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硬岩掘进机(Tunnel Boring Machine简称TBM)集机械、电气和液压等技术一体,具有掘进速度快、作业质量高和对环境影响小等优点,正日益成为隧道建设的主要手段。TBM结构复杂,作业地质条件多变,因而研究复杂地层中变约束条件下TBM的动态特性对其结构设计至关重要。本文建立复合地质条件下TBM推进系统动力学模型,分析系统力传递特性,研究复合地层中变约束条件下刀盘载荷与撑靴接触界面刚度耦合关系和TBM推进系统动态特性,并提出变参数地质条件下其动态特性的评价指标,主要研究内容有以下几个部分:(1)TBM推进系统动力学模型的建立。分析TBM推进系统各部分的结构特点及其工作原理,建立集中参数模型,用拉格朗日法推导其动力学方程,建立动力学模型。(2)变约束条件下TBM刀盘与撑靴接触界面刚度耦合关系研究。建立滚刀受力模型,推导在复合地层中撑靴岩石接触界面约束条件变化时,刀盘的力、扭矩和弯矩,结合岩石接触刚度模型,建立刀盘载荷与撑靴岩石接触界面刚度的耦合关系,并对单一地层和复合地层中,地层分界面不同倾斜角度时的耦合关系进行研究。(3)复合地层中变约束条件下TBM推进系统动态特性研究。将TBM掘进方式分为直线掘进和曲线掘进两种典型方式,考虑在花岗岩和石灰岩组成的地质条件中,两侧撑靴接触界面岩石同为花岗岩、石灰岩以及分别为花岗岩和石灰岩时两种掘进方式的动态特性。(4)地质参数不确定条件下TBM动态特性研究。引入基于区间数的不确定理论来描述地层岩石混合比例和地层分界面的变化情况,再研究TBM刀盘载荷和两侧撑靴岩石接触界面特性随地质条件变化时,两种典型掘进方式下的动态特性。根据方差和变动幅值评价其动态特性,再结合权重和区间理论,提出TBM动态特性综合评价指标,并对典型地质条件下的动态特性进行评价,与实际作业时的动态特性对比,验证该指标的可靠性与适用性。