泥岩砂岩交互地层越江隧道盾构掘进效能研究

摘要

论文选定了泥岩砂岩交互地层越江隧道盾构掘进作为研究对象，根据国内外相关的理论研究成果和工程实践，以重庆主城越江隧道盾构掘进施工为工程背景，利用现场试验、理论分析及数值模拟等手段对盾构掘进效能进行了全面、系统地研究，并结合实际工程对本文的研究思想进行了应用研究，取得了一系列有益于理论和实践的研究成果。 (1)系统地分析了软硬不均岩石地层盾构刀盘与开挖面相互作用的基本原理，深入分析了盘形滚刀的拉裂破岩机理，建立了盘形滚刀对岩石加载的简化力学模型，并采用有限元模型进行了验证；同时搭建了盾构掘进效能分析、预测与控制研究的理论框架，并分析了盾构掘进效能的影响因素。 (2)设计了盾构掘进效能研究的综合试验方案：采用正交试验技术对泥岩砂岩交互地层盾构掘进试验进行了精心设计，获取了盾构掘进参数及刀具作用力变化的随机时间序列；采用便携式点荷载强度仪对切割岩渣进行了点荷载强度试验，获得了详细的强度参数；利用游标卡尺和筛分设备对切割岩渣进行岩片尺寸测试和粒径分布试验，为盾构掘进效能分析提供了大量的研究数据。 (3)基于掘进试验数据，利用概率论与数理统计方法研究了盾构掘进参数(刀盘扭矩、推力、切深及掘进速率等)及刀具作用力的概率分布模型及其分布参数；利用随机过程理论，对刀具与岩石相互作用力进行了时域和频域分析，揭示了盾构刀盘与开挖面相互作用的本质规律和随机特性，为盾构掘进效能分析与控制提供了有力的理论支持。 (4)运用回归分析方法，研究了主要影响因素与掘进效能之间的统计关系，建立了切深及掘进速率的预测模型；基于筛分试验对不同地层条件下的岩渣粒径分布规律进行了研究，建立了粒径分布的数学模型，分析了掘进参数与岩渣粒径分布、切割能量之间的对应关系；同时分析了刀盘扭矩和推力在不同地层条件下的操作关系，研究了不同地层条件下的盾构掘进参数匹配特性及掘进方案，为现场盾构掘进提供了理论指导。 (5)运用模糊数学方法建立了隧道围岩及盾构掘进状态模糊判别模型和岩石可切割性模糊识别模型，为盾构掘进施工提供了一种实时地质预报方法；另外，基于最优刀间距和刀盘切割比能分析，提出了盾构掘进动态最优刀间距的思想，采用模糊控制理论构建了盾构掘进的最优模糊控制模型，并成功地应用于盾构掘进施工。 (6)建立了盾构刀盘与开挖面相互作用的多弹簧支点三维力学模型，提出了刀盘与岩石相对刚度的概念，并利用ANSYS程序对其进行了蒙特卡罗有限元分析。分析了刀盘与岩石相对刚度对二者相互作用力的影响，并与实测值和简化计算方法的结果进行了对比，为盾构刀盘设计和掘进施工提供了可资借鉴的有益结论。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章泥岩砂岩地层盾构掘进效能研究的理论框架

第三章泥岩砂岩交互地层越江隧道盾构掘进试验

第四章盾构掘进试验结果分析研究

4.1正交掘进试验结果分析

4.2正交掘进试验数据的方差分析

4.3盾构掘进参数的随机过程分析方法

4.4盾构掘进效能的随机过程研究

4.5滚刀与岩石作用力的频谱分析

4.6本章小结

第五章盾构掘进效能分析与预测

第六章盾构掘进模糊地质预报与模糊控制

第七章刀盘与开挖面相互作用的蒙特卡罗有限元模拟

第八章全文结论与研究展望

参考文献

攻博期间基本情况

致谢