土压盾构相关参数计算.docx

盾构关键参数的计算1.1 说明盾构工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，由于地质因素、土层改良方法、掘进参数等一系列因素的影响，在盾构参数计算方法上存在很多不确定因素至今应用的盾构参数计算方法在很大程度上只是处于研究探索阶段，甚至很大程度上是一些经验性的计算方法以下的计算在参考盾构生产厂家提供的有关计算资料及其它相关文献资料的基础上，根据南京地铁三号线地质勘察报告，结合我单位南京地铁二号线盾构施工经验，按照盾 构厂商提供的设计方案来进行关键参数的校核计算1.2 推力计算1.2.1 盾构外荷载的确定由于盾构工程沿线的隧道埋深差别很大，在埋深最深处的隧道顶部的覆 土厚度约为33m，而在较浅处的隧道顶部距地面约为9.3m根据常用算法， 盾构的外部荷载将按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高 产生的土压计算，并取两者中的最大值作为盾构计算的外部荷载在新庄站—市政府站区间最大埋深位置在 K19+342 处，此处隧道处于全断面岩层中，上部覆土为②-lb2-3、②-lc2-3、②-2b4、③-lhl-2、③-2b2、③-3e1、③-3a1-2地层，埋深约33m，所以对盾构计算取此断面埋深为最大 埋深值。

软土计算中地质参数均按照此断面的③-3a1-2号地层选取如下： 岩土容重： 丫二 18.9 KN / m 3H 二 33mmaxP = 20 KN / m 20九=0.45D = 6.4mL = 7.38mW=350tK = 10B x (/ - c / B―i 1K x tg©0e-K0tg©(H /B]))+ P0 1 0x e-K0tge(H /B1)其中Bl=Rxctg[(45°+^/2)/2]=3.2xctg[(45°+17.6°/2)/2]=6.3m代入上式得6.3x(18.9－ 31/ 6.3)P5= X[1 - e-1xtg17.6°x(33/6.3)]+20Xe-1xtg17.6°x(33/6.3)tg17.6o=228.7(KN/m2)计算两倍掘进机直径的全土柱土压：Pq=Yx2xD=18.9x2x6.4=242(KN/m2)P > Pq s•-取角作为计算的数据再加上地面荷载得盾构上部的土压为：Pv=242+20=262KN/m2覆盖层厚度：地面荷载： 水平侧压力系数：盾构外径：盾构主机长度：盾构主机重量： 经验土压力系数： 松动土压(泰沙基公式)计算：盾构底部的土压为：Pv1=Pv+W/(D*L) =262+3500/(6.4x7.38) =336.1(KN/m2)则盾构上部和下部的侧压力应分别为：P = P x九=117.9「/m2)129KPL169KP=151.2Qn /m2)hvP = P x 九h1 v1图1-1 盾构主体外荷载示意图1.2.2 盾构的推力盾构的推力应包含以下几个部分： 在土压平衡模式下：工=F + F epb + F + F + FF M BA S NL SP在敞开模式(TBM )下：工=F + F epb + F + FF M BA S NL1.2.3 盾壳和土层的摩擦力 FMFM=px[nxDxLx (Pv+Pv1+Ph+Ph1)/4]=0.25x[nx6.4x7.38x（262+336.1+117.9+151.2）/4]=8038.3（KN）其中"为盾壳和土体间的摩擦系数，根据经验值取0.25。

1.2.4 刀盘推进力 FBA刀盘上共安装了64把切刀和16把刮刀（按照海瑞克公司的经验计算，16把刮刀的推力相当于96把切刀的推力），根据经验值每把切刀在软土中 的推进力约为 5.6 KN ；根据初步设计方案，刀盘共安装了35把滚刀（按刀刃计算），每个滚刀的设计最大推力为250 kN考虑到装在刀盘边上的滚刀的分力作用，35把滚刀对刀盘产生的正向推力大约相当于 31 把正向滚刀的满负荷推力，所以只按 31 把滚刀来计算刀盘的推力（经验值）F EPB =（64 + 96 + 31） x 5.6 = 1069.6（ KN）BAFtbm = 31 x 250 = 7750（ KN）BA1.2.5 盾尾密封的摩擦力Fs1二10 KN/m （经验值，周向每米密封的摩擦力）Fs 二 $2 …10 二 194・68 K （管片外径 6.2m）1.2.6拖拉后配套的力FNL （经验值）F 二 750kNNL1.2.7 碴仓土压引起的前隔板反力6 42 x 兀F = 350KN/m2 x = 11253.8KN （土仓压力按 3.5bar 计算）sp 41.2.8 总推力计算EPB 模式:工=F + F epb + F + F + FF M BA S NL SP=8038.3KN+1069.6KN+194.68KN+750KN+11253.8KN =21306.4KN硬岩敞开模式:工=F + F epb + F + FF M BA S NL=8803.3KN+7750KN+194.68KN+750KN =17498在盾构上坡和转弯时盾构的推力按直线水平段的 1.5 倍考虑，盾构的实际推力应为：在土压平衡模式（EPB ）下：工=21306.4xl.5 二 31960KNF在敞开模式下：工 =17498 xl.5 = 26247KNF盾构机改造后实际配备推力为33760KN，能够满足盾构的实际需要。

1.3 扭矩计算1.3.1 软土 盾构掘进机在软土中推进时的扭矩包含切削扭矩、刀盘的旋转阻力矩、 刀盘所受推力荷载产生的反力矩、密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端 面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土压腔内的搅 动力矩随着土仓及掌子面碴土改良技术的发展，在软土开挖中刀盘的扭矩 可以得到大幅度的降低这里计算的只是在没有改良的情况下一种近似的理论扭矩，实际情况下一般要小于计算值1） 刀具切削扭矩推进速度：V = 4.8m / h max刀盘转速： n=1.2rpm （根据南京地铁号线和2号线掘进经验）刀盘每转切深：h=V / n = 6.67 cmmax土的抗压强度： qu二 350KPa刀盘直径： Dd=6.4m=119.53KNm（2） 刀盘自重产生的主轴承旋转反力矩:其中刀盘自重：G = 5700KN主轴承滚动半径：R = 1.3m滚动摩擦系数：卩=0.004gT 二 5700 x 1.3 x 0.004 二 29.64KN.m2（3） 刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩T = P x R x 卩3 t g其中：推力荷载Pt=axnxR2xPd=0.66xnx3.2xl34.55=892.3KN其中：刀盘不开口率：a=0.66刀盘的水平土压：Pd= ( 117.9+151..2 ) /2=134.55KPaT3=892.3xl.3xO.OO4=4.64KN.m( 4) 密封装置摩擦力矩T = 2 兀 xp x F x n x R 24 m m m 1式中：密封与钢之间的摩擦系数：卩m二0.2密封的推力： Fm =1.5KPa； 密封数： n=3密封的安装半径，Rm1 = 1.25mT = 2兀 x .0.2 x 1.5 x 3 x 1.2524二 8.8 KN.m( 5) 刀盘前表面上的摩擦力矩T5=2/3x(axnx"pxR3xpd)=2/3x(0.66x3.14x0.15x3.23x134.55)=913.7KN.m其中：土层和刀盘之间的摩擦系数：卩p二0.15( 6) 刀盘圆周的摩擦反力矩T6=2nxRxBxPzxpp=2nx3.2x0.45x214.3x0.15=290.7KN.m其中：盾构掘进机直径 ： D=6.4m刀盘边缘宽度： B=0.45刀盘圆周土压力：Pz=(Pv+Pv1+Ph+Ph1)/4 =(262+336.1+117.9+151.2)/4=216.8KPa(7) 刀盘背面的摩擦力矩刀盘背面的摩擦力矩由土腔室内的压力所产生，假定土腔室内的土压力为 PdT7=3 X(aXnXMpxR3xPd)=3 x(0.66x3.14 x0.15 x3.23x134.55)=913.7KN.m(8) 刀盘开口槽的剪切力矩T8=3 xnxqxR3x(i ・a)=3 xnx26.77x3.23x(i - 0.66)=624.3KN.m其中：土的抗剪应力，CI=C+Pdtge=15+134.55xtg5°=26.77KPa在切割腔内，由于碴土含有水，取C=15KPa,内摩擦角取为°二5。

9 )刀盘土腔室内的搅动力矩T9T9=^bxLxPdx (r2+r1)/2xnb=0.6x1.1x134.55x(1.4+0.7)/2x4=373KN.m其中：刀盘支撑柱直径：°b二0.6m刀盘支撑柱长度： L=1.1m刀盘支撑柱外端半径：丁1.4m刀盘支撑柱内端半径： r1 = 0.7m 刀盘支撑柱数量：nb = 4所以，刀盘总扭矩£ TiT= i=1 =119.53+29.64+4.64+8.8+913.7+290.7+913.7+624.3+373=3278KN.m按照日本的压平衡盾构扭矩估算公式计算T = a D 3计算盾构的扭矩，其中a为土压平衡盾构系数，根据盾构直径的大小不 同一般取值14~23，这里取a = 20计算扭矩得T = 20 x 6.283= 4953KN .m此扭矩值应为盾构机的脱困扭矩值1.3.2 硬岩刀盘滚动阻力矩计算 T1：在硬岩掘进时滚刀周边滚动阻力为：其中 滚刀直径d = 431.8mm(17")滚刀推进力Fn = 250KN(17")(按最大设计推力计算)刀盘每转刀具切入岩石的深度所以式中：Bm—滚刀间距，Bm =100mm碴土搅拌所需要的扭矩 T2；式中：q —石碴容重，19.9KN/m3卩i —刀盘系数，0.618=12.65KNm克服刀盘自重产生的其它力矩 T3：T 二 W r R3 1 1式中：W1 =刀盘自重，W1=570KN=1127.23KNm所以，硬岩掘进所需要的力矩为:=1288+12.65+1127.23=2427.88KNm盾构实际的刀盘驱动扭矩为4346KN.m，脱因扭矩为5215KN.m，大于前面的计算值，所以既有盾构配备的扭矩足够。

1.4螺旋输送机出土能力验算1.4.1盾构开挖实际需要理论出土能力其中D=6.40m 盾构掘进机的开挖直径Vmax='跖/h 盾构最大开挖速度，按推进油缸最大推进速度80mm/min 计算:二L6 碴土松散系数1.4.2 螺旋输送机实际出土能力q1=270m3/h由计算说明螺旋输送机完全能够满足盾构最大开挖速度的要求1.5 同步注浆能力计算盾构掘进1环(1.2m )环形间隙理论体积：Q1=nx(R2 - r2)xL二 nx(3.22 - 3.12)x1.2=2.37m3其中：R为盾构开挖半径R=3.2mr 为管。