基于数值仿真技术的盾构刀盘系统载荷与结构特性研究
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摘要
刀盘系统是盾构掘进设备的关键部件，刀盘的工作性能将直接影响工程掘进效率和施工安全性。由于当前地下隧道施工过程中盾构机掘进界面隐蔽，无法直接观测刀盘系统载荷信息，相关的试验和理论分析分别受到模型规模较小和简化过多的限制在获取正常掘进状态的刀盘结构力学特性以及刀盘动态掘进载荷分布方面存在一些困难。当前有限元技术的发展使得数值模拟成为工程结构可靠性分析的重要工具之一，也是研究刀盘问题的一种有效方法。
针对当前盾构刀盘载荷分析和刀盘可靠性设计缺少必要的研究方法的现象，本文通过研究有限元相关技术提出了一种基于数值方法的盾构刀盘掘进全物理过程仿真模型，从切削角度出发，将隧道掘进过程视为刀盘系统与土体的相互作用问题，采用损伤失效准则模拟土体切屑分离过程，实现了盾构刀盘掘进过程的直接数值模拟。同时通过分析和提取典型盾构刀盘的拓扑结构特征，开发了一套盾构机刀盘参数化建模系统，解决了盾构刀盘建模过程耗时、费力、重复性工作多等问题。
本文利用刀盘掘进全物理过程仿真模型模拟了盾构刀盘连续掘进隧道过程，对刀盘动态掘进载荷分布和结构力学特性进行了研究。根据刀盘与掌子面土体的相互作用得到了刀盘法向和切向动态切削载荷分布以及掘进过程中刀盘扭矩随掘进时间的变化规律，分析了地质参数、施工参数和结构参数对刀盘掘进载荷的影响。对考虑动态效应和面对脱困载荷情况下的刀盘刚度、强度等力学结构特性进行了校验。结合刀盘系统扭矩构成和分布规律，分析了面对不同地层的刀盘顺应性问题，证实了盾构扭矩直接相关的诸多因素中隧道埋深和土体的粘聚力对其影响最大。通过数值和实验证指出了刀盘中心刀结构在刀盘承载方面的重要影响。
The operation performance of cutterhead which is a critical component of shieldtunneling device directly affects the efficiency of engineering excavation and safety ofconstruction. Since the interface of shield machine excavation is invisible in thecurrent underground tunnels’ construction, it cannot be directly observed that the loadinformation of cutterhead. The related experimental and theoretical analyses havesome constraint in obtaining the responses of mechanical properties of cutterhead instate of normal excavation and the load distribution of cutterhead in dynamicexcavation respectively due to the constraint of model scale and excess simplification.Presently, the development of finite element makes numerical simulation become oneof valid methods for reliability analysis for engineering structure and also a promisingmethod for studying cutterhead problems.
Considering the lack of shield cutterhead load analysis and reliability designmethods, in this paper, a simulation model for the excavating process of shieldcutterhead is developed based on numerical method to accomplish the directnumerical simulation of shield cutterhead tunneling and in this method we considerthe process of tunneling excavation as the problem of soil cutting of cutterhead andemploy the progressive damage and failure criterion to simulate the process of cuttingscrap formation and cutting scrap separation; meanwhile, we develop a shieldmachine cutterhead parametric modeling system by analyzing and collectingtopological characteristics of typical shield cutterheads so that it settles manyproblems in modeling of shield cutterhead such as time-consuming, hard sledding,and much more repetitive work.
In this paper, we utilize the model to simulate the continuous excavating processof shield cutterhead and study the load distribution of cutterhead in dynamicexcavation and the response of mechanical properties. According to the interactionbetween cutterhead and soil of tunnel face, we can obtain the dynamic cutting loaddistribution along the normal and tangential direction of cutterhead and the torque’svariation with time during the process of excavation, and also study the effect of parameters of geology, construction and structure on cutterhead’s tunneling load.Some mechanical responses, cutterhead stiffness and strength, etc, are verified inconditions of taking account of dynamic effects and rescue load. In addition, we studythe cutterhead compliance for different stratum by combining the cutterhead’s torquecomposition and distribution and conclude that tunnel depth and soil cohesion havethe greatest impact on shield torque among the related factors. The numerical andexperimental results indicate the important effect of center cutter on the load-carryingcapacity of cutterhead
针对当前盾构刀盘载荷分析和刀盘可靠性设计缺少必要的研究方法的现象，本文通过研究有限元相关技术提出了一种基于数值方法的盾构刀盘掘进全物理过程仿真模型，从切削角度出发，将隧道掘进过程视为刀盘系统与土体的相互作用问题，采用损伤失效准则模拟土体切屑分离过程，实现了盾构刀盘掘进过程的直接数值模拟。同时通过分析和提取典型盾构刀盘的拓扑结构特征，开发了一套盾构机刀盘参数化建模系统，解决了盾构刀盘建模过程耗时、费力、重复性工作多等问题。
本文利用刀盘掘进全物理过程仿真模型模拟了盾构刀盘连续掘进隧道过程，对刀盘动态掘进载荷分布和结构力学特性进行了研究。根据刀盘与掌子面土体的相互作用得到了刀盘法向和切向动态切削载荷分布以及掘进过程中刀盘扭矩随掘进时间的变化规律，分析了地质参数、施工参数和结构参数对刀盘掘进载荷的影响。对考虑动态效应和面对脱困载荷情况下的刀盘刚度、强度等力学结构特性进行了校验。结合刀盘系统扭矩构成和分布规律，分析了面对不同地层的刀盘顺应性问题，证实了盾构扭矩直接相关的诸多因素中隧道埋深和土体的粘聚力对其影响最大。通过数值和实验证指出了刀盘中心刀结构在刀盘承载方面的重要影响。
The operation performance of cutterhead which is a critical component of shieldtunneling device directly affects the efficiency of engineering excavation and safety ofconstruction. Since the interface of shield machine excavation is invisible in thecurrent underground tunnels’ construction, it cannot be directly observed that the loadinformation of cutterhead. The related experimental and theoretical analyses havesome constraint in obtaining the responses of mechanical properties of cutterhead instate of normal excavation and the load distribution of cutterhead in dynamicexcavation respectively due to the constraint of model scale and excess simplification.Presently, the development of finite element makes numerical simulation become oneof valid methods for reliability analysis for engineering structure and also a promisingmethod for studying cutterhead problems.
Considering the lack of shield cutterhead load analysis and reliability designmethods, in this paper, a simulation model for the excavating process of shieldcutterhead is developed based on numerical method to accomplish the directnumerical simulation of shield cutterhead tunneling and in this method we considerthe process of tunneling excavation as the problem of soil cutting of cutterhead andemploy the progressive damage and failure criterion to simulate the process of cuttingscrap formation and cutting scrap separation; meanwhile, we develop a shieldmachine cutterhead parametric modeling system by analyzing and collectingtopological characteristics of typical shield cutterheads so that it settles manyproblems in modeling of shield cutterhead such as time-consuming, hard sledding,and much more repetitive work.
In this paper, we utilize the model to simulate the continuous excavating processof shield cutterhead and study the load distribution of cutterhead in dynamicexcavation and the response of mechanical properties. According to the interactionbetween cutterhead and soil of tunnel face, we can obtain the dynamic cutting loaddistribution along the normal and tangential direction of cutterhead and the torque’svariation with time during the process of excavation, and also study the effect of parameters of geology, construction and structure on cutterhead’s tunneling load.Some mechanical responses, cutterhead stiffness and strength, etc, are verified inconditions of taking account of dynamic effects and rescue load. In addition, we studythe cutterhead compliance for different stratum by combining the cutterhead’s torquecomposition and distribution and conclude that tunnel depth and soil cohesion havethe greatest impact on shield torque among the related factors. The numerical andexperimental results indicate the important effect of center cutter on the load-carryingcapacity of cutterhead
引文
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