盾构关键参数计算.docx

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盾构关键参数计算

第七节关键参数的计算

欧阳光明（2021.03.07）

1．地质力学参数选取

根据广州市轨道交通三号线详勘阶段汉溪～市桥盾构段Ⅱ段的岩土工程勘察报告，汉溪站南～市桥站北区间隧道中，左线及右线的工程地质纵断面图，选择右线里程YCK21+037.233处地质钻孔编号为MCZ3-HG-063A的相关地层数据，见地质剖面图7-7-1，作为该标段盾构机选型关键参数设计和校核计算的依据。

该段面地表标高为27.41m，隧道拱顶埋深32.5m，盾构机壳体计算外径6.25m，盾壳底部埋深38.75m，地下稳定水位2.5m。

其它地质要素如表7-7-1所示。

地质要素表表7-7-1

代号

地层

厚度S

（m）

天然密度ρ（g/cm3）

凝聚力C（KPa）

底层深度H（m）

<4－1>

粉质粘性土

12.0

1.95

20.3

12.0

<5Z-2>

硬塑状残积土

13.0

1.88

26.0

25.0

<6Z-2>

全风化混合岩、块石土

14.0

1.91

30.6

39.0

隧道基本上在<4－1>、<5Z-2>和<6Z-2>地层中穿过，为相对的隔水地层。

按上述条件对选用盾构的推力、扭矩校核计算如下：

2.盾构机的总推力校核计算：

土压平衡式盾构机的掘进总推力F，由盾构与地层之间的摩擦阻力F1、刀盘正面推进阻力F2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力F3组成，即按公式

F=（F1+F2+F3）.Kc

式中：

Kc——安全系数，

2.1盾构地层之间的摩擦阻力F1

计算可按公式

F1=*D*L*C

C—凝聚力，单位kN/m2，查表7-7-1，

取C=30.6kN/m2

L—盾壳长度，9.150m

D—盾体外径，D=6.25m

得：

F1=*D*L*C=3.141596.259.1530.6

＝5498kN

2.2水土压力计算

D——盾构壳体计算外径，取6.25m；

L——盾构壳体长度，9.15m；

pe1——盾构顶部的垂直土压。

按全覆土柱计算，为校核计算安全，采用岩土的天然密度ρ值计算。

qfe1——盾构机拱顶受的水平土压；qfe1＝λ×pe1

pe2——盾构底部的垂直土压。

按全覆土柱计算，为校核计算安全，采用岩土的天然密度ρ值计算。

qfe2——盾构底部的水平土压。

qfe2＝λ×pe2

qfw1——盾构顶部的水压

qfw2——盾构底部的水压

λ——侧压系数，取0.37；

计算qfe1qfe2qfw1qfw2

pe1＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8

＝609.2kN/m2

pe2＝609.2＋6.25×1.91×9.8

＝726.2kN/m2

qfe1＝0.37×609.2

＝225.4kN/m2

qfe2＝0.37×726.2

＝268.7kN/m2

qfW1＝（32.5-2.5）×9.8

＝294kN/m2

qfW2＝294+6.25×9.8

=355.3kN/m2

2.3盾构机前方的推进阻力F2

作用于盾构外周和正面的水压和土压见图7-7-2所示。

2

按水压和土压分算公式计算，将以上各项代入公式得：

F2=17539.5kN

2.4盾尾内部与管片之间的摩阻力F3

F3=μc.ωs

μc——管片与钢板之间的摩擦阻力，取0.3

ωs——压在盾尾内的2环管片的自重

F3=0.3×2×（3.1416/4）（62－5.42）×1.5×2.5×9.8

=118.46kN

计算盾构机的总推力F

F=（F1+F2+F3）.KcKc取1.8

F=（5498+17539.5+118.46）×1.8

=32770.7kN

2.5盾构机总推力的经验计算

《日本隧道标准规范<盾构篇>》，根据大量工程实践的统计资料，推荐单位面积上的推力值为：

Fj=1000kN/m2～1300kN/m2

则选型盾构机的总推力F应为

F=（π/4）×6.252（1000～1300）

=（30679.69～39883.60）kN

2.6结论

选型盾构机的推力为36000kN，它大于校核计算值32770.7kN，又控制在经验值范围内，说明该盾构机的推力值合理。

3盾构机刀盘扭矩校核计算

3.1．计算条件

选取地质条件同前，由于该地段埋深较大，考虑土体的自成拱效应，土压力计算按2倍的盾构直径按水土分算进行。

3.1.1天然地基的强度、地压、水压

天然地基的抗压强度（查表）P=500kN/m2

盾构中心的水平土压Pd=107.7kN/m2

盾构中心的水压Pw=324.7kN/m2

上部垂直土压P0=232.5kN/m2

盾构上部的水平土压P2=86.0kN/m2

盾构下部的水平土压P3=129.3kN/m2

下部垂直土压P0'=349.5kN/m2

3.1.2摩擦系数

滚刀盘和天然地基之间的摩擦系数μ=0.3

刀面和天然地基之间的摩擦系数μ1=0.15

滚动摩擦系数μ2=0.004

滚刀密封装置和钢板之间的摩擦系数μ3=0.2

3.1.3滚刀盘

装备的扭矩Tn=7340kN-m

开挖速度V=4.0cm/min

刀盘的旋转Nc=1.15r/min

刀盘的外半径Rc=3.14m

刀盘的宽度lk=0.544m

刀盘的重量G=50t（assumed）

刀盘与工作面的接触率ξ=72%

径向滚柱的半径R1=1.65m

推力滚柱的半径R2=1.7m

刀环的内直径d1=2.2m

刀环的外直径d2=3.4m

3.1.4滚刀密封装置

密封装置的推力Fs=1.5kN/m

密封装置的附件No.1234

密封装置的数量ns3311

密封装置的半径Rs1.051.71.11.7

3.2滚刀盘的阻力扭矩

T1:

切削扭矩

T2:

旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩

T3:

旋转枢纽轴承所承受的、以对应滚刀推力负荷的阻力扭矩

T4:

密封装置的摩擦扭矩

T5:

滚刀盘的正面摩擦扭矩

T6:

滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩

T7:

滚刀盘的背面摩擦扭矩

T8:

滚刀驱动部位的剪切扭矩

T9:

滚刀轴的搅拌扭矩

3.2.1切削扭矩（T1）

=（1/2）P*h*Rc2

h:

切削深度=V/Nc、r0=Rc×100

T1=（1/2）×500.0×（4/1.15）×（3.14×100）2/105=857.4kNm

3.2.2旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩（T2）

T2=G*ｇ*R1*μ2

=50×9.8×1.65×0.004

=3.23kNm

3.2.3旋转枢纽轴承所承受的、以对应滚刀推力负荷的阻力扭矩（T3）

T3=Wr*R2*μ2

推力负荷“Wr”应该如下表示

Wr=ξ*π*Rc2*Pd+（π/4）（d22-d12）Pw=72/100×π×3.14×3.14×107.7+

（π/4）（3.40×3.40-2.20×2.20）×324.65

=4115.4kN

T3=4115.4×1.7×0.004

=28kNm

3.2.4密封装置的摩擦扭矩（T4）

T4=2π*μ3*Fs（ns1*Rs12+ns2*Rs22+ns3*Rs32+ns4*Rs42）

=2π×0.2×1.50×（3×1.05×1.05+3×1.65×1.65

+1×1.10×1.10+1×1.70×1.70）

=29.4kNm

3.2.5滚刀盘的正面摩擦扭矩（T5）

T5=2/3*ξ*π*μ1*Rc3*Pd

=2/3×72/100×π×0.15×3.14×3.14×3.14×107.7

=753.8kNm

3.2.6滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩（T6）

T6=Rc*2π*Rc*lk*μ*Pr

Pr:

滚刀盘周围的平均地压

Pr=（P0+P0'+P2+P3）/4

=（232.5+349.5+86+107.7）/4

=193.9kN/m2

T6=3.14×2π×3.14×0.544×0.3×193.9

=1960.4kN-m

3.2.7滚刀盘的背面摩擦扭矩（T7）

当滚刀盘旋转、而腔地压同时作用于滚刀盘的背面时，进行滚刀盘的背面摩擦扭矩的计算。

T7=2/3*ξ*π*μ1*Rc3*1.0*Pd

=2/3×72/100×π×0.15×3.14×3.14×3.14×1.0×107.7

=754.2kN-m

3.2.8滚刀驱动部位的剪切扭矩（T8）

T8=2/3*π*τ*Rc3（1-ξ）

τ:

土层切削时的剪切阻力（kN/m2）

利用滚刀盘在滚刀腔搅拌含水的出碴，使之和淤泥混合起来。

然后就获得了“改性粘土”

此时，“改性粘土”可以大致如下进行规定为：

C=10.0kN/m2、内摩擦角φs=5.0°,σ=Pd

τ=C+σtanφs

=10.0+107.7×tan5°

=18.5kN/m2

T8=2/3×π×18.5×3.14×3.14×3.14×（1-72/100）

=335.9kNm

3.2.9滚刀轴的搅拌扭矩（T9）

T9=2Rcb*Bcb*lcb*τ*Ncb

=2×3.00×0.60×0.90×18.5×4

=239.8kNm

3.3需要的扭矩（T）和装备的扭矩

T=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9

=857.4+3.23+28+29.4+753.8+1960.4+754.2+335.9+239.8

=4962.1kNm

实际装备的扭矩应该是

Tn=7340kNm

而且其安全系数是

Tn/T=1.48

因此，盾构机具备足够的扭矩

另外，盾构刀盘扭矩也可按如下常用的经验公式计算求得：

3.4扭矩较核

按《日本隧道标准规范<盾构篇>》，根据大量工程实践的统计资料，推荐扭矩的控制标准为：

T=α.D3（kN－m）

式中α—刀盘扭矩系数，土压平衡盾构机α=14～23；

D—盾构计算外径6.25m。

选用盾构的扭矩的经验值范围是：

T=（14～23）×6.253=（3417.97～5616.23）KN.m

制造商提供的计算扭矩在经验值范围内。

3.5结论

选用盾构的最大工作扭矩值为7340KN.m>计算值4962.1kN.m，处于经验值范围且是计算值的1.48倍。

故该盾构机刀盘扭矩满足该段盾构工程的施工需要。

4.刀盘驱动功率验算

a：

刀盘功率P按下式计算

P=Tc*N/9555

式中：

TC—刀盘驱动最大工作扭矩7340（kN•m）

N—刀盘最大扭矩时的转速1.15（r/min）

与该盾构机设计的最大扭矩相对应的转速为1.15r/min，则刀盘执行机构实际功率为：

P=Tc*N/9555=1.15*7340000/9555=883kN

该盾构机的刀盘驱动电机功率设计取值为900kW，满足上述计算要求。

5.刀盘推进功率验算

盾构机最大推进功率（PT）可按

PT=F•V

式中F—总推力（kN）

V—最大推进速度（m/s）

盾构机的设计总推力为34210kN，最大推进速度按60mm/min计，则

PT=F•V=36000×60×10-3/60=36kW

盾构机推进功率的设计取值为50kW,满足上述计算要求。

6.螺旋输送机功率验算

螺旋输送机功率为160kW情况下，最大扭矩105kN.m工况下，其理论转速可达14.5r/min，因输送机在22r/min时的最大排土量，为270m3