砂卵石地层盾构刀具切削机理及其应用研究

采用理论研究、室内实验、模型实验及现场切削过程和刀具磨损的动态监测等手段，在研究砂卵石与盾构刀具切削相关的物理力学特性的基础上，研究砂卵石地层盾构刀具切削机理和刀具磨损。包括(1)砂卵石地层合理的切削模式和切削力学模型；(2)砂卵石地层土体性质与刀具磨损的相关关系；(3)刀具形式和配置与刀具磨损关系；(4)盾构掘进参数与刀具磨损的相关数学模型。研究从刀具与土体的相互作用入手，通过理论分析建立砂卵石地层切削力学模型，进行具有不同的砂卵石地层条件（粒径、级配、密实度）、刀具形式（刀具尺寸、形式、安置角度等）及掘进参数(掘进速度、推力和扭矩等)的切削模型实验，分析提出砂卵石地层性质与刀具形式、刀具配置的相关关系。建立刀具磨损与掘进参数的相关数学模型，并进行现场动态观测，合理修正相关理论模型。针对具体工程提出降低刀具磨损方案。为砂卵石地层盾构选型、刀盘刀具设计以及长距离连续安全掘进提供依据。

通过搭建盾构模型试验平台，进行刀具切削试验，研究砂卵石地层与刀具切削相关物理力学特性，提出了砂卵石地层盾构刀具切削机理和切削模式，并命名为犁松原理，为类似地层合理配置刀具提供了理论依据；并依托实际工程进行了现场盾构刀具磨损动态监测，研发了超声波动态监测盾构刀具磨损装置，基于监测数据建立了盾构掘进参数与刀具磨损的相关数学模型。基于颗粒流理论，建立了盾构刀具切削砂卵石地层细管力学模型，研究了不同刀间距、贯入度、地层条件切削效率问题，根据刀具间土体颗粒接触力的变化，总结归纳出了三种典型的土体耕松模式，三种耕松模式可根据切深和间距不同相互转化, 耕松土体面积也因耕松模式的变化而改变，并提出了耕松效率的概念, 结合相关参数的比较, 选择出了最优刀间距。结合北京地区砂卵石地层实际工程刀具磨损观测数据，总结了砂卵石地层刀具磨损规律，并从刀具配置和渣土改良两个方面提出了耐磨减磨措施，为盾构施工提供了指导。