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冲积物地质下的盾构机刀盘系统技术研究与仿真分析

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摘要

第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景

1.1.1 中国城市地下空间利用与轨道交通的发展

1.1.2 北京城市轨道交通建设的发展

1.1.3 城市地下轨道交通建设中面临的问题

1.2 国内外地铁施工相关技术及盾构机刀盘系统的研究现状

1.2.1 国内外地铁施工相关技术的研究现状

1.2.2 国内外盾构机刀盘系统相关技术的研究现状

1.2.3 国内外盾构机刀盘系统研究中面临的问题

1.3 本论文拟研究的主要方向

第2章 地下隧道施工面临的风险与施工方式的选择

2.1 地下隧道施工中面临的风险概述

2.2 轨道交通工程地质灾害风险管理

2.2.1 轨道交通工程地质灾害危险性预测

2.2.2 北京市轨道交通建设安全风险的特点

2.2.3 北京地下轨道交通建设中可能面临的具体风险

2.3 针对地铁建设中可能面临的风险的应对措施

2.3.1 风险管理的制度化规范

2.3.2 风险的量化评价方法

2.3.3 地下轨道交通建设中对环境影响的监测

2.3.4 为减小地铁的施工风险采取的措施

2.4 地下轨道交通的建设方法

2.4.1 地下轨道交通建设方法的分类

2.4.2 不同地铁隧道施工方法的介绍

2.4.3 城市地铁施工建设方法的选择

2.5 本章小结

第3章 盾构机在地下轨道交通建设中的应用与选型

3.1 盾构机工作原理概述与我国盾构机技术发展现状

3.2 盾构机在北京地下工程建设施工中地质适应性

3.2.1 北京地区的工程地质特点

3.2.2 不同类型盾构机在北京地下工程建设中的应用

3.2.3 土压平衡式盾构机北京地铁施工地质适应性分析

3.3 北京地铁4号线14标段地铁建设盾构机型选择

3.3.1 北京地铁4号线14标段地铁建设工程概况

3.3.2 北京地铁4号线14标段地铁建设盾构机型选择

3.4 本章小结

第4章 加泥式土压平衡盾构机刀盘设计与建模

4.1 引言

4.2 刀盘的型式及选择

4.2.1 土压平衡盾构机刀盘性能综合评价方法

4.2.2 影响土压平衡盾构机刀盘性能的因素

4.3 刀盘的组成结构及设计技术路线

4.4 刀盘开口率的设计

4.4.1 盾构机刀盘开口率定义

4.4.2 刀盘开口率的设计原则

4.4.3 刀盘开口率与刀盘型式的关系

4.4.4 刀盘开口率与掘进控制参数的关系

4.4.5 刀盘开口率的理论计算

4.5 本标段土压平衡盾构机刀盘的选型与结构设计

4.6 盾构刀盘刀具的选择与布置方式

4.6.1 刀具的分类

4.6.2 刀具的组合施工

4.6.3 刀具的布置方式

4.6.4 切刀的数量计算与布置

4.7 辐条式土压平衡式盾构机刀盘系统的三维数字化建模

4.7.1 辐条式土压平衡盾构机刀盘关键零部件建模

4.7.2 土压平衡式盾构机的刀盘系统的组成及功能

4.7.3 刀盘的建模与装配

4.8 盾构机刀盘运行中遇到的三种典型工况

4.9 本章小结

第5章 盾构机刀盘系统有限元分析

5.1 加泥式土压平衡盾构机的推力和刀盘扭矩计算

5.1.1 北京地铁4号线14标段盾构机推力和扭矩计算

5.2 φ6.14辐条式土压平衡盾构机刀盘有限元分析

5.2.1 CAE技术介绍

5.2.2 ANSYS 12.1软件介绍

5.3 刀盘有限元分析

5.3.1 建立模型

5.3.2 定义模型材料

5.3.4 施加载荷

5.3.5.各种情况下ANSYS后处理的结果

5.3.6 刀盘模态分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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摘要

随着国家经济建设的蓬勃发展,发达城市的城市地下轨道交通建设正日新月异。然而地铁隧道的建设存在危险性,因而建立有效的安全风险管控体系迫在眉睫。本文列举了城市地下轨道交通建设中所面临的具体风险及为了减少风险可以采取的措施,另外还详尽探讨了地下隧道施工中的可采用的各种施工方法,并对其比较选出适应于城市地下轨道交通建设的施工方法-盾构施工法。  首先探讨了在盾构施工法中盾构机的选择,根据北京地区的地质条件及不同岩土体的物理和力学特性,阐述了三种不同类型盾构机在北京地层下的施工适应性问题,重点对土压平衡盾构机在此地质条件下的施工适应性进行了论证。根据北京地铁4号线14标段的工程地质条件选择了具体的机型-日本石川岛播磨株式会社制造的φ6.14加泥式土压平衡盾构机。  随后以日本石川岛播磨株式会社制造的φ6.14加泥式土压平衡式盾构机为研究对象,做了如下工作:首先,完成刀盘结构设计,运用刀盘开口率相关知识,依据刀盘开口率设计原则,刀盘开口率与刀盘选型和掘进参数的关系及相关设计理论,确定了本标段地铁建设中适用的刀盘开口率范围。其次完成了刀盘上刀具的选择,刀具数量计算,刀具布置方式等工作。然后将盾构推力与刀盘扭矩计算模型应用于北京地铁4号线14标段双榆树至动物园区间盾构推力和刀盘扭矩计算,计算出的推力扭矩值为机台载荷校验和进一步的刀盘有限元分析提供载荷条件。  最后使用三维建模软件Pro/E4.0野火版对刀盘系统的各个零部件进行了数字化建模与装配,利用有限元软件ANSYS12.1对刀盘系统进行结构静力学分析,分析三种典型工况下刀盘的应力状况,各部分的变形情况,找出结构中受力和变形薄弱点,对其进行强度,刚度校核,进行了刀盘的模态分析,验证了结构动力学特性。  通过对盾构机刀盘设计技术的研究和应用,验证了上述研究成果的正确性,依此技术和理论设计出了北京地铁4号线所使用的加泥式土压平衡盾构机刀盘,相关的研究将推动土压平衡盾构机刀盘国产化和产业化的发展。

著录项

  • 作者

    石凯飞;

  • 作者单位

    华北电力大学华北电力大学(北京);

  • 授予单位 华北电力大学华北电力大学(北京);
  • 学科 机械工程
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 张照煌;
  • 年度 2017
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 chi
  • 中图分类
  • 关键词

    冲积物地质,平衡式盾构机,刀盘结构,模态分析;

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