不同结构参数下盾构切刀切削土体数值模拟研究

基于ABAQUS有限元分析软件,采用ALE算法和线性Drucker-Prager土体塑性本构模型,利用具有单元删除功能的剪切失效准则,建立盾构切刀切削土体的三维仿真模型,研究不同切削参数条件下刀具切削土体过程中土屑的流动状态和刀具切削力的变化规律。研究结果表明： 在不同的切深状况下,总的切削力变化并不大,但随着切深的增大,已切削土屑的分离度降低甚至不分离;随着刀宽的增大,切削力也随之增大,但土屑的流动性降低;随着前角的增大,切屑的破碎状态和流动性降低,导致堆积在切刀的刀刃处,阻碍切削的持续进行。     

基于ABAQUS的盾构切刀群模拟切削研究

为了解决复合式土压平衡盾构(earth pressure balance)在实际施工时常出现刀盘结饼、刀箱堵塞等工程问题,从刀群切削效果角度研究刀盘刀具布置的合理性,采用切刀群和滚刀群的动态切削模拟方法,提出土体质量变化和刀盘受载的评价指标,得到以下结论:软土地质下切刀群存在内偏角时的切削效果明显好于无内偏角的情况;掘进地层地质较软时宜采用小切刀切削重叠量,地质较硬时宜采用大切刀切削重叠量。刀群布置的研究过程为实际工程问题的解决提供了方法,数值仿真结果为复合式土压平衡盾构刀盘刀群的组合设计提供了参考。     

非饱和软土路基在长期荷载作用下的一维固结沉降研究

将Kelvin蠕变模型与Duncan非线性弹性模型串联为非线性粘弹性蠕变模型，来描述非饱和软土路基的本构关系。本构方程结合非饱和土有效应力方程和孔隙水压力与孔隙气压力控制方程，推导出非饱和软土路基在长期荷载作用下的一维固结-蠕变耦合方程，可以求解非饱和土路基任意时间任意位置的孔隙水压力、孔隙气压力。利用求得的孔隙水压力和孔隙气压力通过积分可求得路基的竖向沉降量，并结合工程实例对方程进行了验证。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析（双语出版）

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

软土地基上桥台桩基受力算法研究

结合位于珠江三角洲软土地区的2座梁桥桥台病害的实地检测情况,对软土地基上桥台受力机理进行了分析。通过结合Ito基于塑性变形理论推导的用于计算位于移动土体中的桩基所受到的挤压力的理论计算公式和有限元分析方法,建立了符合软土地基桥台桩基实际受力情况的平面杆系计算模型。通过将计算结果与随后进行的16根桥台桩基的钻芯取样结果进行对比,揭示出了这2座桥的桥台桩基产生严重断裂的真正力学原因,从而初步找到了一种适合于软土地基上桥台桩基的计算方法。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

土压平衡盾构楔犁刀松动砂卵石地层力学行为研究

为研究砂卵石地层中土压平衡盾构刀土相互作用的力学行为，揭示楔犁刀的楔犁松动机制，首先，将刀盘前方砂卵石地层等效为连续介质，采用Terzaghi地基承载力模型与Mckyes-Ali模型求解楔犁刀楔犁松动作用下砂卵石地层的破坏强度； 然后，引入楔犁指数k表征楔犁刀反复松动地层、地层颗粒间咬合作用被逐渐破坏、地层强度逐渐降低的楔犁松动状态，分析复杂刀具配置条件下整盘刀具楔犁地层时的受力情况； 最后，通过计算得到单把楔犁刀楔犁地层所需的环向松动力及轴向顶进力，并提出砂卵石地层楔犁刀梯次松动地层与刮刀剥落渣土的受力计算方法，得到整盘刀具松动地层所需的扭矩及贯入推力，分析贯入推力和扭矩的影响因素。采用本文提出的计算分析方法计算土压平衡盾构楔犁刀与刮刀组合松动砂卵石地层时刀具的受力（推力和扭矩）与工程实测结果基本相符。研究结果表明： 楔犁刀分层、超前于刮刀布置可以有效降低松动地层所需的贯入推力和扭矩，达到降低盾构掘进所需总推力及总扭矩的目的。     

土钉支护计算模型及其优化方法探讨

针对目前土钉支护优化设计方法中存在的一些缺陷和不足,深入研究了土钉支护的工作机理,尤其是土钉的受力情况,提出了以钉土间抗剪强度为土钉最大拉力分配刚度的原则,并给出了土钉最大拉力分配系数的计算公式;结合土钉支护整体稳定性的极限平衡分析,推导了土钉最大拉力的计算方法,将计算结果与现场测试进行对比分析证明了该方法的合理性;在深入分析土钉长度计算模型的基础上,建立了以单位支护面积的土钉长度为目标函数的土钉支护优化设计模型;通过引入改进的模拟退火算法和几何控制参数法,探讨了土钉支护优化设计方法的具体实施步骤,并开发出相应的计算程序。工程实例分析表明：所建立的优化设计方法在能保证支护安全的同时兼具有较明显的经济性,其研究成果有一定的理论与工程实用价值。     

宁波软土地区基坑数值计算中HS模型参数试验研究

土体HS模型已成为软土基坑数值模拟中较为常用的本构模型之一,但由于其模型参数较多,很多参数无法从勘察报告中直接获取。为了解决模型参数的取值问题,选取宁波地区典型的2种土样（淤泥质土、粉质黏土）,开展标准固结试验、三轴固结排水剪切试验以及三轴固结排水加载-卸载-再加载试验,获得土体应力-应变关系。根据曲线确定宁波地区典型土层的HS模型参数Erefoed、Eref50、Erefur、c′、φ′ 和Rf,以及模型参数之间的关系。并将试验结果与上海软土地区、天津软土地区取得的模量关系进行对比分析。最后对宁波新典路过街通道深基坑工程进行三维有限元分析,计算结果与实测数据较为接近,从而验证HS 模型及试验获取的HS参数在宁波地区基坑开挖数值计算中的适用性。     

土钉支护计算模型及其优化方法探讨

针对目前土钉支护优化设计方法中存在的一些缺陷和不足,深入研究了土钉支护的工作机理,尤其是土钉的受力情况,提出了以钉土间抗剪强度为土钉最大拉力分配刚度的原则,并给出了土钉最大拉力分配系数的计算公式;结合土钉支护整体稳定性的极限平衡分析,推导了土钉最大拉力的计算方法,将计算结果与现场测试进行对比分析证明了该方法的合理性;在深入分析土钉长度计算模型的基础上,建立了以单位支护面积的土钉长度为目标函数的土钉支护优化设计模型;通过引入改进的模拟退火算法和几何控制参数法,探讨了土钉支护优化设计方法的具体实施步骤,并开发出相应的计算程序。工程实例分析表明:所建立的优化设计方法在能保证支护安全的同时兼具有较明显的经济性,其研究成果有一定的理论与工程实用价值。     

盾构隧道侧穿高架桥桩基条件下群桩遮拦效应分析

为了研究土体c（黏聚力）、φ（内摩擦角）和桩隧间距X对群桩遮拦效应的影响,以合肥轨道交通1号线盾构隧道近距离侧穿高架桥桩基群工程为背景,采用三维数值分析方法,分析了盾构掘进过程中桩基的变形规律,得出以下结论： 1）桩基的位移随着盾构开挖面的靠近逐渐增大,当盾尾离开桩基所在平面后逐渐稳定; 2）土体的c、φ值对群桩桩基水平位移、竖向位移和轴力的遮拦效应影响比较大,c、φ值越大群桩遮拦效应越不明显; 3）桩隧间距X对桩基水平位移和轴力遮拦效应影响较为明显,X越小桩体变形和受力越复杂,群桩遮拦效应越明显。     

土压平衡式盾构机刀盘扭矩的计算及试验研究

综合考虑了土压平衡式盾构机的直径、刀盘开口率、刀盘与土体的摩擦系数、盾构机的埋深、盾构机施工地层的土性、盾构机和地层之间的相互关系、盾构机推进速度以及螺旋输送机转速等参数的影响因素,推导出刀盘扭矩的理论模型。在盾构机模拟试验平台上进行试验,分析了两种典型开口率的刀盘在3种典型土层中扭矩的变化及土仓压力对刀盘扭矩的影响。分析结果表明,刀盘扭矩的理论模型与试验结果相符,并能满足盾构机实际施工的要求。     

盾构主轴承齿轮箱应用参数监测技术的可行性研究

以刀盘扭矩、刀盘转速和主驱动电流为3个变量,通过理论推导,定义参量"能量输出效率E",对盾构主轴承齿轮箱的能量传递效率进行定量评价。其可行性在延长盾构/TBM使用寿命相关研究实践中得到了验证。对主轴承齿轮箱等盾构部件工作状态进行参数监测,"E"参量具有开发应用前景。     

基于盾构掘进参数的孤石地层识别方法研究

为了在盾构掘进过程中准确识别孤石地层，保证施工安全，运用理论分析与工程数据验证，研究孤石地层识别方法。基于盾构掘进比能，结合主掘进参数，提出修正比能（SM），构建孤石地层SM识别模型及识别矩阵。运用BP神经网络技术，以实测掘进参数作为训练样本，建立孤石地层神经网络识别模型，具有极高的识别精度。利用盾构掘进数据对孤石地层识别方法进行工程验证。研究结果表明： 1) 修正比能法具有较强的容错能力、稳定性及特异性，识别效果优于掘进比能法； 2) 2组实测数据下，神经网络识别结果与识别矩阵的吻合率达到98.3%和98.8%； 3) 以修正比能法为基础，结合神经网络法作为辅助与参考对孤石地层进行双重识别，具有较好的工程实际意义。     

风化花岗岩地层的盾构滚刀磨损预测研究

为了研究风化花岗岩地层盾构区间盾构机滚刀的磨损状态和使用寿命,采用基于土体性质的线速率分析法、试验段滚刀磨损实测数据的直接判定法和盾构实测掘进参数的间接判定法,对深圳地铁7号线珠光站—龙井站隧道工程盾构机刀盘正面滚刀的使用寿命进行了预测,对施工中的滚刀磨损状态进行了判断。研究结果表明:预测的滚刀磨损量与实测数据误差较小;计算推断的滚刀弦磨情况与盾构开仓检查的结果相符;提出的刀具使用寿命可供施工中换刀里程选取时参考。     

地铁盾构施工对上覆平行雨污管道影响的试验和数值分析

为研究隧道盾构施工条件下上覆大直径雨污管线的变形和内力特征,以北京市某典型地铁隧道盾构工程为例,采用模型试验方法和数值模拟计算方法对管隧平行条件下盾构施工引发上覆雨污管线变形与内力过程进行研究与验证,同时对管隧竖向净距l和管隧横向间距d的变化进行研究。研究表明： 1）盾构隧道施工引起的上覆雨污管线沉降基本呈现平缓分布,需在施工时对管节接口处加密布设监测点,提高监测频率。2）管线顶部与底部均出现受拉状态,需对各管节采取抗拉防护措施。3）隧道和管线都处于类似地层并采用盾构施工时,l在6D范围内（D为隧道直径）、d在4D范围内为管线变形敏感区,管线应力随l和d的增加而减小。     

盾构刀盘设计系统开发

为快速准确地完成不同类型和尺寸盾构刀盘的设计,根据刀盘自身机械数据结构和施工过程的数据关系,结合刀具破岩机制实验数据和刀盘三维参数化机械模型和结构分析模型,利用VB完成刀盘参数化建模系统的开发,方便了刀盘设计人员准确且快速地完成各种不同地层、不同规格盾构刀盘的设计及分析。     

盾构刀盘的有限元参数化建模及其分析

为快速进行盾构刀盘有限元分析,建立典型刀盘有限元模型建模系统,利用该系统实现了盾构刀盘自动建模和有限元分析,并进行了掘进过程的有限元仿真,得到了刀盘与掘进界面耦合作用下的动态强度、刚度,为刀盘的优化设计提供参考依据。     

考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测

刀具消耗是TBM施工成本管理的重要研究内容。将影响刀具消耗的主要因素归纳为地质条件、机械因素和掘进参数3个方面,在此基础上讨论了刀具消耗与围岩等级、TBM工作条件等级之间的关系。在总结和分析利用TBM工作条件等级进行刀具消耗预测研究的基础上,对拟合函数进行优化,并引入滚刀直径影响因子,构建同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测方法。通过对兰州水源地建设工程输水隧洞TBM1掘进段的刀具消耗分析,验证提出的TBM刀具消耗预测方法的合理性。研究结果表明： 1）TBM工作条件等级可以反映TBM掘进性能和地质适宜性特点; 2）拟合函数ln(x-1)和ln x更适合描述和预测刀具消耗规律; 3）滚刀直径对刀具消耗具有一定影响,滚刀直径越大,刀具消耗越小; 4）同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测模型的计算结果更接近实际耗刀率; 5）刀具消耗与岩体完整性密切相关,与实际耗刀率相比,Ⅱ类围岩的预测计算结果略高,而Ⅲ类围岩的预测计算结果略低。