盘开口设计机理及过程

3.2 不同开口率的盾构刀盘分析

3.3 不同开口分布的盾构刀盘分析

3.4 模拟结果验证与分析

3.5 本章总结

第四章 盾构刀盘结构设计方法

4.1 开口率差异的刀盘结构分析

4.2 开口分布特征差异的刀盘结构分析

4.3 刀盘结构设计方法分析

4.4 本章总结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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