复杂地层条件下盾构掘进刀具磨损机理与预估模型研究

当前我国已有36个城市正在进行大力发展城市轨道交通，大量的盾构隧道施工对盾构施工技术提出了新挑战。由于我国各地城市地层条件复杂多变，盾构刀具磨损问题已成为制约其技术安全与掘进效率的关键问题之一，尤其是在含有大漂石、砾石、砂卵石及软土的土-砂-石混合的复杂地层条件中掘进施工。项目研究系统收集了国内外自2003年以来盾构隧道施工发生41例典型的盾构刀具事故，通过对刀具磨损事故进行了系统统计分析，研究刀盘及刀具的组合配置与布置规律，结合我国主要城市盾构施工地层特点，评估不同类型盾构刀具配置的地层适应性风险。针对收集的国内36个城市轨道交通隧道工程地质资料，对工程所在的复杂地层条件进行系统分析，分析了复杂地层条件土体磨损物理力学特性特征，根据土体磨损特性考虑建立了极易磨损Ⅰ、易磨损性Ⅱ、中等磨损Ⅲ和低磨损Ⅳ四级分类，并结合我国城市区域特性首次提出了我国主要城市复杂地层磨损性分区图。结合盾构刀具磨损参数测试需求，通过对国内外盾构刀具磨损试验装置调研，分析了国际上现有刀具磨损试验装置，并对其进行了系统对比分析，研究了适用于不同类型土体的盾构刀具磨损试验测试方法；考虑我国城市轨道交通隧道施工特点和要求，提出了复杂地层条件盾构刀具磨损试验设计方案，并创新研制了考虑现状施工条件可模拟盾构实际施工工况的刀具磨损测试装置；利用研制装置测试的试验，提出了刀具磨损预估模型，推导了刀具寿命预测的普遍模型，通过对现场盾构隧道横断面地层分布分区定义，建立了复杂地层条件盾构刀具磨损预测模型。项目研究利用地质统计学、随机场模拟与损伤力学等理论，提出考虑复杂地层条件的刀具磨损计算模型，为解决盾构掘进刀具磨损动态预估提供新理论，研究成果可为降低盾构刀具的磨损风险提供理论支撑，对提高我国盾构施工安全有重要的工程价值。本项目研究按预定的计划进行，研究内容没有调整和变动，依托研究完成主要成果包括发表学术文论12篇（其中EI收录6篇，SCI收录4篇），参编国家标准2部，项目成果获得软件著作权1项，研制试验装置1套，正在申请国家发明专利2项，部分研究成果获得2013年上海市科技进步二等奖1项和江苏省科技进步三等奖1项。研究期间参加会议10次，其中国际会议4次；项目培养研究生4名（已答辩2名，待答辩2名），结合我国厦门、福州、南宁、兰州等城市开展了试点应用，并在我国深中通道、汕头通道等重大工程项目咨询提供了技术支撑。 2100433B

盾构刀具磨损已成为制约其技术安全与掘进效率的关键问题之一，尤其是在含有大漂石、砾石、砂卵石及软土的土-砂-石混合的复杂地层条件中掘进施工。项目拟利用地质统计学、随机场模拟与损伤力学等理论，提出考虑复杂地层条件的刀具磨损计算模型，为解决盾构掘进刀具磨损动态预估提供新理论。具体为：通过对国内外盾构刀具磨损事故调研，分析盾构掘进不同刀具切削原理，研究刀盘与刀具的组合配置与布置原则，揭示地层分布变异对盾构刀具磨损影响；研究隧道纵、横向断面地层的分布状态与变异特征，建立地层断面二维和三维随机模拟模型，分析盾构刀盘掘进穿越地层运动行进轨迹，提出刀具掘进行程精确计算模型；针对我国典型区域复杂地层条件，设计单个刀具岩土体磨损试验，获取不同地层的刀具耐磨性参数，提出刀具磨损量估算方法，建立复杂地层条件下刀具磨损动态预估模型。项目可为降低盾构刀具的磨损风险提供理论支撑，对提高我国盾构施工安全有重要的工程价值。

内容介绍

《砂卵石地层条件下盾构掘进机理与实践》以成都地铁1号线为工程案例，系统研究砂卵石地层地质力学特性、盾构选型、掘进参数及其盾构掘进性能的影响因素。根据国内外研究现状，对当前隧道掘进机进行了科学分类。结合现场及室内试验分析了该类地层的力学不稳定特性，探讨了导致盾构掘进性能低下的主要原因。同时，介绍了专为该类地层开发的数据模型生成系统，进行了卵石空间形态对力学性能影响的深入探讨。并推导该类地层力学特性的理论计算模型，通过数值方法进行了验证。

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采用理论研究、室内实验、模型实验及现场切削过程和刀具磨损的动态监测等手段，在研究砂卵石与盾构刀具切削相关的物理力学特性的基础上，研究砂卵石地层盾构刀具切削机理和刀具磨损。包括(1)砂卵石地层合理的切削模式和切削力学模型；(2)砂卵石地层土体性质与刀具磨损的相关关系；(3)刀具形式和配置与刀具磨损关系；(4)盾构掘进参数与刀具磨损的相关数学模型。研究从刀具与土体的相互作用入手，通过理论分析建立砂卵石地层切削力学模型，进行具有不同的砂卵石地层条件（粒径、级配、密实度）、刀具形式（刀具尺寸、形式、安置角度等）及掘进参数(掘进速度、推力和扭矩等)的切削模型实验，分析提出砂卵石地层性质与刀具形式、刀具配置的相关关系。建立刀具磨损与掘进参数的相关数学模型，并进行现场动态观测，合理修正相关理论模型。针对具体工程提出降低刀具磨损方案。为砂卵石地层盾构选型、刀盘刀具设计以及长距离连续安全掘进提供依据。

通过搭建盾构模型试验平台，进行刀具切削试验，研究砂卵石地层与刀具切削相关物理力学特性，提出了砂卵石地层盾构刀具切削机理和切削模式，并命名为犁松原理，为类似地层合理配置刀具提供了理论依据；并依托实际工程进行了现场盾构刀具磨损动态监测，研发了超声波动态监测盾构刀具磨损装置，基于监测数据建立了盾构掘进参数与刀具磨损的相关数学模型。基于颗粒流理论，建立了盾构刀具切削砂卵石地层细管力学模型，研究了不同刀间距、贯入度、地层条件切削效率问题，根据刀具间土体颗粒接触力的变化，总结归纳出了三种典型的土体耕松模式，三种耕松模式可根据切深和间距不同相互转化, 耕松土体面积也因耕松模式的变化而改变，并提出了耕松效率的概念, 结合相关参数的比较, 选择出了最优刀间距。结合北京地区砂卵石地层实际工程刀具磨损观测数据，总结了砂卵石地层刀具磨损规律，并从刀具配置和渣土改良两个方面提出了耐磨减磨措施，为盾构施工提供了指导。