【正文】 .......……49..................................................……50..................................................................................................……54廠中南大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄第四章盾構(gòu)刀盤回轉(zhuǎn)驅(qū)動液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)特性分析.................……55..................................................................……55..................................................................……55..................................................................……57.......................................................................……59..................................................……60.......................................……60...............................................……61，..............................................................……62......................................……64............................……。............................……64.......................................................……674，4本章小結(jié)..................................................................................................……68第五章基于AMESha的盾構(gòu)刀盤回轉(zhuǎn)驅(qū)動液壓系統(tǒng)仿真研究....................……70 ...............................................................……70..........................................................……71..............................……74......................................................……77..........……，..............................................……77...........................................................……81.......................................................................……87..................................................................................................……89第六章總結(jié)與展望.............................................................................................……91..........................................................................................................……91..........................................................................................................……92參考文獻...............................................................................................................……93致謝.......................................……， ...............................……，...................................……98攻讀學(xué)位期間主要研究成果...............................................................................……99中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提高，許多地區(qū)產(chǎn)生了諸如城市擴張、人口膨脹、交通擁擠、大氣污染、噪音污染等一系列問題，如果繼續(xù)開發(fā)地面交通無疑將導(dǎo)致上訴諸多問題陷入惡性循環(huán)。合理開發(fā)利用地下空間已逐漸成為目前國內(nèi)外公認(rèn)解決建設(shè)用地與土地資源日益嚴(yán)重不足問題、促進社會可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的最佳途徑[l刀。圖1一1質(zhì)構(gòu)掘進機地下建筑物的修建一般采用明挖法、暗挖法和盾構(gòu)法。一般而言，明挖法多用于平坦地形或埋深小于30m的場合，該方法幾乎可以適應(yīng)各種不同類型的結(jié)構(gòu)形式，使結(jié)構(gòu)空間得到充分而有效的利用。但隨著埋深的增加，采用明挖法會使工期和費用顯著增加且工期可預(yù)見性較差，在大型越江(海)工程中還會因為所面臨工程量浩大、不利影響因素過多而幾乎無法實施。隧道暗挖法需要采取較多輔助措施，施工降水等措施所引起的臨近地區(qū)地下水位降低、地面沉降量增加等問題較為突出，安全隱患嚴(yán)重，且當(dāng)?shù)鼗鶡o自承載能力或承載能力較低、地下水位較高時，隧道將無法開挖通過。盾構(gòu)隧道施工(除豎井外)幾乎不會對外界產(chǎn)生交通影響，施工所產(chǎn)生的招生和振動也只發(fā)生在豎井口附近，該施工法能較好地控制地下水滲漏和地表沉降，不影響地面交通和地下水位，工程費用幾乎不受隧道埋深的影響，目標(biāo)工期和工程造價可控性好，施工風(fēng)險相對較小，施工期間不影響江河通航，不易受河床變遷影響，因而在國內(nèi)外眾多地鐵隧道、排污隧J中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論道和大型越江(河)隧道修建中廣為采用卜51。目前，我國的城市軌道交通建設(shè)正處于史無前例的高潮。北京、天津、南京、沈陽、成都、西安、深圳、長沙等地鐵項目正在如火如茶地建設(shè)中，另外還有多個城市的軌道交通建設(shè)規(guī)劃獲批或正在申報待批。城市地鐵在擴大內(nèi)需的政策支持下，紛紛加大投資、加快建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國有25個大城市正在進行軌道交通的前期工作，總規(guī)劃里程超過SOO0km，總投資超過8000億元。“十一五”期間，全國特大城市的地鐵和輕軌通車?yán)锍虒⒊^1500km[61。在國內(nèi)地鐵隧道建設(shè)施工中，盾構(gòu)法施工以其對周圍環(huán)境影響小、自動化程度高、施工快速、安全環(huán)保等優(yōu)點顯現(xiàn)出強大的優(yōu)勢，應(yīng)用越來越多。隨著長距離、大直徑、大埋深、復(fù)雜斷面盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展、成熟，盾構(gòu)法越來越受到重視和青睞。特別是在地層條件差、地質(zhì)情況復(fù)雜丈地下水位高等情況下，盾構(gòu)法更具有明顯的優(yōu)越性。因此，盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)化將具有廣闊的市場前景[7]。目前，盾構(gòu)機的主要技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)主要集中在美、日、歐等少數(shù)幾個發(fā)達國家和地區(qū)，其中日、德的盾構(gòu)機技術(shù)性能最為優(yōu)越。作為隧道施工中極為重要的掘進裝備，盾構(gòu)機在國外公司的壟斷下依然大多依賴進口。[8]其高昂的購置費和維護費，制約著施工成本的降低，致使基礎(chǔ)設(shè)施耗資巨大。發(fā)展國產(chǎn)盾構(gòu)，研究、設(shè)計、制造符合中國國情的盾構(gòu)，對打破國外技術(shù)壟斷，提高我國設(shè)計制造水平，振興民族工業(yè)，帶動重大裝備制造業(yè)的發(fā)展具有顯著的示范作用，提高盾構(gòu)技術(shù)水平對國民經(jīng)濟和國防建設(shè)都具有深遠意義。.2盾構(gòu)施工法及盾構(gòu)機概述盾構(gòu)施工是指使用盾構(gòu)掘進機，一邊控制開挖面使圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊進行隧道掘進、出碴，并同時在機器內(nèi)部拼裝管片形成襯砌環(huán)實施壁后注漿，盡量不擾動圍巖而修建隧道的方法。采用盾構(gòu)法修建而成的隧道稱為盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道施工的工作原理就是盡可能在不擾動圍巖的前提下完成施工，從而最大限度地減少施工對地面和地中建筑物的影響。工程中主要通過主動控制圍巖的應(yīng)力釋放和變形以達到削弱施工影響的目的，其措施包括:使用壓力倉內(nèi)的泥土或泥水壓力以平衡開挖面所承受的前方土、水壓力。使用切削刀盤和盾構(gòu)鋼殼對開挖四周進行被動支護。使用壁后注漿及時充填欠挖及盾尾孔隙等14，51。如圖1一2所示，盾構(gòu)隧道施工流程主要包括如下幾個步驟:(l)在修建區(qū)間隧道兩側(cè)端頭修建豎井(或基坑)，作為盾構(gòu)始發(fā)和接受豎井(或始發(fā)和接受基坑)。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論圖1一2盾構(gòu)施工流程圖(2)將盾構(gòu)主機和相應(yīng)配件分批次吊入始發(fā)豎井(或始發(fā)基坑)，于設(shè)計預(yù)留始發(fā)掘進位置完成整機組裝，調(diào)試各項參數(shù)以滿足施工要求。(3)在始發(fā)豎井(或始發(fā)基坑)預(yù)留開口處破壁施工，延隧道設(shè)計軸線頂推前行。(4)完成設(shè)計盾構(gòu)區(qū)間隧道頂推施工。施工全過程主要可分為幾個步驟:①核心土體的開挖:保持盾構(gòu)開挖面土、水壓力略小于壓力倉內(nèi)支護壓力以保持掌子面的不斷前行。②盾尾管片環(huán)拼裝:當(dāng)掌子面頂推單環(huán)裝配式管片環(huán)幅寬長度時，在剛性盾殼保護下完成整環(huán)管片拼裝。③壁后注漿回填:為避免脫離盾殼庇護管片環(huán)河實際開挖毛洞間所留下的盾尾孔隙附近無支護土體坍塌所引起的較大地層損失和地表位移，通過設(shè)置在盾尾和管片上的預(yù)留注漿孔進行同步和壁后注漿。④重復(fù)上述過程，開挖面不斷前行，行成連續(xù)管片環(huán)和注漿環(huán)直至整條隧道貫通。(5)頂推施工至設(shè)計預(yù)定接受豎井(或接收基坑)，盾構(gòu)再次破壁以結(jié)束施I，拆卸盾構(gòu)機并吊運完成[5， 9，101。就本質(zhì)而言，盾構(gòu)隧道施工屬于暗挖施工方法之一，故其沒有明挖施工法的諸多缺點。目前以開發(fā)的盾構(gòu)施工法不僅適用于軟土地層，而且適用于硬質(zhì)地層和巖層情況。歸納起來，盾構(gòu)隧道施工具有以下主要優(yōu)點:(l)施工對環(huán)境影響小。主要包括:出土量小，場地附近地層擾動沉降小，對周圍建筑物影響小。不影響地表交通，無需切斷或搬遷地下管線等各種地下設(shè)施，從而節(jié)省了大量的工程附加費用。對周圍居民生活和出行影響小。無空氣、噪聲和振動污染等問題。(2)施工不受地形地貌、江河水域等地表環(huán)境條件的限制。(3)地表占地面積小，施工占地和征地費用小。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論(4)適用于大深度、長距離和高水頭等惡劣條件下的施工，施工費用可控性好。(5)施工受天氣狀況和氣候條件影響小。(6)開挖出土量小，有利于降低工程成本。(7)施工構(gòu)筑盾構(gòu)隧道柔度大，抗震性好。(8)使用范圍廣，可廣泛適用于軟土、砂卵石、軟巖乃至硬巖等各類地層條件。盾構(gòu)隧道雖然優(yōu)點眾多，但仍存在一些不足之處，主要有:(l)當(dāng)隧道曲線半徑過小時，施工較為困難。(2)修建城市隧道時，弱隧道覆土太淺則施工困難較大。水下施工時，若覆土太淺則將導(dǎo)致施工安全性較低。(3)施工中隧道上方一定范圍內(nèi)的地表沉陷難以完全消除，特別是對于飽和含水松軟地層而言，施工中應(yīng)采取嚴(yán)密的技術(shù)措施以將沉降控制在設(shè)計要求范圍內(nèi)。(4)飽和含水地層和水下隧道施工過程中，該施工法所采用的拼裝襯砌對達到整體結(jié)構(gòu)防水性的技術(shù)要求較高11’]。盾構(gòu)掘進機 (Shieldtunnelingmachine)是一種隧道掘進的專用工程機械。現(xiàn)代盾構(gòu)掘進機采用了類似機器人的技術(shù)，如控制、遙控、傳感器、導(dǎo)向、測量、探測、通訊技術(shù)等，集機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能。盾構(gòu)掘進機是世界上最先進的隧道掘進設(shè)備，主要由切削刀盤、動力機構(gòu)、液壓主軸頂進機構(gòu)、液壓糾偏機構(gòu)、液壓中繼頂進機構(gòu)、液壓主頂進機構(gòu)、襯砌及巖土排運機構(gòu)以及檢測導(dǎo)向機構(gòu)等幾個部分組成，適用于軟土、礫石、硬巖等不同地質(zhì)構(gòu)造的隧道暗挖，被廣泛應(yīng)用于地鐵、公路、鐵路、輸氣、輸水、市政、水電隧道等大型工程建設(shè)112]。由盾構(gòu)機與特定的基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征的匹配情況決定了在不同施工環(huán)境，盾構(gòu)機所具有的三種類別:軟土盾構(gòu)機、硬巖盾構(gòu)機(TBM)和混合盾構(gòu)機三類[l3一，51。軟土盾構(gòu)機是指適用于未固結(jié)成巖的軟土、某些半固結(jié)成巖以及全風(fēng)化和強風(fēng)化圍巖條件下的一類盾構(gòu)機。北京、上海、南京、天津等地在純軟土地層中使用的盾構(gòu)機是典型的軟土盾構(gòu)機。比如，上海地鐵使用的雙圓軟土盾構(gòu)機的刀盤，僅安裝刮刀，不需要滾刀。廣義的硬巖盾構(gòu)機是指巖石掘進機(化M)。它適用于硬巖且圍巖巖層較致密完整的一類盾構(gòu)機。秦嶺鐵路隧道和引大入秦、引黃入晉水利工程使用的是典型的硬巖盾構(gòu)機。山西萬家寨引黃工程使用的硬巖盾構(gòu)機球面刀盤，只安裝滾刀，不安裝刮刀[l61。軟土和硬巖盾構(gòu)機是在均一地層中使用的盾構(gòu)機?；旌隙軜?gòu)機是指設(shè)備具有的功能的“混合”，這類盾構(gòu)機既具有軟土盾構(gòu)機的功能又具有硬巖盾構(gòu)機的功能。既具有土壓平衡功能又具有泥水加壓功能。既可以開胸式掘進又可以閉胸式掘進，等等。這是一類能適應(yīng)更為復(fù)雜多變的復(fù)合地層的盾構(gòu)機。廣州地鐵大塘一漢溪區(qū)間使用的是混合盾構(gòu)機，其刀盤兼有軟土和硬巖盾構(gòu)機的特點。在特定的盾構(gòu)施工環(huán)境，