复杂地层条件下盾构掘进刀具磨损机理与预估模型研究

盾构刀具磨损已成为制约其技术安全与掘进效率的关键问题之一，尤其是在含有大漂石、砾石、砂卵石及软土的土-砂-石混合的复杂地层条件中掘进施工。项目拟利用地质统计学、随机场模拟与损伤力学等理论，提出考虑复杂地层条件的刀具磨损计算模型，为解决盾构掘进刀具磨损动态预估提供新理论。具体为：通过对国内外盾构刀具磨损事故调研，分析盾构掘进不同刀具切削原理，研究刀盘与刀具的组合配置与布置原则，揭示地层分布变异对盾构刀具磨损影响；研究隧道纵、横向断面地层的分布状态与变异特征，建立地层断面二维和三维随机模拟模型，分析盾构刀盘掘进穿越地层运动行进轨迹，提出刀具掘进行程精确计算模型；针对我国典型区域复杂地层条件，设计单个刀具岩土体磨损试验，获取不同地层的刀具耐磨性参数，提出刀具磨损量估算方法，建立复杂地层条件下刀具磨损动态预估模型。项目可为降低盾构刀具的磨损风险提供理论支撑，对提高我国盾构施工安全有重要的工程价值。

当前我国已有36个城市正在进行大力发展城市轨道交通，大量的盾构隧道施工对盾构施工技术提出了新挑战。由于我国各地城市地层条件复杂多变，盾构刀具磨损问题已成为制约其技术安全与掘进效率的关键问题之一，尤其是在含有大漂石、砾石、砂卵石及软土的土-砂-石混合的复杂地层条件中掘进施工。项目研究系统收集了国内外自2003年以来盾构隧道施工发生41例典型的盾构刀具事故，通过对刀具磨损事故进行了系统统计分析，研究刀盘及刀具的组合配置与布置规律，结合我国主要城市盾构施工地层特点，评估不同类型盾构刀具配置的地层适应性风险。针对收集的国内36个城市轨道交通隧道工程地质资料，对工程所在的复杂地层条件进行系统分析，分析了复杂地层条件土体磨损物理力学特性特征，根据土体磨损特性考虑建立了极易磨损Ⅰ、易磨损性Ⅱ、中等磨损Ⅲ和低磨损Ⅳ四级分类，并结合我国城市区域特性首次提出了我国主要城市复杂地层磨损性分区图。结合盾构刀具磨损参数测试需求，通过对国内外盾构刀具磨损试验装置调研，分析了国际上现有刀具磨损试验装置，并对其进行了系统对比分析，研究了适用于不同类型土体的盾构刀具磨损试验测试方法；考虑我国城市轨道交通隧道施工特点和要求，提出了复杂地层条件盾构刀具磨损试验设计方案，并创新研制了考虑现状施工条件可模拟盾构实际施工工况的刀具磨损测试装置；利用研制装置测试的试验，提出了刀具磨损预估模型，推导了刀具寿命预测的普遍模型，通过对现场盾构隧道横断面地层分布分区定义，建立了复杂地层条件盾构刀具磨损预测模型。项目研究利用地质统计学、随机场模拟与损伤力学等理论，提出考虑复杂地层条件的刀具磨损计算模型，为解决盾构掘进刀具磨损动态预估提供新理论，研究成果可为降低盾构刀具的磨损风险提供理论支撑，对提高我国盾构施工安全有重要的工程价值。本项目研究按预定的计划进行，研究内容没有调整和变动，依托研究完成主要成果包括发表学术文论12篇（其中EI收录6篇，SCI收录4篇），参编国家标准2部，项目成果获得软件著作权1项，研制试验装置1套，正在申请国家发明专利2项，部分研究成果获得2013年上海市科技进步二等奖1项和江苏省科技进步三等奖1项。研究期间参加会议10次，其中国际会议4次；项目培养研究生4名（已答辩2名，待答辩2名），结合我国厦门、福州、南宁、兰州等城市开展了试点应用，并在我国深中通道、汕头通道等重大工程项目咨询提供了技术支撑。