復雜地層條件下盾構掘進刀具磨損機理與預估模型研究

當前我國已有36個城市正在進行大力發(fā)展城市軌道交通，大量的盾構隧道施工對盾構施工技術提出了新挑戰(zhàn)。由于我國各地城市地層條件復雜多變，盾構刀具磨損問題已成為制約其技術安全與掘進效率的關鍵問題之一，尤其是在含有大漂石、礫石、砂卵石及軟土的土-砂-石混合的復雜地層條件中掘進施工。項目研究系統(tǒng)收集了國內外自2003年以來盾構隧道施工發(fā)生41例典型的盾構刀具事故，通過對刀具磨損事故進行了系統(tǒng)統(tǒng)計分析，研究刀盤及刀具的組合配置與布置規(guī)律，結合我國主要城市盾構施工地層特點，評估不同類型盾構刀具配置的地層適應性風險。針對收集的國內36個城市軌道交通隧道工程地質資料，對工程所在的復雜地層條件進行系統(tǒng)分析，分析了復雜地層條件土體磨損物理力學特性特征，根據土體磨損特性考慮建立了極易磨損Ⅰ、易磨損性Ⅱ、中等磨損Ⅲ和低磨損Ⅳ四級分類，并結合我國城市區(qū)域特性首次提出了我國主要城市復雜地層磨損性分區(qū)圖。結合盾構刀具磨損參數測試需求，通過對國內外盾構刀具磨損試驗裝置調研，分析了國際上現有刀具磨損試驗裝置，并對其進行了系統(tǒng)對比分析，研究了適用于不同類型土體的盾構刀具磨損試驗測試方法；考慮我國城市軌道交通隧道施工特點和要求，提出了復雜地層條件盾構刀具磨損試驗設計方案，并創(chuàng)新研制了考慮現狀施工條件可模擬盾構實際施工工況的刀具磨損測試裝置；利用研制裝置測試的試驗，提出了刀具磨損預估模型，推導了刀具壽命預測的普遍模型，通過對現場盾構隧道橫斷面地層分布分區(qū)定義，建立了復雜地層條件盾構刀具磨損預測模型。項目研究利用地質統(tǒng)計學、隨機場模擬與損傷力學等理論，提出考慮復雜地層條件的刀具磨損計算模型，為解決盾構掘進刀具磨損動態(tài)預估提供新理論，研究成果可為降低盾構刀具的磨損風險提供理論支撐，對提高我國盾構施工安全有重要的工程價值。本項目研究按預定的計劃進行，研究內容沒有調整和變動，依托研究完成主要成果包括發(fā)表學術文論12篇（其中EI收錄6篇，SCI收錄4篇），參編國家標準2部，項目成果獲得軟件著作權1項，研制試驗裝置1套，正在申請國家發(fā)明專利2項，部分研究成果獲得2013年上海市科技進步二等獎1項和江蘇省科技進步三等獎1項。研究期間參加會議10次，其中國際會議4次；項目培養(yǎng)研究生4名（已答辯2名，待答辯2名），結合我國廈門、福州、南寧、蘭州等城市開展了試點應用，并在我國深中通道、汕頭通道等重大工程項目咨詢提供了技術支撐。 2100433B

盾構刀具磨損已成為制約其技術安全與掘進效率的關鍵問題之一，尤其是在含有大漂石、礫石、砂卵石及軟土的土-砂-石混合的復雜地層條件中掘進施工。項目擬利用地質統(tǒng)計學、隨機場模擬與損傷力學等理論，提出考慮復雜地層條件的刀具磨損計算模型，為解決盾構掘進刀具磨損動態(tài)預估提供新理論。具體為：通過對國內外盾構刀具磨損事故調研，分析盾構掘進不同刀具切削原理，研究刀盤與刀具的組合配置與布置原則，揭示地層分布變異對盾構刀具磨損影響；研究隧道縱、橫向斷面地層的分布狀態(tài)與變異特征，建立地層斷面二維和三維隨機模擬模型，分析盾構刀盤掘進穿越地層運動行進軌跡，提出刀具掘進行程精確計算模型；針對我國典型區(qū)域復雜地層條件，設計單個刀具巖土體磨損試驗，獲取不同地層的刀具耐磨性參數，提出刀具磨損量估算方法，建立復雜地層條件下刀具磨損動態(tài)預估模型。項目可為降低盾構刀具的磨損風險提供理論支撐，對提高我國盾構施工安全有重要的工程價值。

內容介紹

《砂卵石地層條件下盾構掘進機理與實踐》以成都地鐵1號線為工程案例，系統(tǒng)研究砂卵石地層地質力學特性、盾構選型、掘進參數及其盾構掘進性能的影響因素。根據國內外研究現狀，對當前隧道掘進機進行了科學分類。結合現場及室內試驗分析了該類地層的力學不穩(wěn)定特性，探討了導致盾構掘進性能低下的主要原因。同時，介紹了專為該類地層開發(fā)的數據模型生成系統(tǒng)，進行了卵石空間形態(tài)對力學性能影響的深入探討。并推導該類地層力學特性的理論計算模型，通過數值方法進行了驗證。

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采用理論研究、室內實驗、模型實驗及現場切削過程和刀具磨損的動態(tài)監(jiān)測等手段，在研究砂卵石與盾構刀具切削相關的物理力學特性的基礎上，研究砂卵石地層盾構刀具切削機理和刀具磨損。包括(1)砂卵石地層合理的切削模式和切削力學模型；(2)砂卵石地層土體性質與刀具磨損的相關關系；(3)刀具形式和配置與刀具磨損關系；(4)盾構掘進參數與刀具磨損的相關數學模型。研究從刀具與土體的相互作用入手，通過理論分析建立砂卵石地層切削力學模型，進行具有不同的砂卵石地層條件（粒徑、級配、密實度）、刀具形式（刀具尺寸、形式、安置角度等）及掘進參數(掘進速度、推力和扭矩等)的切削模型實驗，分析提出砂卵石地層性質與刀具形式、刀具配置的相關關系。建立刀具磨損與掘進參數的相關數學模型，并進行現場動態(tài)觀測，合理修正相關理論模型。針對具體工程提出降低刀具磨損方案。為砂卵石地層盾構選型、刀盤刀具設計以及長距離連續(xù)安全掘進提供依據。

通過搭建盾構模型試驗平臺，進行刀具切削試驗，研究砂卵石地層與刀具切削相關物理力學特性，提出了砂卵石地層盾構刀具切削機理和切削模式，并命名為犁松原理，為類似地層合理配置刀具提供了理論依據；并依托實際工程進行了現場盾構刀具磨損動態(tài)監(jiān)測，研發(fā)了超聲波動態(tài)監(jiān)測盾構刀具磨損裝置，基于監(jiān)測數據建立了盾構掘進參數與刀具磨損的相關數學模型?；陬w粒流理論，建立了盾構刀具切削砂卵石地層細管力學模型，研究了不同刀間距、貫入度、地層條件切削效率問題，根據刀具間土體顆粒接觸力的變化，總結歸納出了三種典型的土體耕松模式，三種耕松模式可根據切深和間距不同相互轉化, 耕松土體面積也因耕松模式的變化而改變，并提出了耕松效率的概念, 結合相關參數的比較, 選擇出了最優(yōu)刀間距。結合北京地區(qū)砂卵石地層實際工程刀具磨損觀測數據，總結了砂卵石地層刀具磨損規(guī)律，并從刀具配置和渣土改良兩個方面提出了耐磨減磨措施，為盾構施工提供了指導。