盾构刀群与岩土耦合作用机理及应用研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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盾构刀群与岩土耦合作用机理及应用研究

项目名称：盾构刀群与岩土耦合作用机理及应用研究
项目类别：面上项目
批准号：51074180
申请代码：E0408
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2011-01-01-2013-12-31

项目负责人：夏毅敏
负责人职称：教授
依托单位：中南大学
批准年度：2010

中文摘要：

盾构掘进机是地铁、引水工程、隧道等地下空间工程建设中急需的大型基础装备，而刀具（群）是盾构掘进中切削破碎岩土的关键部件，由于目前对于多场耦合条件下，刀群与岩土作用机理认识不足，造成刀群非正常失效、刀盘损坏和地表坍塌等重大工程事故。针对这些工程中的基础科学问题，本申请拟在已有工作基础上开展以下研究工作（1）空间刀群组合截割作用下岩土响应特征研究；（2）刀群-岩土耦合作用下刀群切削特性研究；（3）基于刀群整体能效的刀具失效准则研究；（4）基于复杂地质条件刀群设计方法研究。通过理论分析、计算机仿真模拟和实验测试相结合的方法，揭示刀群、掘进工艺参数与地质条件适应性规律，建立盾构掘进过程中刀群切削性能评价模型，提出一种高效低能耗低扰动的盾构刀群组合设计方法，为盾构法进行地下空间工程应用提供理论依据。

中文主题词：盾构掘进机；岩土响应特性；刀群切削模型；刀具失效准则；刀群设计方法

英文摘要：

Shield tunneling machine；Rock response characteristics；Cutter group cutting model；Cutters failure criteria；Cutter group design method

英文主题词： Shield tunneling machine；Rock response characteristics；Cutter group cutting model；Cutters failure criteria；Cutter group design method

结论摘要：

盾构机在城市地下空间工程的应用日益广泛，刀具是盾构机切削岩土的工具，揭示刀具（刀群）与岩土耦合作用规律，提出合理的刀具设计、组合选配与布置方法是盾构机安全、稳定、高效掘进的前提。课题组分析了不同区域工程地质状况信息，结合仿真与实验手段，对刀群截割岩土破碎机理进行研究，提出了基于连续损伤模型的破碎剥离准则，研究刀群组合切削岩土动态响应特性，揭示了不同组合参数刀群切削岩土裂纹演变规律；基于刀群岩土耦合作用下刀群切削特性研究，分析了盾构刀群切削运动学和动力学特性，建立了典型刀群受力预测模型，揭示了刀具结构参数、工作参数、组合参数与刀群切削性能的映射规律；依据实际工程刀具损耗数据，分析了特定地质条件下刀具失效形式与主要成因，通过仿真与模拟实验研究了刀具疲劳裂纹扩展特性和磨损机理，建立了滚刀与切刀磨损预测模型，实现了对正常磨损状况下刀具寿命的预测；在刀群切削特性和失效准则的研究基础上，提出了以高切削效率、长寿命为优化目标的盾构刀具结构优化设计方法，并开发了盾构刀具CAD系统，实现刀具自动参数化设计与布置优化。最终形成了一种盾构刀群组合优化设计方法，为盾构掘进机的设计与制造提供理论依据。

成果综合统计