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盾构机计算书

φ6340mm隧道掘进机

型号TM634PMX

设计计算书

目录

页数

1、计算条件……………………………………………………………….3

1.1工程条件………………………………………………………….3

1.2地质条件………………………………………………………….3

1.3计算模型………………………………………………………….4

1.4盾构机规格………………………………………………………..5

2、盾构机刀盘所需扭矩计算……….…………………………………….5

2.1计算条件………………………………………………………..5

2.2各参数的计算…………………………………………………..6

2.3所需扭矩计算…………………………………………………..7

3、盾构机掘进时所需推力计算….……………………………………….8

3.1计算条件………………………………………………………..8

3.2各参数的计算……………………………………………….….9

3.3推力计算……………………………………………………….10

4、盾构机壳体强度计算………………….………………………………11

4.1计算条件…………….…………………………………….…...11

4.2各参数的计算…….……………………………...………….…11

4.3土荷载计算………………………………………………….…12

4.4盾构机壳体水平方向变位量的计算……………………….…13

4.5载荷的计算………………………………………………….…13

4.6弯曲扭矩[M]及轴力[N]的计算结果……………………….…14

4.7盾构机壳体应力σ的计算结果…………………………….…15

5、切削刀具寿命的计算………………………….……………………....21

5.1地质概况…………………….…………………………………21

5.2地质计算模型化………………….……………...……………21

5.3主切削刀计算………………….……………………...………21

5.3.1磨损高度与运转距离的关系…….………………………...21

5.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数………………………….……22

5.3.3刀具磨损计算公式……………………………………….…23

5.3.4刀具磨损计算结果………………………………………….24

6、三排园柱滚子轴承计算………………………………………………25

6.1盾构机规格……………………………………………………....25

6.2载荷计算………………………………………………………....26

6.2.1土载荷的计算……………………………………….……....26

6.2.2作用与三排园柱滚柱轴承上的载荷的计算………………26

6.3、三排园柱滚柱轴承寿命计算：

……………………………....27

6.3.1三排园柱滚柱轴承规格………………………………….....27

6.3.2三排园柱滚柱轴承寿命计算…………………...……….…27

1、计算条件：

1.1、工程条件：

（1）隧道长度m

（2）隧道最小转弯半径250m

（3）盾构机开挖直径φ6340mm

（4）管片外径φ6200mm

（5）管片内径φ5500mm

（6）管片宽度1200mm

（7）管片厚度350mm

（8）分块数5+1块

（9）管片重量4.5t/块

（10）隧道坡度‰

1.2、地质条件：

（1）土质淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、细砂

（2）隧道覆土厚度5～30m

（3）地下水位GL-0.5m

（4）间隙水压MPa

（5）透水系数 cm/sec

（6）标准贯入值（N值）

（7）内摩擦角deg

（8）粘着力kN/cm2

（9）含水率（W%）

（10）地面负荷6tf/m2

（11）地层反力系数kN/m2

1.3、计算模型

说明：

由于整个计算全部采用在埋深30m，承受最大水压力，因此计算偏与安全。

水位

图1-1

根据小松公司的长期经验，切削刀的切削抵抗系数在粘土·淤泥质粘土土层（水土不分离）中最大（见表1-1切削阻力系数）。

因此采用最恶劣的粘土·淤泥质粘土土层（水土不分离）以及隧道上方的土体松弛高度以全覆土来计算盾构机各主要参数。

表1-1切削阻力系数

地质

es（切削阻力系数）

松弛干燥砂

0.008~0.01

松弛湿润砂

0.01~0.02

密实湿润砂

0.02~0.04

粘土

0.4~012

1.4、盾构机规格

盾构机主要参数如表1-2所示（详细的规格见盾构机技术规格书）。

表1-2盾构机主要参数

盾构机外径

Φ6340mm

盾构机长度

8680mm

刀盘扭矩

5151KNm{525tfm}（100%）

6181KNm{630tfm}（120%）

盾构机总推力

37730KN{3850tf}

盾尾钢板厚度

40mm

盾尾钢板材质

Q345

2、盾构机刀盘所需扭矩的计算：

2.1计算条件

***水、土不分离计算***

（1）土质粘土、淤泥质粘土

（2）覆土H30m

（3）水头Hw0m（※）

（4）土的单位体积质量水位上部W01.9t/m3

（5）土的单位体积质量水位下部W11.9t/m3

（6）水的单位体积质量W20t/m3（※）

（7）标准贯入试验值N0

（8）内摩擦角φ0deg

（9）地面载荷S6t/m2

（10）侧方土压系数K10.7

（11）松弛土的粘着力c　　　　4,905KN/m2

（12）盾构机外径d6.34m

（13）盾构机半径r3.17m

（14）壳体长L8.680m

（15）盾构机质量G275t

（16）掘削断面积A31.57m2

（17）刀盘开口率ξ40%

（18）刀盘半径rc3.15m

（19）刀盘厚l0.4m

（20）切削阻力系数（见表1-1）es1.2

（21）切削刀刃宽度B012cm

（22）切深t2.3cm

（23）切削刀刃的前角θ0.262rad

（24）主刀具数量（安装总数的一半）nt39个

（25）主刀具平均安装半径（≒d/4）Rk1.585m

（26）刀盘支撑梁数na6个

（27）刀盘支撑梁平均安装半径Ra1.56m

（28）刀盘支撑梁外径da0.46m

（29）刀盘支撑梁长度la0.712m

（※）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。

2.2各参数的计算

1）松弛高度计算

①考虑地面负载时的覆土

H1=H+S/W033.2m

②松弛高度H2

因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：

H2=H133.2m

③松弛宽度B

B=r×cos（45-φ/2）+r{1+sin（45-φ/2）}×tan（45-φ/2）7.7m

2）土压计算

作用在壳体上的土压为上部土压P1、侧压P2及下部土压P3的平均值。

①上部土压P1

P1=H2×W1617819Pa{63.tf/m2}

②侧压P2

P2=K1×（H2+r）×W1507663.3Pa{51.8tf/m2}

③下部土压P3

P3=P1+G/（d×L）662565Pa{67.6tf/m2}

④平均土压P

P=（P1+2×P2+P3）/4573927.6Pa{58.5tf/m2}

2.3所需扭矩计算

盾构机刀盘扭矩是由刀具的切削阻力矩、面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩、搅拌翼的阻力矩等组成。

1）刀具的切削阻力矩T1

地质

es（切削阻力系数）

松弛干燥砂

0.008~0.01

松弛湿润砂

0.01~0.02

密实湿润砂

0.02~0.04

粘土

0.4~012

一个切削刀刃所需的阻力矩Hα根据村山·田经验公式计算

Hα=2.1×es·B0·t2×10（-0。

22·θ）1374N{140kgf}

T1=nt×Hα×Rk84.949kN-m{8.66tf-m}

2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩T2

T2=4×π×c×（1-ξ）×rc3/61953kN-m{199tf-m}

3）刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩T3

T3=π×c×l×rc21432kN-m{146tf–m}

4）搅拌翼的阻力矩T4

T4=2×na×da×la×ra×c301kN-m{30.66tf-m}

5）所需扭矩T

T=T1+T2+T3+T43771kN-m{384.32tf-m}

6）装备扭矩余量S

装备扭矩T0时（100%时）5151kN-m{525tf-m}

安全率S=T0/T1.36倍

装备扭矩T1时（120%时）6181kN-m{630tf-m}

安全率S=T0/T1.64倍

由计算可知，本盾构机在100%扭矩时（=525tf-m）是理论计算的1.36倍，有充足的余量，特别是在120%扭矩时（=630tf-m）是理论计算的1.64倍，本盾构机配置了充分的扭矩。

足以保证工程的需要。

3、盾构机所需推力的计算：

3.1计算条件

***水、土不分离计算***

（1）土质粘土、淤泥质粘土

（2）覆土H30m

（3）水头Hw0m（※）

（4）土的单位体积质量水位上部W01.9t/m3

（5）土的单位体积质量水位下部W11.9t/m3

（6）水的单位体积质量W20t/m3（※）

（7）标准贯入试验值N0

（8）内摩擦角φ0deg

（9）地面载荷S6t/m2

（10）土压系数K10.7

（11）松弛土的粘着力c　　　4,905KN/m2

（12）盾构机外径d6.34m

（13）盾构机半径r3.17m

（14）壳体长L8.68m

（15）盾构机质量G275t

（16）掘削断面积A31.57m2

（17）后续设备的质量GB88t

（18）牵引系数μ0.5

（19）管片外径Ds6.2m

（20）管片与盾尾密封的摩擦阻力μs0.3

（21）盾尾密封数n3道

（22）盾尾密封挤压力PT0.00314MN/m

（※）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。

3.2各参数的计算

（1）松弛高度计算

·考虑地面负载时的覆土

H1=H+S/W033.2m

·松弛高度H2

因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：

H2=H133.2m

（松弛宽度B）

B=r×cos（45-φ/2）+r{1+sin（45-φ/2）}×tan（45-φ/2）=7.7m

（2）土压计算

作用在壳体上的土压为上部土压P1、侧压P2及下部土压P3的平均值。

①上部土压P1

P1=H2×W1617819Pa{63.tf/m2}

②侧压P2

P2=K1×（H2+r）×W1507663.3Pa{51.8tf/m2}

③下部土压P3

P3=P1+G/（d×L）662565Pa{67.6tf/m2}

④平均土压P

P=（P1+2×P2+P3）/4573927.6Pa{58.5tf/m2}

3.3推力计算

盾构机推力由壳体外周摩擦阻力、胸板所受的土压与水压、后续设备的牵引力、管片与盾尾密封的摩擦阻力等组成。

1）克服壳体外周摩擦阻力的推力F1

F1=π×d×L×c8480kN{865.3tf}

2）克服胸板所受的土压与水压的推力F2

F2=A×P216027kN{1634tf}

3）克服后续设备的牵引力的推力F3

F3=GB×μ614.6kN{62.7tf}

4）克服管片与盾尾密封摩擦阻力的推力F4

F4=π×Ds×μs×n×PT55kN{6tf}

5）推进时所需推力

F=F1+F2+F3+F4+25177kN{2569tf}

6）装备推力安全率

虽然对曲线施工和方向控制来说盾构机推进油缸数量多比较好，但受空间的限制，所以尺寸及数量受到制约。

装备推力F0=1715×2237730kN{3850tf}

安全率F0/F1.5倍

由计算可知，本盾构机配置了充分的推力。

注：

本计算从安全考虑，土压计算时的松弛高度采用全覆土计算，而实际上松弛高度要比全覆土小，所以上述装备推力十分充分。

并且，本盾构机的装备推力为所需理论推力的1.5倍，对应曲线施工也具有充分的余量。

4、盾构机壳体强度计算

4.1计算条件

全覆土（水、土不分离计算）

（1）复土深度H=30m

（2）地下水位Hw=0.50m

（3）土的质量（水上部分）γ=19kN/m3

（4）土的质量（水下部分）γ’=19kN/m3

（5）水的质量γw=0kN/m3

（6）土的内部摩擦角Q=0度

（7）地盘反力系数K=15,000kN/m2

（8）盾构机外径D=6.34m

（9）盾构机半径R=3.17m

（10）盾构机长度L=8.68m

（11）盾构机自重G=2695tkN

（12）盾构机壳体板厚T=4.0cm

（13）路面负荷S=58.5kN/m2

4.2各参数的计算

（1）

土压系数[λ’]

0.850

土压系数λ’，在本工程软土层地质清楚的场合，取0.850。

如果地质情况不够清楚时，使用上式计算。

（2）

盾构机单位面积质量[G1]

15.588kN/m2

（3）

壳体断面惯性矩（每100cm）[I]

533cm4

（4）壳体断面抗弯模数（每100cm）[Z]

267cm3

（5）壳体断面积（每100cm）[A]

A=100×T400cm2

（6）松弛土宽度[B1]因采用全覆土，故该项可不计算

（7）水土一体＋地面负荷[σv]

σv=（Pe1）＝γ×H+P0628.8kN/m2

（8）盾构机外径2倍的土压[σ2D]

240.92kN/m2

因采用全覆土计算，故采用水土一体＋地面负荷

[σv]＝628.8kN/m2

4.3土荷载计算

（1）盾构机顶部垂直载荷[P1]

土压Pe1＝γ×H+P0628.8kN/m2

水压Pw1＝Hw×γw0.0kN/m2

合计P1＝Pe1＋Pw1628.8kN/m2

（2）盾构机顶部水平载荷[Q1]

土压Qe1＝Pe1×K1534.5kN/m2

水压Qw1＝Hw×γw0.0kN/m2

合计Q1＝Qe1＋Qw1534.5kN/m2

（3）盾构机底部水平载荷[Q2]

土压Qe2＝Qe1+γ’×D×K1636.9kN/m2

水压Qw2＝（Hw＋D）×γw0.0kN/m2

合计Q2＝Qe2＋Qw2636.9kN/m2

（4）盾构机底部垂直载荷[P2]

自重Pg＝π×g149.0kN/m2

土压Pe2＝Pe1628.8kN/m2

水压Pw2＝Qw20.0kN/m2

合计677.8kN/m2

（5）松弛土高度[H2]

因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：

H2=H133.8m

4.4盾构机壳体水平方向变位量的计算

（1）由盾构机自重引起的地盘反力的变位量[δ]

0.0081m

E=钢铁的弹性模量=20.58×106（N/cm2）

η＝弯曲刚性有效率＝1.000

4.5载荷的计算

（1）垂直载荷{P1}起的扭矩[M1kN-m]及轴力[N1kN]

kN-m

kN

（2）水平载荷{Q1}起的扭矩[M2kN-m]及轴力[N2kN]

kN-m

kN

（3）水平三角形载荷{Q2-Q1}起的扭矩[M3kN-m]及轴力[N3kN]

kN-m

kN

（4）由地层反力{K･δ}引起的扭矩[M4kN-m]及轴力[N4kN]

①0≤X≤π/4

kN-m

kN

②π/4≤X≤π/2

kN-m

kN

（5）盾构机自重{π･g1}引起的扭矩[M5kN-m]及轴力[N5kN]

①0≤X≤π/4

kN-m

kN

②π/2≤X≤π

kN-m

kN

4.6弯曲扭矩[M]及轴力[N]的计算结果

（1）弯曲扭矩[M]计算结果（KN-m/m）

θ°

M1

M2

M3

M4

M5

合成弯矩M

0

1559.8

-1325.8

-105.8

-144.2

53.3

37.3

15

1350.8

-1148.2

-95.0

-129.6

47.2

25.3

30

779.9

-662.9

-63.5

-86.8

30.1

-3.2

45

0.0

0.0

-15.0

-18.6

5.2

-28.4

60

-779.9

662.9

42.3

67.6

-22.5

-29.6

75

-1350.8

1148.2

95.0

147.7

-46.7

-6.6

90

-1559.8

1325.8

127.0

183.3

-60.7

15.6

105

-1350.8

1148.2

124.9

147.7

-58.5

11.5

120

-779.9

662.9

84.7

67.6

-38.2

-3.0

135

0.0

0.0

15.0

-18.6

-5.2

-8.8

150

779.9

-662.9

-63.5

-86.8

30.6

-2.7

165

1350.8

-1148.2

-124.9

-129.6

58.0

6.1

180

1559.8

-1325.8

-148.2

-144.2

68.2

9.8

（2）轴力[N]的计算结果（KN/m）

θ°

N1

N2

N3

N4

N5

合成軸力N

0

0.0

1683.6

100.8

136.0

-8.2

1912.2

15

132.7

1570.8

97.3

131.4

-4.6

1927.6

30

495.2

1262.7

86.0

117.8

5.8

1967.5

45

990.4

841.8

66.4

96.2

21.5

2016.2

60

1485.5

420.9

40.3

62.2

40.4

2049.4

75

1848.0

112.8

14.6

21.0

60.0

2056.5

90

1980.7

0.0

0.0

0.0

77.1

2057.9

105

1848.0

112.8

7.0

21.0

84.0

2072.8

120

1485.5

420.9

40.3

62.2

75.3

2084.2

135

990.4

841.8

94.9

96.2

55.6

2078.9

150

495.2

1262.7

155.9

117.8

32.8

2064.3

165

132.7

1570.8

203.7

131.4

14.9

2053.5

180

0.0

1683.6

221.7

136.0

8.2

2049.5

4.7盾构机壳体应力σ的计算结果

（1）

在壳体外侧产生的应力[σ外侧]

kN/m2

（2）在壳体内侧产生的应力[σ内侧]

kN/m2

（3）壳体产生的应力的计算结果（kN/m2）

容许应力为:

210,000kN/m2

θ°

σout

判定

σin

判定

0

187,651

ＯＫ

-92,040

ＯＫ

15

142,951

ＯＫ

-46,572

ＯＫ

30

37,220

ＯＫ

61,153

ＯＫ

45

-56,120

ＯＫ

156,930

ＯＫ

60

-59,746

ＯＫ

162,214

ＯＫ

75

26,519

ＯＫ

76,304

ＯＫ

90

109,921

ＯＫ

-7,029

ＯＫ

105

94,970

ＯＫ

8,670

ＯＫ

120

40,846

ＯＫ

63,363

ＯＫ

135

18,857

ＯＫ

85,087

ＯＫ

150

41,660

ＯＫ

61,557

ＯＫ

165

74,087

ＯＫ

28,586

ＯＫ

180

87,945

ＯＫ

14,532

ＯＫ

根据计算本次盾构机壳体盾尾厚度为4cm时，将采用抗拉强度490N/mm2级钢材。

结论:

本盾构机壳体的容许应力、容许应变具有充足的余量。

小松公司建议：

因为本次投标盾构机覆土最大为30m，盾尾受力较大，而以上计算时，盾尾壳体厚度采用40mm，因此，盾尾应力、应变也较大，除了采用抗拉强度490N/mm2级钢材外，可以将盾尾钢板厚度从40mm增至45mm:

（1）在盾构机直径不变的情况下，将盾尾间隙从30mm改为25mm，盾尾钢板厚度从40mm增至45mm。

（2）在保持盾尾间隙为30mm的条件下，将盾构机直径从φ6340mm增至φ6350mm，则钢板厚度可以从40mm增至45mm。

因此，如果盾尾钢板厚度采用45mm时，应力为155,681kN/m2，可采用Q255钢板。

盾尾钢板40mm及45mm的解析见下图：

1、盾尾钢板45mm的解析图

盾尾厚度为45mm的应力解析图

盾尾厚度为45mm的应变解析图

2、盾尾钢板40mm的解析图

盾尾厚度为40mm的应力解析图

盾尾厚度为40mm的应变解析图

5、切削刀具寿命的计算：

本计算是对φ6.34m土压平衡式盾构机的切削刀具寿命进行计算,是基于所给出的地质条件和小松公司许多盾构机施工实绩参数上所进行的，计算结果只是作为参考。

如果实际的掘削土体和掘削状况与标书中所给出的地质条件有差异，可能会与计算推定的结果