土压平衡盾构机设计计算书

470179 Pa { 47.9tf/m2 }
·平均土压 P
P = （P1+2×P2+P3）/4
392685 Pa { 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 松弛湿润砂 密实湿润砂
粘土
es（切削阻力系数） 0.008~0.01 0.01~0.02 0.02~0.04 0.4~1.2
地质的一般条件： (1) 土质 (2) 隧道覆土厚度 (3) 地下水位 GL(4) 透水系数 (5) 标准贯入值（maxN 值） (6) 内摩擦角 (7) 粘着力 (8) 含水率（W%） (9) 地面负荷 (10) 地层反力系数
421686 Pa { 43.0tf/m2 }
·侧压 P2
P2 = K1×（H2+r）×W1
339437 Pa { 34.6tf/m2 }
·下部土压 P3
P3 = P1+G/（d×L）
470179 Pa { 47.9tf/m2 }
·平均土压 P
P = （P1+2×P2+P3）/4
392685 Pa { 40tf/m2 }
（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×W1
421686 Pa { 43.0tf/m2 }
·侧压 P2
P2 = K1×（H2+r）×W1
339437 Pa { 34.6tf/m2 }
·下部土压 P3
P3 = P1+G/（d×L）
因为是用全覆土计算，所以松弛高度：
H2 = H1
20.5 m
松弛宽度计算 B
B = r×cos(45-φ/2)+r{1+sin(45-φ/2)}×tan(45-φ/2) 7.4 m
(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×W1
* * *水、土不分离计算* * *
（1） 土质 （2） 覆土 （3） 水头 （4） 土的单位体积质量 水位上部 （5） 土的单位体积质量 水位下部 （6） 水的单位体积质量 （7） 标准贯入试验值 （8） 内摩擦角 （9） 地面载荷 （10）侧方土压系数 （11）松弛土的粘着力 （12）盾构机外径 （13）盾构机半径 （14）壳体长 （15）盾构机质量 （16）掘削断面积 （17）刀盘开口率 （18）刀盘半径 （19）刀盘厚 （20）切削阻力系数（见表 1-1）
1
1、计算条件 ：
1.1、工程条件： (1) 隧道长度 (2) 隧道最小转弯半径 (3) 盾构机开挖直径 (4) 管片外径 (5) 管片内径 (6) 管片宽度 (7) 管片厚度 (8) 分块数 (9) 隧道坡度
2676.471mm 250m φ6160mm φ6000mm φ5400mm 1200mm 300mm 5+1 块 坡度 35 ‰
（3）克服后续设备的牵引力的推力
F3
F3 = GB×μ
490 kN { 50tf}
（4）克服管片与盾尾密封摩擦阻力的推力 F4
F4 = π×Ds×μs×n×PT
53 kN { 5tf}
7
（5） 推进时所需推力 F = F1+F2+F3+F4+
F 17915 kN {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
粘土、砂、砂砾 20 m 7~8 m cm/sec 57 deg kN/cm2 % 1 tf/m2 kN/m2
3
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%)
2.29 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(=526 tf-m)是理论计算的 1.91 倍，有充足的余量，并且在 120%扭矩时（=631 tf-m）具有 2.29 倍的计算扭矩，因此足以保证工程的需要。
筑龙网
3、盾构机所需推力的计算： [1] 计算条件 * * *水、土不分离计算* * *
（※）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。
筑龙网
[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/W0
20.5 m
·松弛高度 H2
因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：
H2 = H1
20.5 m
（松弛宽度 B）
B = r×cos(45-φ/2)+r{1+sin(45-φ/2)}×tan(45-φ/2) 7.4 m
2
筑龙网
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 松弛干燥砂 松弛湿润砂 密实湿润砂
G
235 t
A
29.61 m2
GB
100t
μ
0.5
Ds
6.0 m
μs
0.3
n
3道
PT
0.00314 MN/m
筑龙网
（※）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/W0
20.5 m
·松弛高度 H2
[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×c
7323 kN { 746 tf }
（2）克服胸板所受的土压与水压的推力 F2
F2 = A×P2
10050 kN { 1025 tf }
es 0.008~0.01 0.01~0.02 0.02~0.04
5
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）
1374 N { 140kgf }
T1 = nt×Hα×Rk
103 kN-m {10.5tf-m}
（2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩
B0
（22）切深
t
（23）切削刀刃的前角
θ
（24）主刀具数量 （安装总数的一半）
nt
（25）主刀具平均安装半径（ ≒d/4）
Rk
（26）刀盘支撑梁数
na
（27）刀盘支撑梁平均安装半径
Ra
（28）刀盘支撑梁外径
da
（29）刀盘支撑梁长度
la
12 cm 2.3 cm 0.262 rad 49 个 1.535 m 6个 1.6 m 0.46 m 0.68m
H
20m
Hw
0m （※）
W0
2.1t/m3
W1
2.1t/m3
W2
0t/m3 （※）
N
0
φ
0 deg
S
1t/m2
K1
0.7
C
49.05 KN/ m2
d
6.14 m
r
3.07 m
L
7.3 m
6
（15）盾构机质量 （16）掘削断面积 （17）后续设备的质量 （18）牵引系数 （19）管片外径 （20）管片与盾尾密封的摩擦阻力 （21）盾尾密封数 （22）盾尾密封挤压力
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

1.2、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：1.2×10-3~6.0×103。