弹性接触力学模型及其在盾构刀盘系统载荷研究中应用-固体力学专业论文.docxVIP

中文摘要 盾构法作为一种在地表以下暗挖隧道的施工方法，以其经济、安全、对环境 扰动较小等特点，已成为地下铁路、输运管道等多种隧道工程建设的主要手段。 刀盘系统作为盾构核心部件，在掘进过程中始终与土体接触并相互作用，因而在 接触界面上相互作用载荷十分复杂，且由于位置特殊，很难直接测量, 因此刀盘 系统载荷是直接关系到盾构设计和施工效率的关键参数。对于刀盘系统载荷及其 与相关参数间影响规律进行研究可以为盾构设计、施工中参数的选取及控制提供 有效参考及理论依据。 本文从盾构刀盘载荷平衡的力学基本概念出发，基于弹性接触力学模型对盾 构刀盘系统载荷相关问题展开分析。首先推导了平端刚性圆柱型压头与弹性半空 间接触模型的载荷、变形及材料参数间关系，讨论了接触面应力，特别是切向应 力，在不同状态下的分布规律。在此基础上，着眼于盾构掘进过程中刀盘系统- 土体耦合作用界面上载荷和刀盘驱动载荷始终保持平衡的基本特征，将弹性接触 力学模型相关结果应用于盾构刀盘载荷问题的研究，紧抓掘进施工中的载荷、地 质、掘进位移等关键因素，讨论了刀盘与土体耦合作用界面载荷分布规律，实现 了对刀盘系统载荷的预估并确定了其相关影响因素，最后近似分析了各关键参数 间影响规律。 本文工作是在对盾构刀盘系统力学特征进行分析与简化的基础上，将遵循相 同平衡准则的接触力学模型应用于盾构刀盘系统载荷问题研究，本文提出的盾构 掘进简化力学模型得到了相关实验结果及工程实践数据的支撑，初步分析结果表 明该简化模型可以近似地对盾构关键参数间的相互影响进行描述，并可用于对关 键参数变化趋势进行预估。 关键词： 弹性接触力学模型 刀盘系统载荷 界面载荷分布 ABSTRACT Shield tunneling technology is a major method in the tunnel construction as a kind of tunneling method underground, because of its safety, low cost and priority for environment. Shield cutting system is the key part interacting with earth during the tunnel construction process. The complicated load of cutting system relates to the design and the efficiency of the construction. Due to special position, the load is hard to measure directly during tunneling process. It is significant for providing effective reference and theoretical basis to analyze the load case of cutting system. Based on the concept of balance, the load of cutting system is analyzed using the elastic contact mechanics model in the thesis. Firstly, the contact mechanics model between a rigid cylinder and the elastic half-space is concerned. The relationship among the parameters of load, deformation and material is derived. Furthermore, the stress of the contact interface, especially the tangential stress, is discussed. Secondly, according to the balance in the load of the cutting system, the elastic contact mechanics model is used to discuss the relationship of major parameters including the load, deformation and geological condition. The model can also be applied to calculate the thrust and torqu