盾构机推力计算.docx
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盾构机推力计算
7.8.2盾构机的推力和扭矩计算
盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。
7.8.2.1在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算
地层参数按〈6〉岩石全风化带选取，由于岩土体中基本无水，所以水压力的计算按水土合算考虑。
选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。
根据线路的纵剖面图，〈6〉层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力Pe时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。
盾构机所受压力：
Pe=丫h+P0
rTTTTTTl
二二=
P01=Pe+G/DL
Pl=PeX入
P2=（P+丫.D）入
式中：
入为水平侧压力系数，入=0.47
h为上覆土厚度，h=12.8m
3
丫为土容重，丫=1.94t/m
G为盾构机重，G=340t
D为盾构机外径，D=6.25m；L为盾构机长度，L=8.32m；Po为地
面上置荷载，Po=2t/m2；P01为盾构机底部的均布压力；P1为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P2为盾构机底部的侧向水土压力；Pe=1.94X12.8+2=26.83t/m2
22
P01=26.83+340/（6.25X8.32）=33.37t/mP1=26.83X0.47=14.89t/m
2
P2=（26.83+1.94X6.25）X0.47=18.3t/m2
7.821.1盾构推力计算
盾构的推力主要由以下五部分组成：
F1F2F3F4F5
式中：
F1为盾构外壳与土体之间的摩擦力；F2为刀盘上的水平推力引起的推力
F3为切土所需要的推力；F4为盾尾与管片之间的摩阻力
F5为后方台车的阻力
1
F1=：
（巳+卩01+只+P2）DL巴兀
4
式中：
山土与钢之间的摩擦系数，计算时取J=0.3
1
F1（26.8333.3714.8918.3）6.258.320.3愿=1144.23t
F2二■:
4（D2Fd）
式中：
Pd为水平土压力，Pd=-（hD）
D6.28
h12.815.93m
22
P=0.471.9415.93=14.52t/m2
F2=二/4（6.28214.52）445.48t
F3「/4（D2C）
式中：
C为土的粘结力，C=4.5t/m2
F3（6.2524.5）138.06t
4
F4二W』c
式中：
Wc、卩c为两环管片的重量（计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为2.5t/m3,管片宽度按1.5m计时，每环管片的重量为24.12t）,两环管片的重量为48.24t考虑。
卩c=0.3
F4=48.240.3=14.47t
F5=Ghsin）igGhCOS；
式中：
Gh为盾尾台车的重量，Gh"160t;
B为坡度，tg9=0.025
卩g为滚动摩阻，卩g=0.05
F5:
1600.0250.051601=12.00t
盾构总推力：
F=1144.23445.48138.0614.4712.00=1754.24t
7.821.2盾构的扭矩计算
盾构配备的扭矩主要由以下九部分组成。
在进行刀盘扭矩计算时:
M=M1M2M3M4M5M6M7M8M9
式中：
M1为刀具的切削扭矩；M2为刀盘自重产生的旋转力矩
M3为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩；M4为密封装置产生的摩擦力矩
M5为刀盘前表面上的摩擦力矩；M6为刀盘圆周面上的摩擦力矩
M7为刀盘背面的摩擦力矩；M8为刀盘开口槽的剪切力矩
M9为刀盘土腔室内的搅动力矩
a•刀具的切削扭矩Mi
式中：
Cr：
土的抗剪应力,
Cr=C+PdXtg©=4.5+14.52Xtg20°=9.78t/m2hmax:
刀盘每转的最大切削深度，hmax=8cm/转
R0：
最外圈刀具的半径，R0=3.14m
M^1（9.78810，3.142）=3.83tm
b.刀盘自重产生的旋转力矩M2
M2=GR卩g
式中：
G:
刀盘自重，计算时取刀盘的自重为G=55t
R:
轴承的接触半径，计算时取为R=2.6m
卩g：
滚动摩擦系数，计算时取为卩g=0.004
M2=55X2.6X0.004=0.57t-m
C.刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M3
2
M3=WpRg卩zWp=anRcPd
式中：
Wp：
推力荷载；a：
刀盘封闭系数，a=0.70
Rg：
轴承推力滚子接触半径，Rg=1.25m;Rc：
刀盘半径，Rc=3.14
卩z：
滚动摩擦系数，卩z=0.004;Pd：
水平土压力，Pd=14.52t/m2
2
Wp=0.70nX3.14X14.52=312.83t;M3=312.83X1.25X0.004=1.56t•m
d.密圭寸装置产生的摩擦力矩M4
22
M4=2n[1mF（n1Rm1+n2Rm2）
式中：
1m:
密封与钢之间的摩擦系数，1m=0.2;F：
密封的推力，F=0.15t/mn1、n2:
密圭寸数，n1=3n2=3;Rm1、Rm2:
密圭寸的安装半径，Rm1=1.84mRm2=2.26m；M4=2nX0.2X0.15X（3X1.842+3X2.262）=4.80t•m
e.刀盘前表面上的摩擦力矩M5
M5=2（：
二」PR3Pd）
3
卩p=0.15
式中：
a:
刀盘开口率，a=0.30；卩P：
土层与刀盘之间的摩擦系数,
R:
刀盘半径，R=3.14m
M5=|（0.30二0.153.14314.52）=41.96tm
f.刀盘圆周面上的摩擦力矩M6
|
M6=2nRBPz卩p
式中：
R:
刀盘半径，R=3.14m；B:
刀盘宽度，B=0.775m
Pz:
刀盘圆周土压力
Pz=（Pe+P0i+Pi+Pi）/4=（26.83+33.37+14.89+18.3/4=23.35t/m2
|
M6=2nX3.14X0.775X23.35X0.15=167.09t•m
g.刀盘背面的摩擦力矩M7
3
M7=2/3[（1-a）nR卩pX0.8Pd]
3
M7=2/3（0.70XnX3.14X0.15X0.8X14.52）=78.33t•m
h.刀盘开口槽的剪切力矩M8
23m8CR:
3
式中：
Ct：
土的抗剪应力，因碴土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地
取C=0.01Mpa=1t/m2，©=5°;Ct=C+PdXtg©=1+14.52Xtg5=2.27t/m2
M8二2.273.1430.30=45.88tm
3
i.刀盘土腔室内的搅动力矩M9
M9=2n（Ri2—R22）LCt
式中：
di:
刀盘支撑梁外径，di=4.8m；d2:
刀盘支撑梁内径，d2=3.84m
L:
支撑梁长度，L=0.8m
22
M9=2n（2.4-1.92）X0.8X2.06=21.46t-m
刀盘扭矩M为Mi~M9之和
M=3.83+0.57+1.56+4.80+41.96+167.09+78.33+45.88+21.46
=365.48t•m
7.8.2.2在硬岩中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算
地质参数按照＜9＞层选取,＜9＞层为岩石微风化带
盘形单刃滚刀的参数如下
直径
d=43.2cm（17英寸），R=21.6cm
刃角
a=60°
每转切深
h=1cm
刀盘直径
D=6.28m
盘形滚刀刀间距，
Bm=2htg©/2
式中：
©为岩石的自然破碎角，查表选取©=155
Bm=2X1xtg155/2=9.5cm~10cm
7.8.221盾构推力的计算
硬岩具有完全自稳能力。
在硬岩中掘进时，盾构机的拱顶、两侧、底部所受的压力均很小，对盾构机的推进影响不大，盾构机的推力主要消耗在滚刀贯入岩石所需要的推力上，所以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，其
它在选取盾构机推力的富裕量时进行统筹考虑。
根据力平衡原理和能量守恒原理计算盘形滚刀的滚压推力，每个盘形滚刀的
推力
F总=mF力
式中：
F力为单个滚刀贯入岩石所需要的力
m为刀盘上安装的盘形滚刀（单刃）的数量
4rin.s-i1.42,
f“4KdR压（石）（拓）h抽小巧
式中：
Kd为岩石的滚压系数，查表取Kd=0.55
R压为岩石的抗压强度，R压=62.3Mpa=623kg/cm2
ri为盘形滚刀的刃角半径；ri=8cm
9i为盘形滚刀的半刃角；9i=30°
©为岩石的自然破碎角，©=155°
4830155
F力0.55623（）0.5（）1.41、221.61-12tg24.64t
力31.5352
m=D/（2XBm）
式中：
D为刀盘的外径，D=6.28m
Bm为滚刀的刀间距，Bm=10cm
_2
m=6.28/（2X10X102）=31
本盾构机设计双刃滚刀19把，合计单刃滚刀38把，满足需要
盾构机的总推力：
F总=mF力=38X24.64=936.32t
7.8.222盾构扭矩的计算
硬岩掘进的扭矩主要由以下三部分组成：
式中：
T1为刀盘滚动阻力矩计算
T2为石碴提升所需要的扭矩
T3为克服刀盘自重所需要的扭矩
a.刀盘滚动阻力矩计算Ti
m
T1=FBm二.mi
i4
式中：
F为盘形滚刀的滚动力
F—hP力
42R-h
E=0.8
式中：
E为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数,
P*=F压=24.64
h为每转切深，h=1cm
R为盘形滚刀的半径，R=21.6mm
3/1
F0.8•24.64=2.27
4221.6—1
Bm为盘形滚刀刀间距，Bm=10cm=0.1m
42
「=2.270.imi=204.99tm
i经
b•石碴提升所需要的扭矩T2
2
T2=qnRh1R
式中：
q为石碴容重，q=2.59t/m3
R=3.14m
H=1mm/n
卩1为刀盘系数，卩1=0.70
2T2=2.59XnX3.142X0.01X0.70X3.14=1.75t
C.克服刀盘自重所需要的扭矩T3
T3=W1卩1R
式中：
W1为刀盘自重，W1=55t
卩1=0.70
R=3.14m
T3=55X0.70X3.14=120.51t-m
硬岩掘进所需要的力矩T=204.99+1.75+120.5仁327.25t-m
7.823推力和扭矩的选取及验证
软土中掘进：
推力F=1754.24t,扭矩T=365.48t-m
硬岩中掘进：
推力F=936.32t,扭矩T=327.25t-m
由于盾构在施工中经常需要纠偏、转向，因此盾构的推力实际上要比计算出
来的大，按照经验数据，盾构实际配备的推力为计算值的1.5倍。
F=1.5F=1.5175424=2631.36t
按照《MechanisedShieldTunnelling》一书（作者：
BernhardMaidl；Martin
Herrenknech；LotharAnheuser等）介绍的经验公式进行验算
F=：
：
D2kN
式中：
a为经验系数，按下图取500~1200
D为盾构外径，D=6.25m
F=（500~1200）6.252=19530~46875kN=1953~4687.5t
本盾构机设计总推力为3421t，既大于理论计算值，又处于经验计算值之间，说明盾构机的推力是足够的
盾构外径
当用刀盘扭矩的经验公式计算刀盘扭矩时
T=aD3
式中：
a：
扭矩系数，取a=1.8
3
T=1.8X6.253=441.6t•m
本盾构机额定扭矩T=450t•m,最大扭矩Tmax=530t•m，可同时满足理论计算及经验计算的要求。
7.8.3刀盘的驱动功率
a.刀盘驱动所需功率：
P,
9550
式中：
Tc为刀盘驱动的最大扭矩；Tc=530t•m
n为刀盘最大扭矩时的转速
与盾构机设计的最大扭矩相对应的转速为1r/m，则刀盘执行机构实
际功率为:
P/二530101二554.97kW
9550
b.液压马达所需总功率：
P/55497
P=一=—=652.91kW
m0.85
其中：
nm为马达效率，nm=0.85
m为液压马达数量，m=8
每个马达功率为:
£二65291=81.61kW
m8
c.驱动电机的总功率：
Pz652.91/0.9=725kW
d
其中：
nd为电机效率，nd=0.9
本盾构机刀盘电机配备的功率为945kW，在满足上述计算要求的情况下,仍有较大富裕，以应付掘进过程中不明因素的影响。
7.8.4盾构推进所需功率
盾构机最大推进功率Pt可按：
Pt=F•V
式中：
F---总推力，F=3421t
V---最大推进速度，V=8cm/min
_2
Pt=3421X10X8X102/60=45.6kW
本盾构机的推进功率取值为55kW，可满足上述要求。
7.8.5螺旋输送机参数的确定
a.输送量Q
理论出土量Ql可按：
二D2
max
式中：
D为盾构的开挖直径，D=6.28m
Vmax为盾构的开挖速度，Vmax=8cm/minX60=4.8m/h
a为土的松动系数取为，a=1.5
2
兀汉6.2823
Ql=1.54.8=221.4m/h
4
本盾构机的螺旋输送机的输送能力为400m3/h，可满足计算要求
b.螺旋输送机驱动功率
螺旋输送机所需功率:
Pl=Q^（w0L+H）
367
式中：
wo为物料阻力系数，取3.2
丫为土的容重，取1.94t/m3
L、H为螺旋输送机的水平长度和高度
初定螺旋输送机的长度为10m，倾角为23°则:
L=10xcos23°=9.205mH=10Xsin23°=3.907m
400x194
所以，PL=（3.2汇9.205+3.907）=70.55kW
367
电机所需功率：
p=k『2需"昨
本盾构机螺旋输送机驱动电机功率315kW，可以满足上述计算要求
7.8.7皮带输送机的参数确定
450m3/h确定皮
皮带输送机的输送量应与螺旋输送机的输送量相匹配，按带输送机的参数进行计算。
a.确定带宽B
KdKQKV
式中：
Q为皮带输送机的输送量取450m3/h
Kd为端面系数，查表Kd=355
Kv为速度系数，查表Kv=0.96
Kb为倾角系数，查表Kb=1
V为带速，V=2.5m/s
取标准带宽，B=800mm
b•皮带输送机的功率计算
皮带输送机的功率即为电动滚筒的功率，电动滚筒的功率N可按:
式中：
Kq为满载驱动系数，Kq=1.0~1.4,取Kq=1.4
n为效率，取n=0.88
No为电动滚筒的轴功率：
Noh[KkLhVKzLhQ-0.00273QHKf
式中：
Kq为空载运行功率系数，查表Kq=0.0165
Lh为运行长度，Lh=45m
Kz为水平满载运行功率系数，查表Kz=10.89X10-5
V为带速，V=2.5m/s
H为倾斜高度，H=0.5m
查表取Kf=2.8
N0=0.0165452.510.8910^45450-0.002734500.52.8=9.65kW
9.65N-1.415.35kW
0.88
本盾构机皮带输送机配备功率为30kW，满足上述计算要求。
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