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砂卵石地层盾构机破岩新机理的分析与研究
| 论文题名： | 砂卵石地层盾构机破岩新机理的分析与研究 |
| 关键词： | 隧道施工;砂卵石地层;盾构机;破岩机理 |
| 摘要： | 随着城市隧道的广泛应用，盾构机已成为隧道挖掘过程中的不可缺少的工具，有关专家已预言，未来全球50％的隧道建设将在中国。 然而，在砂卵石地层中施工，是盾构机当前面临的一个重要课题。盾构在砂卵石地层中施工时，刀盘故障频频发生，而且刀具磨损非常严重，这给施工工程造成了不小的经济负担，已占至整个施工工程成本三分之一。此外，在砂卵石地层施工所需的刀盘扭矩与推进力，一直居高不下，如在某盾构工程中盾构最大的推进力达到了34000KN，最大刀盘扭矩接近5100KN·m，致使刀盘过载较为频繁，从而进一步加剧了刀具的磨损。 本文针对目前砂卵石地层盾构施工所面临的问题，以砂卵石地层为研究对象，在前人的研究基础之上提出了“铣削——离散——碾压”的破岩新方法，以达到降低刀具磨损，同时减少盾构机在砂卵石地况下能耗的目的。具体研究内容如下: (1)研究了砂卵石的强度特性，如单轴抗压强度、剪切强度、长期抗压强度等。分析了砂卵石地层盾构刀具的破岩机理、破岩力以及刀盘载荷;对刀具磨损、刀盘故障的原因进行了理论研究。 (2)针对目前盾构在砂卵石地层中施工中磨损严重的问题，提出了“铣削——离散——碾压”的破岩新方法:在盾构刀盘上安装铣刀，该铣刀先于其他刀具切削岩石，在原始岩石表面铣削出条状相间的沟痕（称之为“离散化”），然后滚刀再碾压开挖面，从而达到了降低盾构机的切削力、刀具的磨损和节约盾构机的掘进能耗的目的，进而提高了盾构机的掘进效率。 (3)为实现“铣削——离散——碾压”的破岩新方法，设计了链轮驱动的行星轮机构，以便实现动力的传递。 (4)利用ANSYS Workbench模拟仿真离散化岩石表面沟痕的间距、直径与滚刀摩擦力之间的关系，结果表明当离散化岩石表面沟痕的间距为100mm，直径为60mm时，滚刀破岩时所受的摩擦力比在连续的岩石表面情况下降低了77％。 (5)利用ANSYS/LS-DYNA，对滚刀破岩过程进行了显式动力分析，并模拟仿真了岩石表面离散化与滚刀破岩力之间的关系，发现滚刀的垂直力与滚动力分别比在连续的岩石表面情况下降低了75％和90％。 (6)利用数值模拟结果，分析了岩石表面离散化后，滚刀磨损量和比能耗的降低率，得出的结论是:滚刀比能耗与磨损量比传统破岩方式分别降低了95％和73％。 |
| 作者： | 刘铁 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 姜铭 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 扬州大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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