关键词：盾构机；刀盘；选型；蒙特卡罗；成都地铁
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ Ｓｈｉｅｌｄ Ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ
ａ
ｋｉｎｄ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
ｓｅｔｓ
ｔｈａｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ
ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｔｕｎｎｅｌ，ｉｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅ Ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ ｉＳ
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西南交通大学学位论文创新性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承
算模型。 分析了盾构机刀盘与工作面相互作用的关系，总结出盾构与工作面相互 作用系统由机械系统、围岩系统、掘进操作特性和参数匹配性四个部分组成。
利用蒙特卡罗有限元法对盾构机刀盘与工作面的关系进行了分析，得到了一
些有用的结论与研究方法。
本文最后以成都地铁一号线为例，对其地质条件，进行盾构机刀盘选型
及其设计，并且对刀盘三种基本工况作了有限元分析，验证了刀盘选型和设 计理论的适用性。
功地进行了盾构各项技术的研发和应用；广州地层以砂层和风化岩为主【５】，
ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｔｈｅ
ｕｓｅｆｕｌ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ
ａｎａｌｙｚｅｄ
ｂｙ ｔｈｅ
ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＣｕＲｅｒｈｅａｄ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｈａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｃｕｒｅｒｈｃａｄ’Ｓ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｋｎｉｖｅｓ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｓｃ ｃｕｒｅｒ’Ｓ １０ａｄ ａ１１
担。’ 本学位论文的主要创新点如下： １通过对刀盘选型的影响因素和工程实例的分析，得出了对于风化岩、
砂卵石、软土三种地层所选用的刀盘类型。体现在第２章。 ２建立了刀盘与工作面相互作用的力学模型，并且利用蒙特卡罗有限元 法对地质条件这种随机变量进行了模拟，为以后研究刀盘提供了一种可行的
理论方法。体现在第４章。
ＣｕＲｉｎｇ Ｆａｃｅ．Ｉｔ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｓｈｉｅｌｄ ＣｕＲｅｒ ａｎｄ ＣｕＲｉｎｇ Ｆａｃｅ，ａｎｄ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍｓ、ｒｏｃｋ ｓｙｓｔｅｍｓ、ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ
盾构机技术有了较大发展，至今己累计生产近１００００台盾构，主要的生产厂 家有日本三菱重工，川崎重工，德国海瑞克公司，法国ＦＣＢ公司，美国的 罗宾斯公司等。厂家可以根据不同的地质条件和工程要求，设计不同类型的 盾构机以满足不同的工程需要。
国内盾构技术以上海、广州及北京等地区应用较多【４】。１９５６年东北阜新 海州露天矿用直径２．６６ｍ的手掘式盾构在砂土开凿了疏水巷道，这是我国首
ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｉＳ
ａｎａｌｙｚｅｄ
ｂｙ ｔｈｅ ＭｏＮＴＥ—ＣＡＲＬＯ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．ｉｔ ｇｅｔｓ
ａ
ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｒｉｓｅｆｕｌ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ．
Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｓ ａｎｄ
ａｎ
ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄｕ ｍｅｔｒｏ ｌｉｎｅ １，ｔｈｅ Ｓｈｉｅｌｄ
３针对成都地铁一号线地质条件，对盾构机刀盘进行了选型和结构设
计，验证了盾构机刀盘选型和设计理论的适用性，为以后刀盘选型和设计提
供了有益的方法和步骤。体现在第５章。
学位论文作者签名：
镓幺
日期：舢７年，ｅｆｊｚ４，≥
第１章绪论
１．１引言
１．１．１盾构机概述
盾构掘进机是一种隧道工程专用的大型高科技综合施工设备。它集电
Ｃｕｔｔｅｒ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ
Ｃｕｔｔｅｒ
ａｒｅ
Ｕｎｉｑｕｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｆｉｎｉｔｅ
ｏｆ ｔｈｅ
ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．ｉｔ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ
工未出任何事故。随后Ｇｒｅａｔ在１８８７年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和 压气组合工法获得成功，为现在的盾构工法奠定了基础。
１９世纪末到２０世纪初盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、前
苏联及我国，并得以不同程度的发展。３０－－－４０年代在这些国家也成功地使用 盾构建成直径３．０～９．５ｍ的多条地铁及过河公路隧道，仅在美国纽约就采用气 压法建成了１９条重要的水底隧道。１９３９年，日本正式应用盾构法施工国铁 关门隧道的海底部分，该盾构的外径为７．１８２ｍ，隧道总长为７２５８ｍ，此工程
气、液压、测量导向、控制、材料等多学科技术于一体，具有开挖切削土体、 输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构机主要组成部分包括： 盾壳、刀盘、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置，
电气系统和辅助设备。
采用盾构掘进机，施工速度快，自动化程度高，一次成型，有利于环境
保护和降低劳动强度，而且盾构掘进机适用范围广，从软土、淤泥到硬岩都
ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ
ｆｏｒｍ、ｍｏｖｅｍｅｎｔ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｋｎｉｖｅｓ． Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ
ａｎａｌｙｚｅｓ
ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｓｈｉｅｌｄ ＣｕＲｅｒ ａｎｄ
可应用，施工质量高，可控制地面沉降，开挖时不影响地面上建筑和交通， 与传统的隧道工程相比，具有明显的优势，可广泛用于地铁隧道、铁路隧道、 公路隧道、越江隧道、矿山巷道、市政隧道等各种隧道工程的施工。
盾构机按开挖面与工作室之间隔墙构造可分为全开敞式、半开敞式及密 封式三种Ⅲ，具体划分如下：
全开敝式，是指没有隔墙、大部分开挖面呈敞露状态的盾构机。根据开 挖形式，这类盾构机又分为手掘式、半机械式及机械式三种。这种盾构机适 用于开挖面自稳性好的围岩。开挖面不能自稳的地基时，需要结合使用压气
ｏｖｅｒ
ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｉｓｃ ｃｕｒｅｒ，ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｒｏｃｋ
ｂｒｅａｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｉｓｃ ｃｕｒｅｒ ｂｙ ｔｈｅ ｐａｐｅｒｓ ａｌＳＯ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ
构机。 近年来，随着工程应用的需求提高以及科学技术的迅猛发展，盾构掘进 机在刀头更换、有效截面挖掘以及管片拼装等技术方面取得了长足的进步， 出现了许多新型的盾构掘进机，这里就不详细介绍了。
１．１．２盾构技术研究发展状况
迄今为止，盾构技术已有１８０多年的历史【２】。１８１８年，英国布鲁诺尔观 察了蛆虫腐蛀船底成洞的经过得到启发，最早提出了用于地下隧道施工的盾
施工法等辅助施工法，以防止开挖面坍塌。
半开敞式是指挤压式盾构机。这种盾构机的特点是在隔墙的某处设置可
调节开口面积的排土口。
密封式盾构机是在机械开挖式盾构机内设置隔墙，掘进时开挖下来的渣 土从刀盘开口进入开挖面和隔墙间的刀盘土仓内，由水泥压力和土压提供足 以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分为泥水式盾构机和土压式盾
究，具体内容如下：
研究了影响盾构机刀盘选型的因素，包括：刀盘型式、刀盘开口率、驱
动形式、支承形式、最大转速和扭矩、刀盘开挖直径以及刀盘上刀具的配置。
并且通过几个实例，分析得出了对盾构机刀盘选型有参考价值的结论。
详细地阐述了刀盘的设计参数和刀具的力学计算公式，并且总结了国内
外几种计算盘形滚刀载荷的方法。介绍了盘形滚刀的工作原理，并通过数值 模拟方法研究了滚刀的破岩机理；研究了切削刀的切削形式、运动特性和计
构机的雏形及施工方法。１８２５年，他第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高 ６。８ｍ，宽１１．４ｍ的矩形盾构修建了一条隧道。由于初始未能掌握抵制泥水涌 入隧道的方法，隧道施工两次被淹，后来在东伦敦地下铁道公司的合作下，
经过对盾构施工的改进，用气压辅助施工，于１８４３年完成了全长４５８ｍ的第 一条盾构法隧道。１８６９年Ｂｕｒｌｏｗ和Ｇｒｅａｔ负责建造横贯泰晤士河的第二隧 道［３】。Ｇｒｅａｔ采用新开发的圆形盾构，扇形铸铁管片，工程进展顺利，直到竣
ａｎｄ
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ，ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｔｕｄｉｅｓ
ａｒｅ ａｓ
ｆｏｌｌｏｗｓ：
ａｒｅ
Ａｔ ｆｕ－ｓｔ，ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｓｈｉｅｌｄ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ：ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ
Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ’ｓ ｌｅｃｔｏｔｙｐｅ ｗｉｄｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｒａｔｉｏ
ｏｎｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，Ｉｎ