基于数值模拟的土压平衡盾构机施工效率优化.pdf

第１７卷第６期水利与建筑工程学报Ｖｏｌ．１７Ｎｏ．６

２０１９年１２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｃ．，２０１９

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－１１４４．２０１９．０６．０２８

基于数值模拟的土压平衡盾构机施工效率优化

何同继，张怀鹏，苏留锁，赵光营，谢皆睿

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京１０００１８）

摘要：以某城市地铁施工ＥＰＢ盾构机为研究对象，针对刀盘挖掘速度、旋转速度和土体切削率之间的

关系进行盾构机施工效率提升优化研究。采用通用有限元分析软件建立土体和盾构刀盘的三维模型。

土体模型基于非线性Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｌ模型屈服准则，应用ＡＬＥ法处理大范围的土体变形和破坏问题。

应用ＡＢＡＱＵＳ模拟刀盘切削土体的过程，对土体在刀盘切削工况下的Ｍｉｓｅｓ应力、等效塑性应变

（ＰＥＥＱ）和质量切削率进行分析，并对试验数据进行回归分析。结果表明：刀盘在对同种土体进行切削

时，随着转速的增大，其轴向力和对应力矩都呈现出先增加后减少的趋势，其中刀盘轴向力的变化范围

为０～３００ｋＮ，刀盘轴向力的变化范围为０～３００ｋＮ／ｍ。通过回归分析得出刀盘挖掘速度、旋转速度和

土体切削率之间的函数关系并计算出盾构机挖掘效率最优的系统挖掘参数组合为刀盘转速６ｒ／ｍｉｎ和

挖掘速度１０ｍｍ／ｍｉｎ。

关键词：ＥＰＢ盾构机；Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｌ模型；Ｍｉｓｅｓ应力；等效塑性应变

中图分类号：ＴＨ１２２文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—１１４４（２０１９）０６—０１５８—０６

ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｔＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｅｒｓ

ｏｆＣｕｔｔｅｒＨｅａｄｏｎＣｕｔｔｉｎｇＳｏｉｌｏｆＥＰＢＳｈｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅ

ＨＥＴｏｎｇｊｉ，ＺＨＡＮＧＨｕａｉｐｅｎｇ，ＳＵＬｉｕｓｕｏ，ＺＨＡＯＧｕａｎｇｙｉｎｇ，ＸＩＥＪｉｅｒｕｉ

（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１６ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＢｅｉｊｉｎｇＲａｉｌＴｒａｎｓｉｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｙｔａｋｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＥＰＢｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｉｎａｃｅｒｔａｉｎｍｅｔｒｏｌｉｎｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅ

ｔｗｅｅｎｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｒａｔｅｏｆｓｏｉｌｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏ

ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｓｏｉｌａｎｄｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｏｉｌｍｏｄｅｌｗａｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ

ｙｉｅｌｄｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒＤｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｅＡＬＥｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅ

ｏｆｓｏｉｌｍａｓｓｉｎａｌａｒｇｅｒａｎｇｅ．ＡＢＡＱＵＳｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｏｉｌｗｉｔｈｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ，ｔｈｅＭｉｓｅｓ

ｓｔｒｅｓｓ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎ（ＰＥＥＱ）ａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｒａｔｅｏｆｓｏｉｌｕｎｄｅｒｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄａｒｅａｎａ

ｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｓ