盾构刀盘与岩土动态交互作用机理及刀盘系统设计理论研究

盾构刀盘系统指由刀盘、密封舱组成的前盾部分的掘削和保压系统，目前尚未形成完整的刀盘系统设计理论与评价体系。本项目采用离散元仿真、模型实验与理论分析相结合的方法，研究复杂地质条件下刀盘系统与岩土的动态交互作用机理，进而建立刀盘系统地质适应性设计理论。运用离散元分析软件PFC3D建立刀盘系统掘进的离散元仿真模型；在实验室搭建刀盘系统掘进的实验平台，结合实验数据和理论分析，验证仿真模型的正确性；在仿真模型基础上，分析掘进过程中刀盘系统与岩土耦合作用下应力场、速度场、渗流场的动态变化规律，分析刀盘系统在复杂地质条件下的力学行为，揭示刀盘系统与岩土动态交互作用机理；变换参数进行一系列仿真，研究岩土参数、刀盘系统拓扑结构参数、操作参数与系统综合性能指标之间的映射关系；以刀盘界面稳定、掘进效率、功率等综合性能最优为目标，建立刀盘系统优化设计理论和方法，旨在提升我国盾构掘进装备设计的自主创新能力。

盾构掘进过程中刀盘与岩土的动态交互作用规律是优化设计盾构刀盘系统的基础。建立了刀盘系统掘进过程的离散元仿真模型，通过模型实验数据与仿真实验数据相比对确定碴土的颗粒离散元模型参数；获取了掘进过程不同时刻刀盘前、刀盘后、密封舱隔板前的土颗粒位移场和力场，跟踪刀盘前颗粒的运动过程，提取出刀盘扭矩和刀具上作用力随时间变化曲线；分析了刀盘结构和转速对土颗粒运动的影响、刀具布局对刀具磨损的影响；提出刀盘系统掘进的性能指标，建立了刀盘系统设计理论和方法并给出设计实例。本项目的研究成果为刀盘系统设计提供理论依据和方法指导。