盾构掘进主要参数计算方式
盾构主要参数的计算和确定
盾构主要参数的计算和确定1、盾构外径：盾构外径D=管片外径D S+2(盾尾间隙δ+盾尾壳体厚度t)盾尾间隙δ--为保证管片安装和修复蛇行,以及其他因素的最小富余量，一般取25—40mm;结合五标地质取多少?2、刀盘开挖直径：软土地层，一般大于前盾0—10mm,砂卵石地层或硬岩地层，一般大于前顿外径30mm,五标刀盘开挖直径如何确定的?3、盾壳长度盾壳长度L=盾构灵敏度ξx盾构外径D小型盾构D≤3.5M，ξ=1.2—1.5；中型3.5M＜D≤9M，ξ=0.8—1.2；大型盾构D＞9M；ξ=0.7—0.8；4、盾构重量泥水盾构重量=（45---65）D2，由于本线路存在线下溶土洞的可能，再掘进中能否通过此核算，盾构主机是否沉陷？5、盾构推力盾构总推力F e=安全储备系数AX盾构推进总阻力F d安全储备系数A---一般取1.5---2.0。
盾构推进总阻力F d=盾壳与周边地层间阻力F1+刀盘面板推进阻力F2+管片与盾尾间摩擦力F3+切口环贯入地层阻力F4+转向阻力F5+牵引后配套拖车阻力F6盾壳与周边地层间阻力F1计算中，静止土压力系数或土的粘聚力取盾体范围内的何点的？刀盘面板推进阻力F2，对于泥水盾构或土压盾构土仓压力如何确定的？管片与盾尾间摩擦力F3中，盾尾刷与管片的摩擦系数取偏大好吗？盾尾刷内的油脂压力如何定？计算中土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？6、刀盘扭矩刀盘设计扭矩T=刀盘切削扭矩T1+刀盘自重形成的轴承旋转反力矩T2+刀盘轴向推力形成的旋转反力矩T3+主轴承密封装置摩擦力矩T4+刀盘前面摩擦扭矩T5+刀盘圆周摩擦反力矩T6+刀盘背面摩擦力矩T7+刀盘开口槽的剪切力矩T8刀盘切削扭矩T1中的切削土的抗压强度q u如何确定？刀盘轴向推力形成的旋转反力矩T3计算中土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？，刀盘圆周摩擦反力矩T6计算中，土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？刀盘背面摩擦力矩T7中土仓压力P W如何确定？7、主驱动功率主驱动工率储备系数一般为1.2---1.5，主驱动系统的效率η如何确定？8、推进系统功率推进系统功率W f=功率储备系数A W X最大推力FX最大推进速度VX推进系统功率ηW功率储备系数A W一般取1.2---1.5, 最大推力F、最大推进速度V如何定？推进系统功率ηW=推进泵的机械效率X推进泵的容积率X连轴器的效率9、同步注浆能力每环管片理论注浆量Q=0.25X(刀盘开挖直径D2—管片外径D S2)X管片长度L推进一环的最短时间t=管片长度L/最大推进速度v理论注浆能力q=每环管片理论注浆量Q/推进一环的最短时间t额定注浆能力q p=地层的注浆系数λX理论注浆能力q/注浆泵效率η地层的注浆系数λ因地层而变一般取1.5---1.8。
GB2013清单盾构掘进计量规则
工程量计算规则
工程内容
40404001
管节垂直顶升
1.断面
m
按设计图示以顶升长度计算
1.钢壳制作
2.强度
2.混凝土
3.材质
3.管节试拼装
4.管节顶升
40404002
安装止水框、连系梁
材质
t
按设计图示尺寸以质量计算
1.止水框制作安装
2.连系梁制作安装
40404003
阴极保护装置
1.型号
组
按设计图示数量计算。
1.防爆门制作
2.断面
2.安装防爆门
工程量清单项目设置及工程量计算规则，应按表的规定执行。
1.复合管片钢壳制作
2.混凝土强度等级、石料最大粒径
2.复合管片混凝土浇注
3.养生
4.复合管片安装
5.管片场内运输
6.管片场外运输
40403007
管片设置密封条
1.直径
环
按设计图示数量计算
密封条安装
2.材料
3.规格
40403008
隧道洞口柔性接缝环
1.材料
m
按设计图示以隧道管片外径周长计算
1.拆临时防水环板
4.土方暗挖
5.土方运输
40404006
旁通道结构混凝土
1.断面
m3
按设计图示尺寸以体积计算
1.混凝土
2.混凝土强度等级、石料最大粒径
2.洞门接口防水
40404007
隧道内集水井
1.部位
座
按设计图示数量计算
1.拆除管片建集水井
2.材料
2.不拆管片建集水井
3.型式
40404008
防爆门
掘进参数及盾构姿态
掘进参数及盾构姿态盾构开挖过程中，掘进参数及盾构姿态是主要的控制项目，而这两方面又是相互影响的。
掘进参数是手段，盾构姿态是目的。
掘进参数决定了盾构姿态的发展趋势，盾构姿态又决定掘进参数的选择，二者相辅相成，共同促进盾构施工的质量。
一、掘进参数小松TM632PMX盾构机属于土压平衡盾构机，主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成（盾构机主体）。
根据盾构机的组成，掘进参数主要有以下几方面。
1、土压土压力主要由水压以及土体压力组成（还有渗透力的作用）。
掘进中一般按照土体埋深考虑静水压力以及适当考虑土体压力，但都应根据具体地质考虑计算土压。
实际掘进中的土压除考虑静水压力以及理论的土体压力外，应根据计算土压以及实际出土量以及地面沉降综合考虑。
实际各种地层土压还应考虑地面建筑物状况以及隧道上方管线布置，通常，对于各种含水或富含水砂层并且地面有建筑物状况，土压应考虑高于隧道埋深静水压力并能够产生隆起以应对后期沉降；对于需要进行半仓气压掘进地层，土压也需高于隧道埋深的静水压力以保证正常出土量；对于弱含水地层，土压不必完全按照埋深静水压力考虑，可以根据出土量及地面沉降进行适当增减；对于富含粘粒质地层，即考虑半仓气压掘进但并非欠土压，以免刀盘粘结。
2、总推力正常掘进推力由刀盘切削土体的推力，土仓压力对盾体的阻力，盾体与土体的摩擦力以及后配套拉力组成。
在始发进洞阶段，由于盾构进入加固区时，正面土体强度较大，往往造成推进油压过高，加大了钢支撑承受的荷载，为了防止盾构后靠支撑及变形过大，必须严格控制盾构推力的大小。
把盾构总推力控制在允许范围内，避免因盾构总推力过大，造成后靠变形过大或破坏，导致管片位移。
在正常施工阶段，可适当加大推力，可以避免过多沉降（边推边注浆）。
3、掘进刀盘扭矩刀盘扭矩指盾构机掘进过程中刀盘切削土体时需要刀盘驱动系统提供的作用力，刀盘扭矩由土体切削扭矩，土体搅拌需要的扭矩组成。
盾构机主要参数
超前注浆系统
1.5m3/h (备选项)
14
随机通风系统
二次通风系统Æ600mm
15
供电系统
有
16
压缩空气系统
2 x 5.2m3/min @ 8bar空压机
序号
系统名称
参数说明
1
整体说明
地层土质种类
软岩和粘土
最小转弯曲线半径
250m
最大坡度
3.50%
2
整体
总长
9m (大约)
总重
370吨 (大约)
开挖直径
6,400mm
前盾外径
6,390mm
中盾外径
6,380mm
尾盾外径
6,370mm
盾尾间隙
45mm
装备总功率
1,650kW (大约)
最大掘进速度
80mm/min
行程
150mm
数量
14个
压力3Leabharlann 0bar型式被动式
最大行程差
150mm
最大转角
1.4度
5
管片安装器
类型
中心回转式
转速
0-1rpm
提升能力
120kN
径向行程
1,000mm
轴向行程
1,800mm
旋转角度
±200度
6
推进油缸
推力
42575kN
行程
2,000mm
数量 [台]
32个
工作压力
300bar
7
螺旋输送机
开挖、超挖直径
6,400mm/6,500mm
最大转速
0-1.5rpm
额定扭矩
4,616kNm
脱困扭矩
盾构机操作手册
盾构机操作手册一掘进参数定义1，土压2，温度3，泡沫参数4，注浆压力5，推力6，扭矩7，推进速度8，螺旋机速度9，铰接行程差10，推进油缸行程差11，姿态趋势12，滚动角1，土压A，计算工作土压由土体水压以及土体压力组成，掘进中一般按照土体埋深考虑静水压力以及适当考虑土体压力，但都应根据具体地质考虑计算土压B，实际掘进中的土压除考虑静水压力以及理论的土体压力外，应根据计算土压以及实际除土量以及地面沉降综合考虑C，实际各种地层土压还应考虑地面建筑物状况以及隧道上方管线布置，通常，对于各种含水或富含水砂层并且地面有建筑物状况，土压应考虑高于隧道埋深静水压力并能够产生地面约2～3mm隆起以应对后期沉降；对于需要进行半仓气压掘进地层，土压也需高于隧道埋深的静水压力0.2~0.3bar 以保证正常出土量；对于弱含水地层，土压不必完全按照埋深静水压力考虑，可以根据出土量及地面沉降进行适当增减；对于富含粘粒质地层，不建议采用完全土压掘进，即考虑半仓气压掘进但并非欠土压，以免刀盘粘结。
2，温度A，此处所及温度指土仓温度以及渣土温度B，不论富含粘粒质地层或砂岩地层，如果土仓内出现渣土粘结于刀盘都会出现渣土温度高于正常出土温度；如果粘结进一步发育，会出现土仓壁温度升高。
C，随时关注渣土或土仓壁温度，可以防止通常所说的土仓结饼，尤其可以预防在软弱地层无妨开仓除饼而产生的施工停止状况。
D，渣土温度的监控应持续监控，尤其是螺旋机出土的块状渣土应作为温度检查的重要依据。
3，泡沫参数A，关于泡沫剂浓度，及泡沫剂原液与水的比例，泡沫剂浓度首先应该依据泡沫剂生产厂家提供的泡沫剂浓度进行调价，实际施工中的浓度状况应该依据最终泡沫发生状况调节。
B，关于膨胀率，及空气与泡沫剂溶液的比例，通常在15～25，实际参数也应该根据泡沫最终发生效果调节。
C，关于泡沫注入率，即掘进速度与泡沫剂注入速度的比例，最好按照渣土实际改良状况进行调节，不建议完全按照厂家提供注入参数注入，因为实验室内渣土搅拌与刀盘内渣土搅拌的情形有差别。
盾构机操作手册
盾构机操作手册一掘进参数定义1，土压2，温度3，泡沫参数4，注浆压力5，推力6，扭矩7，推进速度8，螺旋机速度9，铰接行程差10，推进油缸行程差11，姿态趋势12，滚动角1，土压A，计算工作土压由土体水压以及土体压力组成，掘进中一般按照土体埋深考虑静水压力以及适当考虑土体压力，但都应根据具体地质考虑计算土压B，实际掘进中的土压除考虑静水压力以及理论的土体压力外，应根据计算土压以及实际除土量以及地面沉降综合考虑C，实际各种地层土压还应考虑地面建筑物状况以及隧道上方管线布置，通常，对于各种含水或富含水砂层并且地面有建筑物状况，土压应考虑高于隧道埋深静水压力并能够产生地面约2～3mm隆起以应对后期沉降；对于需要进行半仓气压掘进地层，土压也需高于隧道埋深的静水压力0.2~0.3bar 以保证正常出土量；对于弱含水地层，土压不必完全按照埋深静水压力考虑，可以根据出土量及地面沉降进行适当增减；对于富含粘粒质地层，不建议采用完全土压掘进，即考虑半仓气压掘进但并非欠土压，以免刀盘粘结。
2，温度A，此处所及温度指土仓温度以及渣土温度B，不论富含粘粒质地层或砂岩地层，如果土仓内出现渣土粘结于刀盘都会出现渣土温度高于正常出土温度；如果粘结进一步发育，会出现土仓壁温度升高。
C，随时关注渣土或土仓壁温度，可以防止通常所说的土仓结饼，尤其可以预防在软弱地层无妨开仓除饼而产生的施工停止状况。
D，渣土温度的监控应持续监控，尤其是螺旋机出土的块状渣土应作为温度检查的重要依据。
3，泡沫参数A，关于泡沫剂浓度，及泡沫剂原液与水的比例，泡沫剂浓度首先应该依据泡沫剂生产厂家提供的泡沫剂浓度进行调价，实际施工中的浓度状况应该依据最终泡沫发生状况调节。
B，关于膨胀率，及空气与泡沫剂溶液的比例，通常在15～25，实际参数也应该根据泡沫最终发生效果调节。
C，关于泡沫注入率，即掘进速度与泡沫剂注入速度的比例，最好按照渣土实际改良状况进行调节，不建议完全按照厂家提供注入参数注入，因为实验室内渣土搅拌与刀盘内渣土搅拌的情形有差别。
盾构掘进及主要参数计算
12:33
广州盾建
—3—
盾构掘迚过秳应及时处理的异常情况：
12:33
广州盾建
—4—
12:33
广州盾建
—5—
3.1 盾构掘迚模式
盾构的“模式”是根据特定的斲工环境，为确保 开挖面稳定所采用的最有效的“出碴”斱式。
“模式”是盾构土仓出渣的一种操作斱式。
土压平衡盾构的 “模式”可分为敞开式、半敞开 式、闭胸式三种。
泥水盾构模式可分为泥水平衡模式(直接控制模式) 和气压复合模式(间接控制模式或D模式)两种。
目前已经出现了双模式盾构，既具有泥水平衡模
式又具有土压平衡模式。
12:33
广州盾建
—6—
土压平衡盾构的 3种平衡模式
12:33
敞开式模式
土压平衡模式
加气模式
土压平衡盾构的 “模 式”可分为敞开式、半 敞开式、闭胸式三种。
砂土的 λ值为0.35～0.45；粘性土的 λ值为0.5～ 0.7，也可利用半经验公式： λ =1-sin（φ）
其中 φ为土的有效内摩擦角，一般为12°～25°
当隧道上斱有多局土时，应采用加权平均值计算 上部土压力（ λ 叏哪一局值？）：
00:18
广州盾建
14
上部土压力 计算示意图
±0.00
h
盾构机
D
隧道外径6.0
00:18
广州盾建
盾构外径φ 6.25
—15—
③ 松弛土压力的计算
当隧道埋深较大，因土体在隧道上斱形成拱效应 ，上部土压力丌会完全作用于开挖面。
可按太沙基（Terzaghi）理论计算盾构所叐的垂 直载荷。即松动圈高度ha：
ha
BC/ tg
1
泥水盾构出渣量及出浆比重计算
长沙市南湖路湘江隧道泥水盾构泥水处理对于泥水平衡盾构掘进来说，最重要的一点就是保持进出浆动态平衡，以及掘进速度与进出浆比重匹配。
一 泥水动态平衡进（出）浆流量为Q,进浆比重ρ1，出浆比重ρ2，掘进速度ν，盾构直径为D ，围岩比重ρ3,不同岩层原状土比重分别ρa3,ρb3,ρc3.....，下面为正常掘进动态平衡式： ()23122D Q Q ∏=-υρρρ (1) Q-进（出）浆流量，单位m ³/hρ1-进浆比重,单位,KG/m ³ρ2-出浆比重单位,KG/m ³ν-掘进速度,m/h 盾构机的掘进速度一般情况都是mm/min,而不是m/h ρ3-围岩比重,KG/m ³D-盾构外壳直径,m此计算式表示单位时间匀速掘进一定进尺，实际出渣量、理论出渣量与进出浆比重的匹配关系。
二 盾构掘进状态1 按掘进状态是否连续可分为正常掘进状态和非正常掘进状态。
1）正常掘进状态正常掘进状态为在掘进施工中建立科学合理的泥水压力，并保证进浆泥浆具有良好的携渣性能，各项指标均符合要求，掘进当中不出现压力非正常波动情况，按照方案设定速度保持相对均匀速度连续掘进，掘进中盾构机相关设备运转正常，不出现停机情况。
2）非正常掘进状态非正常掘进状态是因为某些因素如泥浆站泥浆池满浆、设备故障导致掘进不连续,此种不连续掘进状态增加了非正常的工序如泥水管循环¸掘进速度的变化不利于出渣判断。
三掘进出渣量计算及相关参数泥水盾构掘进中出渣的多少关系到地表沉降、隧道成型及隧道稳定。
所以在掘进中如何科学合理的控制出渣尤为重要，下面根据掘进参数对出渣量的相关问题的进行分析。
1 出浆比重计算根据以上计算式(1)可得出浆比重：ρ2=()QQD1232ρυρ+∏(2)=()1232ρυρ+∏QD（3）进（出）浆流量为800m³,ρ1=1.30KG/m³，中风化圆砾岩ρ3=2.43KG/m³,盾构外壳直径为11.65m，掘进速度取ν=10 mm/min,即ν=0.6 m/min，得：ρ2=()80030.1800265.1114.36.043.22⨯+⨯⨯=1.49KG/m³此处的掘进的速度的单位应当为mm/min 或者为m/h,应当保持单位的统一性；还有盾构机在正常掘进的时候的流量绝对不会是800m³根据以上计算与实际掘进中实测进出浆泥浆比重相符合。
盾构关键参数详细计算
第七节 关键参数的计算1．地质力学参数选取MCZ3-HG-063A 7-7-1，作为该标段盾32.5m ，盾构机壳体计算38.75m ，地下稳定水位2.5m 。
地质要素表 表7-7-1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F 1、刀盘正面推进阻力F 2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力F 3组成，即按公式F=( F 1+F 2+F 3).K c式中：K c ——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*CC —凝聚力，单位kN/m 2 ，查表7-7-1，取C= 30.6kN/m2L—盾壳长度，9.150mD—盾体外径，D=6.25m得： F1=π*D*L*⋅C=3.14159⨯6.25⨯9.15⨯30.6＝ 5498 kN2.2 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×pe1pe2——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×pe2qfw1——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qfe1 qfe2qfw1qfw2pe1＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8 ＝609.2kN/m2pe2＝609.2 ＋6.25×1.91×9.8＝726.2 kN/m2qfe1＝0.37×609.2＝225.4 kN/m2qfe2＝0.37×726.2＝268.7 kN/m2qfW1＝(32.5-2.5) ×9.8＝294 kN/m2qfW2＝294+6.25×9.8=355.3 kN/m22.3 盾构机前方的推进阻力F 2作用于盾构外周和正面的水压和土压见图7-7-2所示。
盾构机掘进参数设定
2、软弱地层掘进
盾构机在软弱地层掘进时，由于掌子面自稳性较差，需要在土仓 内堆积足够的渣土，使土仓压力与掌子面压力平衡，避免在掘进时由 于掌子面压力过大造成坍塌致使地表沉降，因此软弱地层掘进必须在 土压平衡模式下进行。
此种地层中掘进时应向刀盘多加泡沫和水，多搅拌，改善渣土的 流塑性，防止在刀盘形成泥饼，裹住刀具使之不能转动而造成偏磨， 再有就是掘进中随时注意刀盘扭矩和掘进速度的变化，当掘进速度明 显降低，而刀盘扭矩却增加时，很有可能是刀盘上形成了泥饼，应立 即采取措施处理，刀盘加泡沫加水旋转搅拌洗去泥饼，在地质条件允 许，可开仓用水冲洗刀盘，快速去除泥饼。 软弱地层掘进时，应控制好土仓压力和每环的出渣量，防止地表 下沉，掘进速度不可过快，以保证同步注浆量。掘进时下部油缸推力 要比上部的大30-50bar，防止由于自重引起的盾构低头。
调整好盾构机姿态（盾尾间隙），防止水带砂土从盾尾或铰
接密封处进入隧道。
5、硬岩破碎地层掘进
此地层岩石强度较大，但整体结构性差，岩层节理裂
隙发育，透水能力强，宜采用半敞开模式进行掘进。 掘进时刀盘扭矩变化大，有较大的振动和响声，对刀 具的损伤较大，可能出现刀圈的崩损和脱落。 掘进中要适当降低刀盘转速和掘进速度，防止刀具因
3、软硬不均地层掘进
软硬不均地层是指盾构机掘进断面的地质不均匀，掌子面的上中下 左右岩石强度变化大，既有软弱地层的不稳定性，又有硬岩地层的强 度，考虑到地表可能发生沉降的因素，此地质下盾构机掘进须采用土 压平衡模式。
掘进中刀盘的扭矩变化大，盾构机有较大的滚动、震动现象及间断 的响声，掘进方向较难控制，渣土中会有较大的石块出现。 在此地层中应采用低刀盘转速、低推进速度掘进，因为掌子面地质 不均匀，掘进时刀盘刀盘各部位会受力不均，容易使部分刀具受力过 大而不能转动，最终导致偏磨，还有当掘进速度过快时，刀具的贯入 度也增大，容易使刀盘扭矩突然上升超过设定值而卡死，甚至造成刀 圈崩裂脱落。 由于硬岩部分强度高，不易切削，为保护刀具需降低掘进速度，长 时间的掘进对软弱地层部分的稳定性很不利，因此需保持土仓较高的 土压。
上软下硬段盾构掘进参数总结
上软下硬段盾构掘进参数总结此处选择下行线在上软下硬段掘进中二种地层形式进行分析，一种为掌子面在砂砾石与泥质粉砂岩中的比例介于2:1~1:1之间的地层中，另一种为掌子面在砂砾石与泥质粉砂岩中的比例为小于1:1地层中。
1盾构推力总推力是评价土压平衡盾构工作性能的重要指标，在掘进过程中一般是动态变化的，不同地层条件下会表现出不同的变化规律。
图3-1 盾构推力变化情况盾构推力统计情况通过对前200环主要地层的盾构总推力统计分析可以看出：随着砾砂层比例的减少和泥质粉砂岩比例的增加，总推力呈现很明显的上升的趋势，且从50环开始，总推力都在16000KN附近波动，且波动较小；从150环开始，总推力都在18000KN附近波动，且波动较小。
2刀盘扭矩土压平衡盾构的刀盘扭矩是保证盾构正常推进的关键参数之一。
图3-2 刀盘扭矩统计盾构刀盘扭矩在掘进过程中也是动态变化的，通过对前200环的统计分析结果可以看出：与总推力变化规律相似，随着砾砂层比例的减少和泥质粉砂岩比例的增加，刀盘扭矩也呈现很明显的上升的趋势，从50环至120环盾构所处地层变化不大，此时的刀盘扭矩在3000 KN﹒m附近浮动且较为稳定。
从121环至200环的刀盘扭矩在3000 KN﹒m附近浮动但变化值比较大。
比较两种地层中刀盘扭矩数据的标准差可知，前50环的离散性较大。
3土仓压力土仓压力，是土压平衡盾构原理应用的重要参数体现，其大小直接影响到掌子面前方土压是否能够平衡，土体发生何种破坏。
它是控制地层损失、减小地层变形的主要手段。
（1）理论土压力计算选取下行线47环管片附近的地层作为计算的对象。
该段掘进区域内的地层主要有细砂、圆粒、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。
地下水位表面距隧道顶部距离约为6.2m左右。
首先根据中子区间的线路纵断面图以及地质勘查报告可确定该里程处的土层分布以及其地层参数，见表1。
表1 地层计算参数表地层厚度H（m）隧道直径D（m）侧压力系数K内摩擦角（°）重度（N/m³）杂填土 1.9 6.28 19400 粉质粘土 5.7 6.28 20 19400 细砂8 6.28 0.33 36 9300 圆砾 2.7 6.28 0.36 40 10000 强风化泥质粉砂岩1 6.28 12000 中分化泥质粉砂岩0.5 6.28 12500图3-3 下行线47环附近地层剖面图上覆土重理论计算简图见图4-4，计算公式如下：z h （1） x K h（2） 其中z σ为竖向应力；x σ为水平应力；K 为土体侧压力系数，/(1)K ；ν为岩土泊松比；γ为土体重度；H 为上覆土层厚度。
盾构施工计算
地面设备配置需求计算和说明概述：依据编制的《盾构区间施工计划》，两台盾构机都将在哈东站西向差时始发。
为满足两台盾构施工的需要，对主要地面配套设备需求参数进行计算。
哈尔滨东站现场具体情况如下：1、管片L=1.2M；2、盾构隧道通过土层主要为A3中砂层，A2粉砂层、粉质粘土层等，且中砂层表现透水、富水性好，易扰动等特性。
3、注浆带宽15cm；4、整环管片重量为：16.45T；5、区间最大坡度25‰；（南直-哈东区间）6、设备始发期间推进采用2+1+1的方式推进，当哈东站底板地连墙去除后，将采用5+2+1编组。
一、每环出渣量计算：出渣量V渣=L×S×n=1.2×3.14×3.142×1.4=52m3（L为管片宽度，S为最大开挖面积，N为松散系数1.4）每环渣重Q渣=ρ×V=1.4×52=72.8T（ρ为渣土密度，因地层主要是砂层和粘土层，选经验数据为1.4）依据上述参数，拟选用的渣土斗为12M3,自重约5T。
选用砂浆车自重约5T，选用管片小车自重约2T,初步选取单列编组方式为5+2+1。
即：5个渣土车、2个管片车和1个砂浆车。
Q砂浆=ρ×V=1.7×4=6.8T（ρ为砂浆密度，依据经验选1.7。
根据注浆带宽度和盾构机开挖直径及管片外径等参数，可计算出每环注浆量每环约4M3）二、电瓶车选择1、采用5+2+1模式运行电瓶车牵引力计算（以25T电瓶车为基础）T=Q渣+5G渣+2G管车+G砂浆+Q管片+Q砂浆+Q电瓶车=78.4+25+4+5+16.5+6.8+25=160.7T25T电瓶车在25‰的坡度下最大牵引力为120T，则实际负载为最大牵引力的：P=160.7/120=133.9%（25T牵引力不够）45T电瓶车在25‰的坡度下最大牵引力为250T，则实际负载为最大牵引力的：P=160.7/250=64.3%（可以满足使用要求）2、采用2+1+1模式T= Q渣1/2 +2G渣+G管车+G砂浆+Q管片+Q砂浆+Q电瓶车=39.2+10+4+5+16.5+6.8+25=106.5T25T电瓶车在25‰的坡度下最大牵引力为120T，则实际负载为最大牵引力的：P=106.5/120=88.7% < 90%考虑到现有电瓶车因老化等原因，各种性能参数下降，预计只能达到原设计参数的90%左右。
盾构掘进主要参数计算方式
盾构掘进主要参数计算方式Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】目录1、纵坡隧道纵坡：隧道底板两点间数值距离除以如图所示：隧道纵坡=（200-100）/500=2‰注：规范要求长达隧道最小纵坡>=%,最大纵坡=<%2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，笔者总结出在土压平衡盾构的施工过程中，土仓内的土压力设置方法为：a 、根据隧道所处的位置以及隧道的埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深埋隧道还是浅埋隧道（一般来说埋深在2倍洞径以下时，算作是浅埋段，2倍以上算深埋)；b 、根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力；c 、根据隧道所处的地层以及隧道周边地地表环境状况的复杂程度，计算水平侧向力；d 、根据隧道所处的地层以及施工状态，确定地层水压力；e 、根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑～的压力值作为调整值来修正施工土压力；f 、根据确定的水平侧向力、地层的水压力以及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值为： σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整 式中，σ初步设定－ 初步确定的盾构土仓土压力； σ水平侧向力－水平侧向力； σ水压力 －地层水压力； σ调整 －－ 修正施工土压力。
g 、根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较，无误时应用施工之中；h 、根据地表的沉降监测结果，对施工土压力进行及时调整，得出比较合理的施工土压力值。
深埋隧道土压计算深埋隧道σ水平侧向力= q ××ω q —水平侧向力系数见表1i=，当B>5m ，取i=；S —围岩级别，如Ⅲ级围岩，则S=3浅埋隧道的土压计算 2.2.1主动土压力与被动土压力 盾构隧道施工过程中，刀盘扰动改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘附近的土体产生主动土压力或被动土压力。
土压盾构相关参数计算
盾构关键参数的计算1.1 说明盾构工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，由于地质因素、土层改良方法、掘进参数等一系列因素的影响，在盾构参数计算方法上存在很多不确定因素。
至今应用的盾构参数计算方法在很大程度上只是处于研究、探索阶段，甚至很大程度上是一些经验性的计算方法。
以下的计算在参考盾构生产厂家提供的有关计算资料及其它相关文献资料的基础上，根据南京地铁三号线地质勘察报告，结合我单位南京地铁二号线盾构施工经验，按照盾构厂商提供的设计方案来进行关键参数的校核计算。
1.2 推力计算1.2.1 盾构外荷载的确定由于盾构工程沿线的隧道埋深差别很大，在埋深最深处的隧道顶部的覆土厚度约为33m ，而在较浅处的隧道顶部距地面约为9.3m 。
根据常用算法，盾构的外部荷载将按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压计算，并取两者中的最大值作为盾构计算的外部荷载。
在新庄站—市政府站区间最大埋深位置在K19+342处，此处隧道处于全断面岩层中，上部覆土为②-1b2-3、②-1c2-3、②-2b4、③-1h1-2、③-2b2、③-3e1、③-3a1-2地层，埋深约33m ，所以对盾构计算取此断面埋深为最大埋深值。
软土计算中地质参数均按照此断面的③-3a1-2号地层选取如下：岩土容重：3/9.18m KN =γ 岩土的内摩擦角：φ=17.60土的粘结力： c=47KN/m2覆盖层厚度： mH 33max =地面荷载：2020/P KN m =水平侧压力系数：45.0=λ盾构外径：m D 4.6= 盾构主机长度： m L 38.7= 盾构主机重量： W=350t 经验土压力系数：01K =松动土压（泰沙基公式）计算：()()()()1010/0/0111/B H tg K B H tg K s e P e tg K B c B P φφφγ--⨯+-⨯⨯-⨯=其中B1=R ×ctg[(45°+φ/2)/2] =3.2×ctg[(45°+17.6°/2)/2] =6.3m代入上式得 P5=︒⨯.617)3.6/319.18(3.6tg －×[1－e -1×tg17.6°×(33/6.3)]+20×e -1×tg17.6°×(33/6.3)=228.7(KN/m 2)计算两倍掘进机直径的全土柱土压： Pq=γ×2×D=18.9×2×6.4=242(KN/m2)q sP P >qP ∴取作为计算的数据。
盾构机推力计算
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。
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P e 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 =γh+ P 0 P 01= P e + G/DL P 1=P e ×λ P 2=(P+γ.D) λh γ为土容重，γG 为盾构机重，G=340 tD 为盾构机外径，D= m ； L 为盾构机长度，L= m ； P 0为地面上置荷载，P 0=2 t/m 2； P 01为盾构机底部的均布压力；P 1为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P 2为盾构机底部的侧向水土压力；P e =×+2= t/m 2 P 01=+340/（×）=m 2 P 1=×=m 2P 2 =+××=m 2盾构推力计算盾构的推力主要由以下五部分组成：54321F F F F F F ++++=式中：F 1为盾构外壳与土体之间的摩擦力 ；F 2为刀盘上的水平推力引起的推力F 3为切土所需要的推力；F 4为盾尾与管片之间的摩阻力F5为后方台车的阻力πμ.)(4121011DL P P P P F e +++=3.0=μμ数，计算时取：土与钢之间的摩擦系式中：t F 23.11443.032.825.63.1889.1437.3383.26411=⨯⨯⨯+++⨯=π）（ ）（d P D F 224π=为水平土压力式中：d P ，）（2Dh P d +=λγ m D h 93.15228.68.122=+=+2/52.1493.1594.147.0m t P d =⨯⨯=t F 48.44552.1428.64/22=⨯=）（π ）（C D F 234/π=式中：C 为土的粘结力，C=m 2t F 06.1385.425.6423=⨯⨯=）（πc c W F μ=4式中：W C 、μC 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m3，管片宽度按计时，每环管片的重量为），两环管片的重量为考虑。
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目录1、纵坡 (1)2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法 (1)2.1深埋隧道土压计算 (3)2.2浅埋隧道的土压计算 (3)2.2.1主动土压力与被动土压力 (3)2.2.2主动土压力与被动土压力计算： (4)2.3地下水压力计算 (4)2.4案例题 (5)2.4.1施工实例1 (5)2.4.2施工实例2 (7)3、盾构推力计算 (9)4、盾构的扭矩计算 (9)1、纵坡隧道纵坡：隧道底板两点间数值距离除以水平距离如图所示：隧道纵坡=（200-100）/500=2‰注：规范要求长达隧道最小纵坡>=0.3%,最大纵坡=<3.0%2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，笔者总结出在土压平衡盾构的施工过程中，土仓内的土压力设置方法为：a、根据隧道所处的位置以及隧道的埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深埋隧道还是浅埋隧道（一般来说埋深在2倍洞径以下时，算作是浅埋段，2倍以上算深埋)；b、根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力；c、根据隧道所处的地层以及隧道周边地地表环境状况的复杂程度，计算水平侧向力；d、根据隧道所处的地层以及施工状态，确定地层水压力；e、根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑0.010～0.020Mpa 的压力值作为调整值来修正施工土压力；f、根据确定的水平侧向力、地层的水压力以及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值为：σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整式中，σ初步设定－初步确定的盾构土仓土压力；σ水平侧向力－水平侧向力；σ水压力－地层水压力；σ调整－－修正施工土压力。
g、根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较，无误时应用施工之中；h、根据地表的沉降监测结果，对施工土压力进行及时调整，得出比较合理的施工土压力值。
2.1深埋隧道土压计算深埋隧道σ水平侧向力= q ×0.41×1.79S ωq —水平侧向力系数见表1i=0.2，当B>5m ，取i=0.1；S —围岩级别，如Ⅲ级围岩，则S=32.2浅埋隧道的土压计算 2.2.1主动土压力与被动土压力盾构隧道施工过程中，刀盘扰动改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘附近的土体产生主动土压力或被动土压力。
盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏低，工作面前方的土体向盾构刀盘方向产生微小的移动或滑动，土体出现向下滑动趋势，为了抵抗土体的向下滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大。
当土体的侧向应力减小到一定程度，土体的抗剪强度充分发挥时，土体的侧向土压力减小到最小值，土体处于极限平衡状态，即主动极限平衡状态，与此相应的土压力称为主动土压力Ea ，如图1所示。
盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏高，刀盘对土体的侧向应力逐渐增大，刀盘前部的土体出现向上滑动趋势，为了抵抗土体的向上滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大，土体处于另一极限平衡状态，即被动极限平衡状态，与此相应的土压力称为被动土压力Ep ，如图2所示。
2.2.2主动土压力与被动土压力计算：根据盾构的特点及盾构施工原理，结合我国铁路隧道设计、施工的具体经验，采用朗金理论计算主动土压力与被动土压力。
盾构推力偏小时，土体处于向下滑动的极限平衡状态。
此时，土体内的竖直应力σz 相当于大主应力σ1，水平应力σa相当于小主应力σ3。
水平应力σa为维持刀盘前方的土体不向下滑移所需的最小土压力，即土体的主动土压力：σa =σztan2（45°-φ/2）-2ctan（45°-φ/2）式中，σz－深度z处的地层自重应力；c－土的粘着力；z－地层深度；φ－地层内部摩擦角。
盾构的推力偏大时，土体处于向上滑动的极限平衡状态。
此时，刀盘前方的土压力σp 相当于大主应力σ1，而竖向应力σz相当于小主应力σa：σp =σ1=σztan2（45o+φ/2）+2ctan（45o+φ/2）式中，σz－深度z处的地层自重应力；c－土的粘着力；z－地层深度；φ－地层内部摩擦角。
2.3地下水压力计算地下水位高于隧道顶部时，由于地层孔隙、裂隙的存在，形成侧向地下水压。
地下水压力的大小与水力梯度、地层渗透系数、管片背后的砂浆凝结时间、渗透系数及渗透时间有关。
由于地下水流经土体时受到土体的阻力产生水头损失，因此作用在刀盘上的水压力一般小于该地层处的理论水头压力。
掘进过程中，随着刀盘的不断向前推进，土仓内的压力处于原始土压力值附近，考虑水在土中流动时的阻力，掘进时地层中的水压力可以根据地层的渗透系数酌情考虑。
盾构因故停机时，由于地层中压力水头差的存在，地下水必然会不断向土仓内流动，直至将地层中压力水头差消除为止。
此时土仓的水压力为：σw刀盘前=q ×γh式中，q－根据土层渗透系数确定的经验数值，砂土q=0.5～1.0，粘性土q=0.1～0.5，风化岩层q=0～0.5；γ－水的容重；h－地下水位距刀盘顶部的高度。
施工中，如果管片顶部的注浆不太密实，地下水可能会沿隧道衬砌外部的空隙形成过水通道。
当盾构长时间停机时，必将形成一定的压力水头。
此时的地下水压：σw盾尾后=q砂浆×γhW式中，q砂浆－根据砂浆的渗透系数和注浆的饱满程度确定的经验数值，一般取q＝0.5～1.0；γ－水的容重；hW－补强注浆处与刀盘顶部的高差。
计算水压力时，盾尾后部的水压力与刀盘前方的水压力按取大值考虑。
（根据笔者的经验，在掘进过程中，一般按刀盘前方的地层水压力进行计算，在盾构停机过程中，按盾尾后部的水压力进行计算。
）2.4案例题2.4.1施工实例11工程概况广州地铁二号线越～三区间隧道盾构工程位于广州市越秀区和白云区，全长3926.034m，区间隧道开挖直径6300mm，采用装配式钢筋砼管片衬砌，衬砌环外径6000mm，内径5400mm，管片宽度1500mm，管片厚度300mm；管片与地层间的空隙采用同步注浆（水泥砂浆）回填。
隧道上覆土厚度最大约28m，最小约9m。
区间隧道穿越地层大部分是中风化岩〈8〉、强风化岩〈7〉和微风化岩〈9〉，其次为全风化岩〈6〉和残积土层〈5-2〉，各种地层参数见表2。
地层地下水主要为第四系空隙水与基岩裂隙水，地下水位为地表以下1～2m。
表2 主要地层物理力学参数表2盾构穿越建筑物密集群地段自YDK17＋200至YDK17＋050，盾构进入建筑物密集群下施工。
在此区段隧道穿过的地层主要为全风化（6）和残积土层（5-2）地层，隧道埋深20～22m。
盾构在此段地层施工时，为确保地表建筑物安全，根据地层状况，确定根据占隧道施工影响范围数量较多的不利地层考虑土压力。
隧道埋深以20m考虑，围岩以残积土层（5-2）地层考虑，水平侧向力系数q取1/3～1/2，初步确定采用深埋隧道土压力计算土压。
地层的水平侧向力为：σ水平侧向力= q×0.41×1.79Sω=（1/3～1/2）×0.41×1.792(1+0.1（6.3-5）)kg/cm2=0.049～0.074Mpa由于全风化泥质粉砂岩以及残积土层的透水性差，在考虑地层水压力时q 取0.1，σw刀盘前=q ×γh=0.1×1×20=0.2 kg/cm2=0.02 Mpa考虑0.010～0.020Mpa的压力值作为调整值来修正施工土压力，即σ调整=0.010～0.020Mpa。
σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整=0.079～0.10 Mpa。
采用此土压力值，盾构穿越该区段的地表沉降监测结果如图3所示：从监测结果可以看出，地表最大沉降-7.6mm，远远小于合同规定的-30mm，同时少数点位在掘进过程有隆起现象，个别点隆起1.3mm。
这说明在地质条件相对较好的地层之中，采用深埋隧道土压力计算土压土压力选择偏大，趋于保守。
3盾构穿越地下人行通道根据现场施工调查，盾构在YDK16＋230位置穿越一座地下人行通道，此人行通道为广州火车站、广州汽车总站和广州市流花汽车站之间的连接通道。
此位置的地层主要为强风化（7）和残积土层（5-2）、（5-1）地层，隧道埋深8m，人行通道距隧道3.5m。
为保证盾构通过此段地层时的施工安全，计算施工土压力时，确定隧道埋深以8m考虑，围岩以残积土层（5-2）考虑，采用浅埋隧道的土压力计算方法计算土压。
地层的水平侧向力为：σ水平侧向力=σztan2（45°-φ/2）-2ctan（45°-φ/2）=1.99×8×tan2（45°-17.3°/2）-2×0.40tan（45°-17.3°/2）=0.803 kg/cm2=0.0803 Mpa在残积土层中考虑地层水压力时q 取0.1，σw刀盘前=q ×γh=0.1×1×8=0.08 kg/cm2=0.008 Mpa考虑0.010～0.020Mpa的压力值作为调整值来修正施工土压力，即σ调整=0.010～0.020Mpa。
σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整=0.101～0.111 Mpa。
采用此土压力值，盾构在该段地层施工时的地表沉降监测结果如图4所示：施工完成后最终实测地表说明，施工过程采用浅埋隧道的土压力计算方法进行土压计算是合理的。
2.4.2施工实例2盾构机穿越广州火车站站场越～三区间右线隧道YCK16+745.5～YCK16+910.5长165m区段穿越广州火车站站场的十四股轨道；左线ZCK16+768～ZCK16+925.5长157.5m区段穿越广州火车站站场的十四股轨道。
隧道在此位置穿越的主要地层为中风化（8）地层和强风化（7）地层，隧道埋深15～20m。
在施工过程中，为了达到施工招标文件“盾构掘进通过火车站时，轨面沉降值不得超过10mm，两股钢轨水平高差不得超过4mm”及“在任何情况下，最大隆起量不得超过+10mm”的地表沉降规定，确定根据地层状况和隧道周边施工环境，隧道埋深以20m考虑，围岩以强风化（7）地层考虑，采用深埋隧道的土压力计算土压。
地层的水平侧向力为：σ水平侧向力=q×0.41×1.79Sω=（1/6～1/3）×0.41×1.792(1+0.1（6.3-5）)kg/cm2=0.025～0.049 Mpa考虑到地表环境复杂，在计算土压力时σ水平侧向力=0.049 Mpa。
在强风化泥质粉砂岩中，计算地层水压力时q 取0.05，σw刀盘前=q ×γh=0.05×1×20=0.1 kg/cm2=0.01 Mpa考虑0.010～0.020Mpa的压力值作为调整值来修正施工土压力，即σ调整=0.010～0.020Mpa。