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软土地层超大直径盾构刀群空间布局与切削参数优化
| 论文题名： | 软土地层超大直径盾构刀群空间布局与切削参数优化 |
| 关键词： | 超大直径盾构;刀群切削;刀群空间布局;切削参数 |
| 摘要： | 盾构法具有对周边环境影响小、施工效率高、安全、绿色等优点，在我国得到了广泛应用的同时，施工技术也得到了不断地完善与突破，盾构隧道朝着超大(14m～18m)乃至特大直径(18m以上)方向迈进，我国已经成为了超大直径盾构建设大国。刀群是超大直径盾构中实现切削的重要工具，切刀与先行刀组成的刀群是其在软土地层中的主要切削组合，刀群参数与盾构机的掘进寿命及效率密切相关，相比于6m级盾构，更加复杂的工作环境对刀群布设以及切削参数的选取提出了更高的要求。因此，本文以济南济泺路穿黄隧道工程为依托，结合数值仿真、理论分析、室内试验等手段，对超大直径盾构刀具一刀具组合.刀群的切削机理与优化配置开展了深入研究，主要内容如下: (1)采用显式动力学的方法分别对切刀与先行刀开展了切削仿真计算，模拟了切削作用下土体的失效破坏与流动过程，分析了各因素对刀具受力及切削效能的影响，确定了关键的影响因素和最优的刀具尺寸，开展了切刀与先行刀组合切削研究，确定了平面布局最优布设原则，为超大直径盾构刀具的选取与布设提供了依据。 (2)基于已有的土压平衡微型盾构试验系统，研制了切刀与先行刀刀间距以及刀高度可调节式刀盘，改造了盾构机，选用穿黄隧道工程明挖段的粉质黏土与细砂，基于前述最优的平面布局原则，开展了不同刀间距与刀高差下的刀群切削试验，研究了各因素对盾构扭矩、推力以及开挖面形态的影响，确定了关键影响因素与最优刀群组合，并进行了试验验证，采用数值仿真对刀群的受力进行了计算，确定了刀群切削的受力占比，研究结果可为进一步优化盾构刀群空间布局提供依据。 (3)以济泺路穿黄隧道工程的超大直径盾构刀盘结构为原型，基于前述最优刀具尺寸，建立了切刀与先行刀的刀群模型，开展了不同切削参数(掘进速度与刀群转速)下刀群切削仿真，分析了各因素对刀群轴向力、扭矩以及切削效能的影响，结合切削效能与现场实际工程经验，确定了软土地层中超大直径盾构刀群的最优切削参数，对不同直径的盾构刀群受力进行了分析，结合前述研究，确定了刀群受力的重点考虑对象，研究结果可为进一步优化切削参数提供依据。 (4)针对济南济泺路穿黄隧道工程，开展了粉质黏土地层下，盾构刀群立体布局的(刀高差)优化布设研究，确定了以切削效能为评价指标下的刀群最优刀高差，在此基础上，开展了粉质黏土.含钙质结核土复合地层下切削参数的优化研究，确定了以刀群切削效能和接触压力为评价指标下的粉质黏土.含钙质结核土复合地层下的最优掘进速度，研究结果可为该工程以及后期的北延隧道工程提供技术支撑。 |
| 作者： | 王凯 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 李利平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 山东大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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