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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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。

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。