盾构刀群与岩土耦合作用机理及应用研究

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。

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。