岩土液压盾构刀盘低频振动掘削新方法及应用基础研究

The project proposed a inovative vibration excavation methods of ground shield for sock and soil, and basic theory and method of shield tunneling of vibrating excavation technology is researched. main research contents include: drag reduction mechanism of disk cutter vibration excavation and Kinetics of numerical simulation optimization method, initiative excitation method and theory of shied hydraulic system, multi-frequency vibration synthesis of exciting drag reduction method and tool wear mechanism, shield disk cutter and tool configuration design mehod and optimization techniques. Finally, combined with field test results of shield tunneling and expriments of shield vibrating excavation small-scale prototype system, above-mentioned theoretical results are verificated and improved. According to the preliminary research works, it is expected that research theory of this projectis will be applied to shield the geotechnical excavation, geotechnicalshield cutting resistance can be make to significantly reduce the expected with less excitation power,(according to preliminary studies, the excavation resistance can be reduced by 20-55%,frequency is 10-100Hz), and at the same time be able to to improvethe shield tool wear and passivation to improve the quality of the shield pulverizer,and to shield mining operations and dumping efficiency.

项目创新性提出一种岩土盾构振动掘削新方法，将振动切削减阻理论应用于盾构机的岩土掘削作业，进行盾构低频振动掘削技术的基础理论及方法研究。关键理论研究内容包括：盾构刀盘的振动岩土掘削机理及动力学数值仿真优化方法、盾构泵控液压主动激振方法及理论、多频振动合成激振减阻方法及刀具磨损机理、盾构刀盘和刀具配置设计及最优化技术，并结合φ1.8m岩土盾构刀盘振动掘削试验台和现场工程实验数据对比研究进行项目理论的工程应用基础研究与方法验证。项目的相关研究成果预计应用于盾构岩土掘削，可使得岩土盾构切削驱动需求功率大大降低（据前期研究预计，激振频率10-100Hz，平均掘削阻力可降低20-55%），该低频振动掘削新方法应用于隧道盾构，能改善盾构刀具易磨损及钝化问题，改进盾构碎土质量，以及提高盾构挖掘的作业和排土效率。本项目提出的新方法和理论具有有较高的工程技术理论研究价值，相关应用技术也具有极好的工程应用前景。

项目针对岩土盾构振动掘削新方法和工程应用基础理论研究，完成了：（1）岩土-盾构刀具部件-刀盘系统有限元模拟土壤切削的非线性动力学研究。建立了盾构切刀、滚刀破岩理论模型及振动切削动力学模型，基于ANSYS/LS-DYNA进行了数值建模及切削过程仿真分析，建立了盾构刀具、刀盘的振动掘削动力学模型和盾构刀盘掘削载荷分析计算模型，探索了一套适用于了非线性大变形土力学数值分析方法和建模技术，（2）盾构刀具的岩土振动掘削技术研究。采用数值仿真结合试验验证技术，揭示了将刀具振动与土壤液化、岩土破坏裂纹产生与扩展、刀具与岩土的接触方式改变等微观减阻机理；并研究总结了刀具磨损、刀盘振动掘削与激振频率、振幅与减阻效率之间的规律，完成了盾构刀具、刀盘主动激振动力学参数优化理论。（3）多源振动刀具系统组成的盾构刀盘配置技术研究。研究了盾构刀盘两方向复合激振掘削减阻效率及规律，结合刀盘刀具配置及刀盘结构参数优化进行多源振动刀具系统组成的盾构刀盘配置技术研究，建立了最小主轴驱动功率和最低无用功耗为目标的刀盘结构及参数优化设计模型，为刀盘振动减阻掘削的工程应用奠定理论基础。（4）2D液压数字阀结合油缸驱动的盾构刀具振动激振器技术。针对盾构切刀振动岩土切削和滚刀振动破岩机理，研究了基于切削前进方向和刀具切削垂直方向的速度变化的主动激振原理，以及复合激振器运动分析和激振器设计，并进行了激振过程的数值仿真和实验验证；结合项目理论研究，提出国内首套盾构机振动掘削测试台架和测试实验系统，并完成了φ1.5m盾构刀盘振动掘削动力学性能综合实验台设计和研制工作。项目探索了岩土盾构振动掘削减阻机理、提供了岩土非线性大变形失效过程动态数值分析与仿真方法参考，研制了岩土盾构振动掘削科学试验研究设备，为岩土盾构振动掘削技术的工程应用提供了方法理论支撑。