φ6140mm土压平衡盾构机土压盾构机设计计算书.docx

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φ6140mm土压平衡盾构机土压盾构机设计计算书

φ6140mm土压平衡盾构机

型号TM614PMX

设计计算书

页数

1、计算条件………………………………………………………………..2

1.1工程条件…………………………………………………………..2

1.2地质条件………………………………………………………….2

1.3盾构机主要参数计算……………………………………………..3

2、盾构机刀盘所需扭矩计算……….…………………………………….4

3、盾构机掘进时所需推力计算….……………………………………….6

4、盾构机壳体强度计算………………….……………………………….8

4.1盾尾壳体强度计算……………………………………………….8

4.2铰接壳体强度计算………………………………………………12

5、切削刀具寿命的计算………………………….………………………12

5.1计算条件………………………………………….………………12

5.2计算方法………………………………………………………….12

5.3计算结果………………………………………………………….14

6、三排园柱滚子轴承计算……………………………………………….14

6.1盾构机规格……………………………………………………....14

6.2正常掘进载荷及三排园柱滚柱轴承强度计算…………………………15

7、刀盘驱动部传动齿轮强度计算……………………………………….17

7.1齿轮弯曲强度计算……………………………………………...17

7.2齿面接触强度计算……………………………………………...18

8、螺旋输送机规格计算………………………………………………….19

9.1、输送能力…………………………………………………………19

9.2、驱动力矩…………………………………………………………19

1、计算条件：

1.1、工程条件：

（1）隧道长度2676.471mm

（2）隧道最小转弯半径250m

（3）盾构机开挖直径φ6160mm

（4）管片外径φ6000mm

（5）管片内径φ5400mm

（6）管片宽度1200mm

（7）管片厚度300mm

（8）分块数5+1块

（9）隧道坡度坡度35‰

1.2、地质条件：

本工程隧道地质条件主要为：

隧道主要穿越第四纪粉土、粉质粘土、粉细砂层及卵石圆砾地层，最大砾径140mm，透水系数在6号细砂层中最大：

1.2×10-3~6.0×10-3。

图1-1

注：

关于地面荷载，在不清楚的情况下假定9.8kN/m2（1.0tf/m2）进行计算。

对于粘土、砂、砂砾土层，根据小松公司的长期经验，切削刀的切削阻力系数在粘土（水土不分离）中最大，见表1-1。

因此本工程采用粘土层（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

0.4~1.2

地质的一般条件：

（1）土质粘土、砂、砂砾

（2）隧道覆土厚度20m

（3）地下水位GL-7~8m

（4）透水系数cm/sec

（5）标准贯入值（maxN值）57

（6）内摩擦角deg

（7）粘着力kN/cm2

（8）含水率（W%）%

（9）地面负荷1tf/m2

（10）地层反力系数kN/m2

1.3、盾构机计算的主要参数：

本计算书主要计算以下盾构机参数（如表1-2所示）。

详细的规格见盾构机技术规格书。

表1-2盾构机主要计算参数

盾构机外径

Φ6.14m

刀盘扭矩

5,160KNm{526tfm}（100%）

6,181KNm{631tfm}（120%）

盾构机总推力

37,730KN{3,850tf}

盾尾钢板厚度

45mm

盾尾钢板材质

SS400（相当于中国Q235）

轴承及齿轮

>6,000小时

螺旋输送机能力及扭矩

250m3/h5.5tf-m

刀具寿命

>1200m

变压器容量

1100KVA

2、盾构机刀盘所需扭矩的计算：

[1]计算条件

***水、土不分离计算***

（1）土质粘土、砂、砂砾

（2）覆土H20m

（3）水头Hw0m（※）

（4）土的单位体积质量水位上部W02.1t/m3

（5）土的单位体积质量水位下部W12.1t/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S1.0t/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d6.14m

（13）盾构机半径r3.07m

（14）壳体长L7.74m

（15）盾构机质量G235t

（16）掘削断面积A29.61m2

（17）刀盘开口率ξ40%

（18）刀盘半径rc3.065m

（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）nt49个

（25）主刀具平均安装半径（≒d/4）Rk1.535m

（26）刀盘支撑梁数na6个

（27）刀盘支撑梁平均安装半径Ra1.6m

（28）刀盘支撑梁外径da0.46m

（29）刀盘支撑梁长度la0.68m

（※）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。

[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/W020.5m

·松弛高度H2

因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：

H2=H120.5m

（松弛宽度B）

B=r×cos（45-φ/2）+r{1+sin（45-φ/2）}×tan（45-φ/2）7.4m

（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P的平均值。

·上部土压P1

P1=H2×W1421686Pa{43.0tf/m2}

·侧压P2

P2=K1×（H2+r）×W1339437Pa{34.6tf/m2}

·下部土压P3

P3=P1+G/（d×L）470179Pa{47.9tf/m2}

·平均土压P

P=（P1+2×P2+P3）/4392685Pa{40.0tf/m2}

[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

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

0.4~1.2

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×Rk103kN-m{10.5tf-m}

（2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩T2

T2=4×π×c×（1-ξ）×rc3/61740kN-m{177.6tf-m}

（3）刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩T3

T3=π×c×l×rc2568kN-m{58tf–m}

（4）搅拌翼的阻力矩T4

T4=2×na×da×la×ra×c289kN-m{29.46tf-m}

（5）所需扭矩T

T=T1+T2+T3+T42700kN-m{275.5tf-m}

（6）装备扭矩余量S

装备扭矩T0（100%时）5160kN-m{526tf-m}

安全率S=T0/T1.91倍

装备扭矩T0（120%时）6181kN-m{631tf-m}

安全率S=T0/T2.29倍

由计算可知，本盾构机配置了充分的扭矩。

本盾构机在100%扭矩时（=526tf-m）是理论计算的1.91倍，有充足的余量，并且在120%扭矩时（=631tf-m）具有2.29倍的计算扭矩，因此足以保证工程的需要。

3、盾构机所需推力的计算：

[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H20m

（3）水头Hw0m（※）

（4）土的单位体积质量水位上部W02.1t/m3

（5）土的单位体积质量水位下部W12.1t/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S1t/m2

（10）土压系数K10.7

（11）松弛土的粘着力C　　　49.05KN/m2

（12）盾构机外径d6.14m

（13）盾构机半径r3.07m

（14）壳体长L7.3m

（15）盾构机质量G235t

（16）掘削断面积A29.61m2

（17）后续设备的质量GB100t

（18）牵引系数μ0.5

（19）管片外径Ds6.0m

（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。

[2]各参数计算

（1）松弛高度计算

·考虑地面负载时的覆土

H1=H+S/W020.5m

·松弛高度H2

因为是用全覆土计算，所以松弛高度：

H2=H120.5m

松弛宽度计算B

B=r×cos（45-φ/2）+r{1+sin（45-φ/2）}×tan（45-φ/2）7.4m

（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。

·上部土压P1

P1=H2×W1421686Pa{43.0tf/m2}

·侧压P2

P2=K1×（H2+r）×W1339437Pa{34.6tf/m2}

·下部土压P3

P3=P1+G/（d×L）470179Pa{47.9tf/m2}

·平均土压P

P=（P1+2×P2+P3）/4392685Pa{40tf/m2}

[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×c7323kN{746tf}

（2）克服胸板所受的土压与水压的推力F2

F2=A×P210050kN{1025tf}

（3）克服后续设备的牵引力的推力F3

F3=GB×μ490kN{50tf}

（4）克服管片与盾尾密封摩擦阻力的推力F4

F4=π×Ds×μs×n×PT53kN{5tf}

（5）推进时所需推力F

F=F1+F2+F3+F4+17915kN{1827tf}

[4]装备推力

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。

本盾构机配置的油缸数量及推力：

1715kN{175tf}×22（只）

装备推力F0

F0=1715×2237730kN{3850tf}

安全率F0/F2.1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2.1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盾尾壳体强度计算

[1]计算条件

过江段、全覆土（水、土不分离计算）

（1）复土深度H=20m

（2）地下水位H0=0m（※）

（3）土的质量（水上部分）W0=2.1t/m3

（4）土的质量（水上部分）W1=2.1t/m3

（5）水的质量W2=0t/m3（※）

（6）土的内部摩擦角Q=0度

（7）地盘反力系数K=500.0t/m3

（8）盾构机外径D=6.14m

（9）盾构机半径R=3.07m

（10）盾构机长度L=7.3m

（11）盾构机自重G=235.0t

（12）盾构机壳体板厚T=4.50cm

（13）路面负荷S=1.0t/m2

（※）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。

[2]各参数的计算

（1）土压系数[K1]

假定土压系数K10.700

（2）盾构机单位面积质量[G1]

G1=G/（PI×D×L）1.574tf/m2

PI=圆周率=3.14

（3）壳体断面惯性矩（每100cm）[I]

I=100/12×T3759.3750cm4

（4）壳体断面抗弯模数（每100cm）[Z]

Z=100/6×T2337.5000cm3

（5）壳体断面积（每100cm）[A]

A=100×T450.0000cm2

[3]松弛土高度的计算

（1）考虑路面载荷的覆土深度[H1]

H1=H+S/W020.4762m

（2）松弛土宽度[B]

B=R×COS（450-Q/2）+R×{1+SIN（450-Q/2）}×TAN（450-Q/2）7.4116m

（3）松弛土高度[H2]

因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：

H2=H120.4762m

[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变位量：

R1=PI×G1×R4/（24×E×I）×1070.1148m

PI=圆周率=3.14

E=钢铁的弹性模量=2.1×106（kgf/cm2）

（2）由覆土重量引起的变位量：

R2=-6×W0×R5/（72×E×I）×{H2/R×（K1-1）+K1}×107-0.2095m

（3）由水压引起的变位量：

R3=-W2×R5/（12×E×I）×1070.0000m

（4）由地层反力引起的变位系数：

R4=0.0454×K×R4/（E×I）×10712.6446

（5）合成变位量：

R5=（R1+R2+R3）/（1+R4）-0.0069m

[5]荷重的计算

（1）由盾构机自重引起的扭矩[M1KN-m]及轴力[N1KN]

1）0≤X≤PI/2（PI=圆周率=3.14）

M1（X）=G1×R2×{3/8×PI-5/6×COS（X）-X×SIN（X）}

N1（X）=G1×R×{X×SIN（X）-1/6×COS（X）}

2）PI/2≤X≤PI（PI=圆周率=3.14）

M1（X）=G1×R2×{（PI-X）×SIN（X）-1/2×PI×[SIN（X）]2-5/6×COS（X）-1/8×PI}N1（X）=G1×R×{PI×[SIN（X）]2-（PI-X）×SIN（X）-1/6×COS（X）}

（2）由复土载荷引起的扭矩[M2KN-m]及轴力[N2KN]

1）0≤X≤PI/2（PI=圆周率=3.14）

M2（X）=W0×R3/24×{K1×COS（3×X）-6[H2/R×（K1-1）+K1]×COS（2×X）}

N2（X）=W0×R2/8×{4×（H2/R×（K1+1）+K1）+4×[H2/R×（K1-1）+K1]×

COS（2×X）-2×K1×COS（X）-K1×COS（3×X）}

（3）由水压引起的扭矩[M3KN-m]及轴力[N3KN]

1）0≤X≤PI/2（PI=圆周率=3.14）

M3（X）=W2×R3/24×{COS（3×X）-6×COS（2×X）}

N3（X）=W2×H0×R+W2×R2/8×{COS（X）+8×[COS（X）]2-4×[COS（X）]3}

（4）由地层反力引起的扭矩[M4KN-m]及轴力[N4KN]

1）0≤X≤PI/2（PI=圆周率=3.14）

M4（X）={0.2346-0.3536×COS（X）}×K×R5×R2

N4（X）=0.3536×COS（X）×K×R5×R

2）PI/2≤X≤PI（PI=圆周率=3.14）

M4（X）={-0.3487+0.5×[SIN（X）]2+0.2357×[COS（X）]3}×K×R5×R2

N4（X）={0.7070×COS（X）+[COS（X）]2+0.7070[SIN（X）]2×COS（X）}×K×R5×R

[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）

X（deg）

合成扭矩

50.123

-86.938

0.000

38.149

1.432

　44.400

-77.965

0.000

34.286

0.721

　28.293

-52.104

0.000

22.962

-0.849

　4.868

-12.281

0.000

4.974

-2.466

-21.149

34.736

0.000

-17.876

-4.289

-43.902

77.965

0.000

-39.076

-5.013

-57.091

104.207

0.000

-48.504

-1.388

105

-54.983

102.527

0.000

-39.076

8.468

120

-35.943

　69.472

0.000

-17.876

15.652

135

-4.868

12.281

0.000

4.974

12.361

150

28.799

-52.104

0.000

　22.962

-0.343

165

54.486

-102.527

0.000

　34.286

-13.755

180

64.060

-121.575

0.000

38.149

-19.366

（2）轴力[N]的计算结果（KN/m）

X（deg）

合成轴力

-7.893

1184.503

0.000

-36.924

1139.686

-4.415

1181.535

0.000

-35.666

1141.454

5.562

1172.078

0.000

-31.977

1145.664

20.719

1155.530

0.000

-26.109

1150.139

39.001

1133.587

0.000

-16.877

1155.710

57.834

1111.954

0.000

-5.715

1164.073

74.386

1099.643

0.000

1174.030

105

80.973

1195.523

0.000

-5.715

1180.781

120

72.579

1133.587

0.000

-16.877

1189.289

135

53.688

1179.532

0.000

-26.109

1207.090

150

31.613

1230.871

0.000

-31.977

1230.524

165

14.381

1271.111

0.000

-35.666

1249.826

180

7.893

1286.334

0.000

-36.924

1257.303

[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]

σ（外侧）=M×105/Z+N×103/Akgf/cm2

（2）在壳体内侧产生的应力[σ内侧]

σ（内侧）=-M×105/Z+N×103/Akgf/cm2

（3）壳体产生的应力的计算结果（kgf/cm2）

容许应力为:

16000N/cm2

X（deg）

σ（外侧）

判定

σ（内侧）

判定

2956.9

2108.4

2750.1

2323.0

2249.4

2797.4

1825.2

3286.5

1297.4

3839.1

1101.4

4072.3

2197.8

3020.1

105

5133.0

114.9

120

7280.6

-1994.9

135

6344.9

-980.1

150

2632.8

2836.2

165

-1298.3

6853.0

180

-2944.1

8532.1

结论:

本盾构机壳体的计算应力8532.1N/cm2<容许应力16000N/cm2、容许应变具有充足的余量。

4.2铰接壳体强度计算:

在结构上铰接处就比盾尾要好：

1、铰接处壳体钢板厚度与盾尾基本相同。

2、在安装铰接油缸处配置了圈板、环板、加强筋板。

3、由于前述的原因，作为在计算时的悬臂长度比盾尾计算时要短得多。

所以说，铰接壳体强度与刚度比盾尾要高，可以不用计算。

5、切削刀具寿命的计算：

本计算是对φ6.14m土压平衡式盾构机的切削刀具寿命进行计算。

本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参数实绩上所进行的，计算结果只是作为参考。

根据实际的掘削土体和掘削状况，可能与计算推定的结果有所不一致。

5.1计算条件

本计算根据标书所提及的地质条件，如表5-1。

表5-1地质条件

地质条件

粘土、砂、砂砾

隧道长度

切削刀的规格如表5-2所示：

表5-2切削刀规格

切削刀种类

主切削刀

刮刀

刀片高度：

35mm

限定磨损量：

t=t0/2.5

14mm

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