發(fā)布時間：2019-06-28 16:35

【摘要】：隨著城市軌道交通建設的大規(guī)模發(fā)展,土壓平衡盾構工法憑借自身的優(yōu)越性在城市地鐵隧道施工中扮演著越來越重要的角色。長期以來,盾構刀具的快速磨耗成為制約盾構長距離、快速、連續(xù)掘進的重要難題。特別是在砂性地層中石英等磨蝕性礦物含量高,導致刀具嚴重磨損,容易引起刀盤扭矩過大、掘進效率低下,甚至造成無法繼續(xù)掘進而被迫開艙換刀。研究砂性地層條件下盾構刀具的切削工作機理和失效模式,獲得砂性土磨蝕特性主控因素下的影響規(guī)律,提出盾構刀具減磨防護措施,對于延長盾構刀具有效服役期限,保障盾構刀具長距離、快速、安全掘進意義重大。本文以盾構施工中應用廣泛、數量眾多、易于磨耗的切刀為研究對象,對其運動特性、切削工作機理及失效模式進行詳細分析,對影響刀具磨損的諸多因素進行了歸納。針對常見的砂性土體地層,探究顆粒級配、含水率、礦物組分等對砂性土體磨蝕性的影響,并通過正交試驗分析施工參數,研究盾構刀具減磨及安全防護措施。主要工作總結如下:(1)分析了盾構切刀的軸向、周向及切深等運動特性,揭示了盾構切刀的工作機理和失效模式,指出盾構刀具在砂性地層中以磨粒磨損為主。通過ANSYS有限元軟件對石英等硬質磨粒壓入刀具表面并在金屬材料表層滑動的過程進行仿真模擬,分析表層金屬材料變形過程中的應力應變特性,研究磨粒與刀具微觀接觸力學關系。(2)開展土體磨蝕性試驗,分析砂性土體顆粒級配、含水率及礦物組分對其磨蝕特性的影響。磨蝕系數與砂性土細粒含量、限制粒徑具有很好的指數相關性,隨含水率先增大后減小,并在砂土最優(yōu)含水率附近達到峰值,與礦物組分的平均Rosiwal硬度值呈線性相關性。(3)依據實際工程背景選擇因素水平,對盾構刀具磨損量產生影響的關鍵施工參數土艙壓力、轉速、泡沫注入比進行正交試驗。試驗數據的分析結果顯示在選定的幾個參數中土艙壓力對磨損量的影響最大,其次是轉速,最后是泡沫注入比。根據實驗結果,提出了控制推力、調整轉速、協調壓力、配合改良的多施工參數聯動控制的盾構刀具減磨措施。
[Abstract]:With the large-scale development of urban rail transit construction, the earth pressure balance shield method plays a more and more important role in the construction of urban subway tunnel because of its own advantages. For a long time, the fast wear of shield cutting tools has become an important problem that restricts the long distance, fast and continuous excavation of shield machines. Especially in sand formation, quartz and other erosive minerals are high, which leads to serious wear of cutting tools, easy to cause excessive torque of cutter head, low efficiency of excavation, and even unable to continue digging and forced to open the cabin to change knives. This paper studies the cutting mechanism and failure mode of shield tools under the condition of sand formation, obtains the influence law under the main control factors of sand soil erosion characteristics, and puts forward the protective measures for reducing the wear of shield tools, which is of great significance for prolonging the effective service period of shield tools, ensuring the long distance, fast and safe driving of shield tools. In this paper, the cutter, which is widely used in shield construction and is easy to wear, is taken as the research object, its motion characteristics, cutting mechanism and failure mode are analyzed in detail, and many factors affecting tool wear are summarized. Aiming at the common sand soil strata, the effects of particle gradation, water content and mineral composition on the wear and corrosion of sand soil are investigated, and the construction parameters are analyzed by orthogonal test to study the wear reduction and safety protection measures of shield cutting tools. The main work is summarized as follows: (1) the axial, circumferential and deep motion characteristics of shield cutter are analyzed, the working mechanism and failure mode of shield cutter are revealed, and it is pointed out that abrasive wear is the main tool in sand formation. The process of hard abrasive particles such as quartz pressing into the surface of the tool and sliding on the surface of the metal material is simulated by ANSYS finite element software. The stress and strain characteristics of the surface metal material during deformation are analyzed, and the relationship between the abrasive particles and the micro-contact mechanics of the tool is studied. (2) the soil erosion test is carried out to analyze the effects of sand soil particle size, moisture content and mineral components on its wear characteristics. The erosion coefficient has a good exponential correlation with the fine particle content of sandy soil, and decreases with the increase of water cut, and reaches the peak near the optimal moisture content of sandy soil, which is linearly correlated with the average Rosiwal hardness of mineral components. (3) according to the level of selected factors in the actual engineering background, the orthogonal test is carried out on the key construction parameters, such as soil cabin pressure, rotating speed and foam injection ratio, which affect the wear of shield cutting tools. The analysis results of the test data show that the soil cabin pressure has the greatest influence on the wear rate among the selected parameters, followed by the rotating speed, and finally the foam injection ratio. According to the experimental results, the measures to control the thrust, adjust the rotating speed, coordinate the pressure and cooperate with the improved multi-construction parameter linkage control are put forward to reduce the wear of shield cutting tools.
【學位授予單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U455.43

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本文編號：2507450