复合地层中盾构机刀盘受力分析研究.pdf

复合地层中盾构机刀盘受力分析研究复合地层中盾构机刀盘受力分析研究 Email wqx510632 Tel 13302267672 广东省非开挖技术协会广东省非开挖技术协会2012 年技术交流会年技术交流会 课题来源广州地铁设计研究院有限公司-广州中硬地层 盾构滚刀应用规律研究的计算机模拟计算 2 Chapter 1 College of Sci. 7-心轴心轴 楔形刀圈楔形刀圈 平刃刀圈平刃刀圈 滚 刀 按 刀 刃 分 类 滚 刀 结 构 刀 圈 断 面 形 状 12 Chapter 1 College of Sci. Eng. 2、盘形滚刀破岩理论 盘形滚刀破岩机理示意图 盘形滚刀三维受力简图 单盘形滚刀破岩 多盘形滚刀破岩 二、基于量纲分析的盘形滚刀二、基于量纲分析的盘形滚刀 破岩力计算破岩力计算 13 Chapter 1 College of Sci. Eng. 法向破岩力主要计算公式 小结各破岩力的计算参数一般有48个，大体上可分为岩土参数、 刀具参数和掘进参数三大类。 二、基于量纲分析的盘形滚刀二、基于量纲分析的盘形滚刀 破岩力计算破岩力计算 14 Chapter 1 College of Sci. Eng. 3、盘形滚刀受力量纲分析 （1）量纲分析基本原理 一般力学问题的量纲可采用长度（L）、质量（M）和时间（T）三 个基本量纲来表示，运用的理论为π定理。 （2）盘形滚刀破岩力参量分析 岩土参数 滚刀参数 掘进参数 二、基于量纲分析的盘形滚刀二、基于量纲分析的盘形滚刀 破岩力计算破岩力计算 15 Chapter 1 College of Sci. Eng. （3）盘形滚刀破岩力无量纲乘积计算 二、基于量纲分析的盘形滚刀二、基于量纲分析的盘形滚刀 破岩力计算破岩力计算 16 Chapter 1 College of Sci. Eng. （4）盘形滚刀破岩力无量纲因果关系确定 二、基于量纲分析的盘形滚刀二、基于量纲分析的盘形滚刀 破岩力计算破岩力计算 17 Chapter 1 College of Sci. Eng. （5）17“常截面盘形滚刀破岩力计算 常值常值 二、基于量纲分析的盘形滚刀二、基于量纲分析的盘形滚刀 破岩力计算破岩力计算 18 Chapter 1 College of Sci. Eng. 盘形滚刀线性切割试验资料From R.E.Gertsch 多元线性回归分析 二、基于量纲分析的盘形滚刀二、基于量纲分析的盘形滚刀 破岩力计算破岩力计算 19 Chapter 1 College of Sci. Eng. 多元线性回归分析结果 盘形滚刀垂直破岩力试验值与拟合值和理论值比较 二、基于量纲分析的盘形滚刀二、基于量纲分析的盘形滚刀 破岩力计算破岩力计算 20 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 1、有限元模型建立 21 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 2、材料参数设置 HJC模型描述 22 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 主要材料参数设置 HJC模型参数设置 23 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 3、边界条件与荷载施加  岩石开挖面为自由边界，其余边界面施加非反射边界条件。  盘形滚刀的刀体定义为刚体，对其施加绕Z轴的公转速度约束 n n1.2r/min，同时施加Z方向的速度约束V V4.8mm/min， 初始侵深为h h6.5mm，刀圈与刀体间光滑接触。  盘形滚刀刀圈与岩石采用面面侵蚀接触，设定摩擦系数为0.3， 刀圈通过与岩石表面的摩擦力实现自转。 24 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 4、盘形滚刀破岩过程分析 滚 刀 破 岩 不 同 时 间 步 的 有 效 应 力 图 25 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 滚刀破岩有效应力图 滚刀破岩接触力变化曲线 26 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 滚刀破岩刃工作点的运动曲线 27 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 滚刀刃面单元应力时程曲线 28 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 盘形滚刀接触压力分布曲线及拟合曲线 29 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 滚刀刃点受力时程曲线 30 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 （a）研究截面位置 5、岩石破碎过程分析 （b）岩石破碎过程 31 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 盘形滚刀垂直破岩力仿真结果与理论计算比较 6、仿真破岩与理论比较 仿真结果与理论计算值比较 32 Chapter 1 College of Sci. Eng. 三、盘形滚刀破岩仿真分析三、盘形滚刀破岩仿真分析 滚刀破岩仿真演示 33 Chapter 1 College of Sci. Eng. 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 1、复合地层刀盘受力计算模型建立 刀盘受力分析示意图 34 Chapter 1 College of Sci. Eng. 复 合 地 层 刀 盘 受 力 计 算 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 35 Chapter 1 College of Sci. Eng. 2、刀盘受力计算程序编制 Yes No Yes No 开 始 i 0 i N 参数输入 Xi Xs 按软层参数计算 Fti 按硬层参数计算 Fti 计算第i把滚刀的 Fvi和Fri 计算第i把滚刀对刀盘的作用力 Fxi、Fyi、Fzi、Mxi、Myi、Mzi 计算所有滚刀对刀盘的作用力 ∑Fxi、∑Fyi、∑Fzi、∑Mxi、∑Myi、∑Mzi i i1 结果输出 结 束 刀 盘 受 力 计 算 程 序 流 程 图 STPC 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 36 Chapter 1 College of Sci. Eng. 3、复合地层典型上软下硬地层不同组合刀盘受力分析 （1）复合地层刀盘受力量纲分析 盾构机已选型 无量纲化 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 37 Chapter 1 College of Sci. Eng. （2）复合地层刀盘受力仿真计算 掘进断面内典型上软下硬地层组合 仿真计算参数的水平变化 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 38 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案一分析均质地层中刀盘不平衡力和倾覆力矩的变化规律 小结 （1）刀盘不平衡力和倾覆力矩变化曲线近似呈余弦或正弦曲线变化。 （2）不平衡力和倾覆力矩出现极大值和极小值各一次。 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 39 Chapter 1 College of Sci. Eng. 小结 （1）不平衡力和倾覆力矩的极值大小随增大而增大。 （2）不平衡合力占有效推力的百分比约为0.9，倾覆合力矩占刀盘扭 矩的百分比约为8，这说明刀盘刀具布置在均质地层中基本受力平衡。 c σ 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 40 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案二软层面积比m对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 小结 （1） 倾覆力矩和不平衡力基本呈双周期（0180和180360）波动变化，倾覆力矩倾覆力矩和不平和不平 衡力衡力在旋转掘进一圈过程中出现4次跳跃性突变。 （2）m0.50时，倾覆力矩极值和不平衡力极值的最大。 （3）软层面积比和为1.0的两种地层组合，其倾覆力矩和不平衡力变化曲线类似。 x M x F 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 41 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案二软层面积比m对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 小结 （1） m0.50时倾覆力矩极值和不平衡力 极值的最大值达到最大。 （2）在 m0.50条件下，倾覆合力矩与刀 盘扭矩比值在3.94.9之间变化，不平衡合力 与刀盘推力比值在0.0820.146之间变化。 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 42 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案三上软下硬地层组合对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 小结 （1） 倾覆力矩和不平衡力明显呈双周期（0180和180360）波动变化； （2）倾覆力矩和不平衡力在旋转掘进一圈过程中明显出现4次跳跃性突变 ； （3）硬层的单轴抗压强对刀盘倾覆力矩极值和不平衡力极值影响比较大。 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 43 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案三上软下硬地层组合对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 小结 （1）倾覆合力矩与刀盘有效扭矩比值、不平衡合力与刀盘有效推力比值曲线变化趋势相似，呈 双周期（0180和180360）波动变化，同时也明显出现4次跳跃性突变； （2）上软下硬的地层组合中，硬层的抗压强度对比值影响大； （3）盾构机在硬岩为硬层的上软下硬复合地层中掘进刀盘会出现倾覆力矩和不平衡力偏大现象。 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 44 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案三上软下硬地层组合对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 45 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案三上软下硬地层组合对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 46 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案四贯入度 对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 小结 刀盘贯入度对倾覆力矩和不平衡力影响明显，贯入度越大，倾覆力矩和不平衡力的波动幅度 也越大，极值也越大。 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 47 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案四贯入度 对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 48 Chapter 1 College of Sci. Eng. 方案四贯入度 对刀盘不平衡力和倾覆力矩的影响 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 49 Chapter 1 College of Sci. Eng. 4、典型上软下硬复合地层中盾构掘进技术 盾构施工难点 盾构机选型困难 盾构机刀盘配置困难 盾构机掘进参数选择困难 盾构机的适应性难以把握 盾构掘进关键技术 盾构选型技术 根据工程地质及水文地质情 况开展盾构选型研究，特别是 软硬组合中硬层的性质 刀盘转速选择1.21.7 油缸推力选择 10001800t 贯入度选择35mm/r 土舱压力选择1.62bar2.42.8bar 刀具更换措施中心刀20mm 正刀17mm 边刀15mm 碴土改良措施泥浆或膨润土 盾构施工技术 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 50 Chapter 1 College of Sci. Eng. 5、典型上软下硬复合地层中盾构掘进实例分析 广州地铁三号线 天河-华师盾构区间 工程概况工程概况 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 51 Chapter 1 College of Sci. Eng. 刀盘受力分析 刀盘扭矩和受力变化曲线 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 52 Chapter 1 College of Sci. Eng. 滚刀受力分析 滚刀扭矩和受力变化曲线 四、复合地层盾构刀盘受力研究四、复合地层盾构刀盘受力研究 53 Chapter 1 College of Sci. Eng. 五、结语五、结语 （1）基于量纲理论研究了盘形滚刀法向破岩力问题，建立4 参数表征的17英寸盘形滚刀法向破岩力计算公式。 （3）建立刀盘在上软下硬典型复合地层中掘进的受力计算公式， 并编制了相应计算程序，分析了上软下硬典型不同组合地层中 刀盘掘进受力情况，获得复合地层中掘进的一些规律与经验。 （2）运用LS-DYNA显式非线性动力分析程序，对盘形滚刀破 岩过程进行了有限元仿真，分析了盘形滚刀破岩的变化规律， 总结了滚刀与岩石的接触压力分布函数。 54 Chapter 1 College of Sci. Eng. 暨南大学理工学院力学土木工程系暨南大学理工学院力学土木工程系 计算力学实验室计算力学实验室 硬件 1、、HP安腾级安腾级Integrity rx8620小型机服务器小型机服务器，，16CUPs；； 2、、HP 动能刀片动能刀片BL870ci2小型机服务器小型机服务器，，16CPUs；； 3、、高性能终端高性能终端微机，微机，5台；台； 软件软件 Unix系统、系统、ABAQUS（（8CPU并行）、并行）、LS-DYNA（（4CPU并行）、并行）、ANSYS、、 Midas、、MSC.Nastran、、HyperMesh、、COMSOL Multiphysics、、 Materials Studio。。 55 Chapter 1 College of Sci. Eng. 敬敬 请请 各各 位位 专专 家家 批批 评评 指指 正正 Written by Wu Qixing  Copyright 2012. 12. 09 Email wqx510632