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盾构破岩机理和实验研究计划

1.主要研究内容如下：

1.通过盾构刀盘刀具与岩土的相互作用，开展刀盘应力状态分布特征、岩体受力状态分布、刀盘刀具与围岩相互作用规律、高效破岩机理及界面平衡机理研究，提高刀盘刀具对地层的适应性。

2.开发刀盘有限元参数化自动建模分析平台，研究掘进状态下刀盘刀具应力应变分布规律、振动和刚度变化，进行刀盘刀具结构参数优化。

3.通过对盾构刀盘刀具数字化设计方法研究，总结一套刀盘设计分析技术及基于有限元参数化自动建模的结构优化设计流程，并运用该流程在本课题完成后继续滚动研究，开发设计1至2款盾构刀盘和多款系列刀具，应用于重点工程进行工业性试验。

1.2.1基础理论研究

（1）高效破岩机理研究

岩土变形破坏试验与机理研究：利用模型材料实现对不同岩土地层的人工模拟，并制作相应的地层模型，开展盾构施工参数对地层特性的适应性研究。通过试验得出推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘开口率等主要盾构施工参数与岩土特性之间的适应性联系，以及各施工参数之间的匹配关系，对盾构施工掘进参数的优化进行指导。

刀具旋转作用对岩土变形破坏的试验与机理研究：开展岩土在实验室内单轴压缩、三轴压缩及破碎试验等，研究岩土在刀具旋转作用下的剪切变形破坏机理。

岩土在三轴压缩实验下和三轴加卸载实验下的力学特性和破坏特征研究：测试在不同卸荷应力路径下的应力－应变全过程曲线，研究不同卸荷条件和卸荷速率下的变形特性、破坏形式及破坏后的应力－应变关系，建立卸荷条件下的破坏准则，奠定试验基础。

在不同埋深、不同节理倾角和不同节理间距情况下，分析岩土地层内部裂隙的形成机理，开展盾构掘进过程中刀具对岩土破裂过程的研究。

（2）刀盘刀具与围岩耦合作用规律研究

针对盾构掘进过程中刀盘刀具与岩体的相互作用，开展刀盘应力状态分布特征、岩体受力状态分布、刀盘刀具与围岩相互作用规律及界面平衡机理研究，提高刀盘刀具对地层的适应性，实现盾构掘进的安全、可靠、高效。

掘进速度和刀盘刀具工作参数与破岩效率关系的研究：在不同卸荷速率下三轴加卸载试验成果的基础上，以Hoek-Brown经验强度准则为依据，拟合出在不同卸荷速率下岩土力学参数(粘聚力和摩擦角)。在FLAC3D程序中植入加卸载准则，研究在不同掘进速率下隧洞围岩的开挖扰动区特征和围岩稳定特征。

刀盘刀具与土体的适应性研究：针对不同地层的工程特性、盾构在掘进过程中刀盘与地层之间不同的相互作用关系，以及由此造成的盾构在切削地层过程中刀盘切削扭矩上的差异开展研究，尝试建立岩土类型、岩土压力理论模型，及盾构主要掘进参数(推力、扭矩)计算理论模型。针对不同的刀盘结构形式造成的掘进过程中不同的阻力影响，研究刀盘、刀具形状、数量、布设形式与岩土性质、掘进速度等参数的关系，研究切削面和不同刀盘结构形式对刀盘扭矩的影响，优化设计方案。

刀盘扭矩理论模型研究：对影响刀盘掘进扭矩的因素进行分析，建立新的、完整的刀盘扭矩计算理论模型。在扭矩计算模型中，研究刀盘背面渣土的摩擦阻力扭矩、刀盘旋转剪切进入刀盘开口土柱的阻力扭矩，以及刀盘构造柱的搅拌力矩对刀盘实际扭矩构成的影响，建立其扭矩的计算模型，提升刀盘扭矩计算的准确性、全面性和理论性。

关键技术问题：

土层性质、破坏机理和本构模型

（1）确定粘土、砂土和砂砾土等不同土层的物理力学特性和参数，实验室模拟材料选择和模拟；

（2）不同土层在刀具不同受力条件下的实验测定，对岩土变形破坏机理研究；

（3）不同土层在盾构掘进作用下(推力、扭矩)的破坏准则，建立其本构关系；

（4）建立岩土类型、岩土压力理论模型以及盾构掘进参数(推力、扭矩)计算理论模型。

土压平衡盾构掘进与土层耦合作用的模拟试验研究

模拟试验台的设计和制造

对于土体模拟：土箱形状、尺寸、外壳设计；土箱边界条件和固定方法；土层密度、含水量等控制方法和如何实现。

对于模拟盾构的设计和制造：盾构的尺寸和主体结构；盾构的传动和加载系统、控制系统；刀盘结构、刀具数量、刀具形状、刀盘开口率等设计；盾构密封土舱设计和排土方法；盾构固定和运动系统。

测试技术和方法：土体内部不同部位的压力和变形测试，土体表面的位移；盾构土舱压力的测试和控制；盾构推力、扭矩、速度等参数的设计和测试。

开展盾构刀盘、刀具与地质条件的适应性试验，以及刀盘结构、刀具数量、刀具形状、刀盘开口率、布设形式与土质、掘削速度等参数的关系。

对掘进过程中刀盘应力状态分布进行测试、分析。

土压平衡盾构掘进与土层耦合作用的数值模拟

建立其扭矩的计算模型，建立刀盘结构数字化模型

研究切削面和不同刀盘结构形式对刀盘扭矩的影响，优化设计方案；

对影响刀盘掘进扭矩的因素进行分析，建立新的、完整的刀盘扭矩计算理论模型。

试验场地和布局，应用实例验证试验

博士论文：盾构施工参数的地层适应性模型试验及其理论