基于CFD數(shù)值模擬的盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)分析.pdf

1、隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,各類涉及民生的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益加快,采用盾構(gòu)施工的隧道及地下工程已迎來(lái)其高速發(fā)展期。土壓平衡盾構(gòu)以其占地面積小、適用土層范圍廣、對(duì)環(huán)境污染小的特點(diǎn),在我國(guó)各類隧道施工中得到廣泛的應(yīng)用。處于盾構(gòu)最前沿的刀盤,作為與土體直接接觸的部件有著開(kāi)挖土體、支護(hù)圍巖、攪拌渣土的功能,是盾構(gòu)最關(guān)鍵的部件之一,也是盾構(gòu)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。事實(shí)上,土壓平衡盾構(gòu)刀盤之所以能夠在復(fù)雜的地質(zhì)條件中高效、穩(wěn)定的掘進(jìn),就是因?yàn)榈侗P拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì)綜合考慮了刀盤開(kāi)口大小變化或開(kāi)口分布特征變化等因素對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)效率、掘進(jìn)能耗、掘進(jìn)穩(wěn)定性及刀盤使用效率的影響。然而,刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮掘進(jìn)地質(zhì)特征、掘進(jìn)地表穩(wěn)定性要求及盾構(gòu)掘進(jìn)效率要求等多方面因素,是當(dāng)前盾構(gòu)設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域中極為困難而又必須的工作。本文特別針對(duì)給定地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)分析了土壓平衡盾構(gòu)工作的基本原理,利用刀盤切削渣土被改良為“塑性流變狀態(tài)”的特性

3、,運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論,建立了包括土體、刀盤、土艙和螺旋輸送機(jī)在內(nèi)的CFD模型,結(jié)合施工數(shù)據(jù),驗(yàn)證了CFD計(jì)算模型及其分析方法的可行性和正確性,為進(jìn)一步研究分析刀盤開(kāi)口率及開(kāi)口分布對(duì)刀盤的掘進(jìn)穩(wěn)定性和掘進(jìn)性能等影響機(jī)理奠定基礎(chǔ);
　　(2)闡述了刀盤開(kāi)口設(shè)計(jì)機(jī)理,研究分析了平衡狀態(tài)下不同開(kāi)口率和埋深時(shí)刀盤開(kāi)挖面渣土壓力及速度分布的影響變化規(guī)律,并建立了渣土壓力及其速度分布的數(shù)學(xué)模型,同時(shí)分析了刀盤開(kāi)口分布特征對(duì)刀盤前后渣土壓力分

4、布的影響作用關(guān)系,提出了相同開(kāi)口率不同開(kāi)口分布的刀盤前后渣土壓力映射關(guān)系,最終揭示了刀盤開(kāi)口分布與前后渣土壓力傳遞的映射關(guān)系;
　　(3)基于天津三號(hào)線、九號(hào)線等相關(guān)標(biāo)段隧道掘進(jìn)所采用的土壓平衡盾構(gòu)刀盤,驗(yàn)證了刀盤開(kāi)口分析結(jié)果的正確性,為土壓平衡盾構(gòu)刀盤開(kāi)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀盤開(kāi)挖面支護(hù)壓力平衡控制提供了主要的參考價(jià)值;
　　(4)分析了刀盤開(kāi)口率以及對(duì)應(yīng)的開(kāi)口分布特征變化下的多方案刀盤的掘進(jìn)穩(wěn)定性與掘進(jìn)排渣性能,建立了以刀盤開(kāi)口