第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
......................
1.2 国内外研究现状
1.2.1 盾构机工作原理及载荷特性
上软下硬复合地层是一种盾构在掘进施工时常见的地质结构，它既有软土地层的不稳定性，又有硬岩地层的高硬性、高脆性；盾构在进行这类型地层施工时，在推进系统的作用下，旋转刀盘不断对撑子面进行切削，在工作面上层的软土层很容易进入密封土仓，而工作面下部的硬岩则不易破碎、破碎随机性，造成盾构刀盘的受力异常复杂，盾构机的姿态控制非常困难，推进和回转系统控制突发性增大，使施工风险变高。杨书江结合广州地铁 3 号线工程实例，针对上软下硬的复合地层对盾构法施工带来的问题进行来大量的研究。北京交通大学针对广州地铁 2 号线越秀公园——三元里区间软硬不均地层的盾构施工，提出复合盾构的设计思想，并分析了刀盘、刀具与地层的适应性。由于上软下硬地层对盾构施工造成巨大不确定性，所以盾构的设计研究过程中应该充分考虑上软下硬地层对盾构“推进”、“回转”等子系统的影响。但是，很少人将上软下硬地层作为一个影响因素对盾构刀盘载荷及传递性进行研究，将此地层建立成一数字模型，作为一个输入条件对盾构“推进”“回转”系统进行研究；因此，有必要对上软下硬地层的盾构掘进数字化进行研究。
...........
第二章 异质岩土掘进刀盘载荷等效模型
2.1 异质岩土简化模型
根据实际的工程经验，“上软下硬”地层为盾构施工常见地层，即硬、软复合地层；根据上述分析，设定待掘地层为“二元软硬”元素结构，如图 2-3 所示，其中两层元素的分界线经过盾构刀盘的切削圆平面。此为最典型的盾构机掘进地质结构简化图。其中圆形部分为盾构机工作时刀盘掘进截圆，而截圆中分别由代表不同地质组成的软岩和硬岩组合而成（图中硬岩与软岩在盾构掘进截圆内所占的百分比含量分别为85﹪与15﹪）；当两种元素在刀盘截圆内的百分比含量发生改变时，表示盾构掘进时地质结构发生改变。因此，可以通过调节刀盘掘进截面圆内的元素百分比来模拟二元结构下的任意地层结构。根据此百分比图，可以量化出不同的地质结构对盾构刀盘载荷的影响。
...........
2.2 刀盘刀具切削载荷分析
土压平衡式盾构适用于软硬不均的复合地层，由于软土与硬岩的物理性质不同，需要有不同的切削方式。硬岩地层质地坚硬、脆性较大，抗拉强度和抗压强度很高，适合盘形滚刀进行压破式掘进；软土则具有强度低、孔隙度大、胶结程度差、单轴抗压强度低的特点，在工程载荷的作用下会产生变形，适合切削刀（刮刀）刮削掘进。针对土压平衡式盾构的地层应用特点，它的标准刀盘配置包括适用于硬岩的盘形滚刀和适用于软土的切削刀。盾构机在掘进施工时，通过刀盘的不断旋转对异质岩土进行切削掘进；但是刀盘不直接参与岩土掘进，它仅是一个切削载荷的传递载体，刀盘所承受的掘进载荷是其安装的单个刀具载荷的聚合；对岩土产生切削作用的是安装在刀盘上的滚刀、切刀等刀具，因此刀具的受力最真实、直接反映了刀盘的载荷变化趋势，有必要对刀具的受力进行分析研究。
..............
第三章 载荷等效模型的数据计算及分析..............24
3.1 刀盘基本参数...................... 24
3.2 异质岩土掘进扭矩载荷特性分析........................... 25
3.3 刀盘推进阻力特性分析...............28
3.4 异质岩土掘进总弯矩特性分析....................30
3.5 小结.......................... 37
第四章 土压平衡盾构刀盘推力-扭矩载荷耦合特性...............38
4.1 推力与扭矩的关键影响因素.................... 38
4.2 刀盘推力-扭矩耦合特性 ......................41
4.3 刀盘推力-扭矩特性仿真 ...................... 44
4.4 小结........................... 47
第五章 偏载工况下冗余驱动盾构及载荷传递特性分析
5.1 冗余驱动回转系统机电耦合模型
5.1.1 几何模型
这里以北方重工中铁隧道股份有限公司研制的“沈重 11 号”为研究对象。“沈重 11号”盾构开挖直径 6.28 米，总推力 3000 吨，整机长度为 55 米，重量为 500 吨，刀盘驱动功率 500 千瓦，总装机功率为 1300 千瓦，使用于沈阳地铁二号线五里河——奥体中心站盾构区间；它由六个回转电机和十六个推进缸共同组成“推”、“扭”系统。图 5-1是沈重 11 号机械系统示意图，从图中看出推进缸、回转电机、主轴之间的几何关系。根据 图 5-1 对沈重 11 号进行三维建模，得到图 5-2 与真机 1:1 的 3D 模型图。
.........
第六章 总结与展望
6.1 论文总结
针对异质岩土的复杂性进行研究，提出刀盘截面圆土层等效模型，将复杂的地层数学化，给盾构的载荷研究提供了一个简单、合理、便于处理的输入必要条件；基于异质岩土的刀盘截面圆模型，简化出盾构在施工掘进时刀盘所受的推力、扭矩和弯矩模型，并得出相应的载荷表达式；在此基础上，采用德国产海瑞克土压平衡盾构原型，计算其刀盘在异质岩土下所受到的推力、扭矩和弯矩载荷；研究表明：刀盘扭矩载荷的巨幅波动是盾构堵转、堵停事故的重要原因，在盾构刀盘截面圆内软质地质元素含量在 30%～33%、65%～68%时，刀盘所受到的扭矩载荷波动巨大，遭受强烈振动，运动很不平稳，掘进阻力矩也大大高于平均阻力矩，易于发生堵转；盾构推力载荷大小则与刀盘截面圆内硬岩百分比含量密切相关，其硬岩越多推力越大；弯矩载荷则随着刀盘的不断旋转呈现正弦或余弦函数变化关系，且弯矩在刀盘平面内的分布位置与地层中硬岩的位置有关，因此，可以基于弯矩载荷变化规律协调各组推进缸间的关系，使盾构刀盘达到最优平衡值。这些刀盘载荷的研究对盾构的顺应性设计及后续研究都有一定的支持作用。
.............
参考文献（略）