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1、盾构机刀盘设计参数的适应性的研究天津大学硕士学位论文盾构机刀盘设计参数的适应性研究姓名:黄丙庆申请学位级别:硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:郭伟20090501中文摘要近年来,随着科学与技术的不断发展,人们对空间需求已经从地上逐步发展到地下,开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机。而刀盘设计是全断面隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。特别是刀盘开口率需根据地质条件和施工要求进行适应性设计,属复杂工程系统设计问题。掌握刀盘适应性设计关键技术,提高自主创新设计与制造能力,具有重要的战略意义。基于上述工程背景,在
2、国家重点基础研究发展计划项目项目的资助下,本文首先研究了影响刀盘设计的关键因素,改性土的流体力学参数和本构模型,构建了刀盘适应性研究的四联体模型,进行了刀盘开口率的适应性计算和分析。刀盘参数的适应性设计内容较广,本文仅研究了其中部分内容,主要内容包括:.综合分析了砂土和粘性土的物理、力学模型,并对改性土的本构模型及参数进行了分析比较,选取用于改性土数值计算的本构模型。.研究了非牛顿流场的分析方法,采用计算流体力学的基本原理,对改性土在刀盘、泥土舱及螺旋输送机内部的流场进行了分析和研究。.研究了基于流变特性的刀盘设计分析模型,构建了刀
3、盘设计的四联体计算模型,给出了刀盘开口率的优化方法,借助施工现场监测,验证了四联体计算分析模型的正确性与可行性。.基于四联体计算模型,运用二维和三维的全流场数值模拟法,分析了刀盘旋转和重力与界面压力和速度场的作用关系。.研究了前处理建模软件的命令,提出参数化建模的方法,并建立了土压平衡式盾构机刀盘的参数化模型。.建立了刀盘刀具的力学模型,利用有限元分析软件完成了刀盘刀具在不同掘进工况和设计方案下的静态数值模拟和参数优化。本文的研究工作对于土压平衡式盾构机刀盘参数的适应性设计具有指导意义。关键词:盾构;刀盘设计:地质适应性;开口率;参
4、数化;计算流体力学,,’,.,....,..,.:..,....,,......,..暇.......:,,,,独创性声明土人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得苤叠盘堂或其他教育机构的学位或证书焉使用过的材料。与我?亏工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:专两最签字日期:易哆年。加口阳学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤叠叁堂有关保留、使用学位
5、论文的规定。特授权苤鲞苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明.学位论文作者签名:导师签名:专两欠乍签字目期:甲年/月涉目签字日期:力哆年护/月口尹目第一章绪论第一章绪论.课题的工程背景进入世纪,世界经济的迅速发展加速了城市化建设。随着我国城市化进程的加快以及城市基础建设的发展,大城市的交通问题日益严峻,改建、新建的市政管线工程以及由此产生的共同沟通技术也日益增多,这都
6、极大地促进了隧道及地下工程建设的发展和应用。盾构掘进技术是地下隧道建设采用的一项先进技术,当今世界三大海底隧道工程:英吉利海峡隧道、丹麦海峡隧道和东京海底隧道均采用了盾构掘进技术,显示出了盾构技术的巨大优越性和技术潜力,在发达国家隧道及其它地下工程中也较多采用。发达国家的大城市发展的经验教训说明地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市立体化再开发,是城市中心区改造的唯一现实的途径,充分利用地下空间是城市立体化开发的主要组成部分。当今发达国家已把地下空间开发利用作为解决城市人口、环境、资源三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施
7、可持续发展的重要途径【堆】。我国一些发达地区己经进入了大规模开发利用地下空间的时代。地下空间的利用包括建设地下交通系统如地下铁道、地下道路系统、地下停车场,地下公用设施系统如地下供水管道、河流污水管道、地下供电和通信电缆通道、地下煤气管道,地下防灾系统,地下商业街等。其中,地铁的建设将是我国世纪城市地下空间开发的重点。目前,北京、上海、广州、深圳、南京、天津、杭州、青岛等城市地铁正在修建,另外,重庆、武汉、南京等地的长江隧道也在修建之中。隧道与地下工程专家已预言,世纪必将是我国隧道与地下工程建设的高峰阶段【】然而,由于地下工程地质环
8、境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程中灾害事故的突发性以及对环境影响的控制难度,加之盾构法是一项复杂的技术,其理论还待进一步完善,决定了盾构地下施工时建设质量、安全性的控制和管理的难度比地上工程高得多,总会引发不同程度上的地层变形,且地层
