盾构关键参数计算.
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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：
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
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
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
＝5498 kN
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。
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= 500 kN/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
＝294 kN/m2
qfW2＝294+6.25×9.8
=355.3 kN/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。
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
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
＝726.2 kN/m2
qfe1＝0.37×609.2
＝225.4 kN/m2
qfe2＝0.37×726.2
＝268.7 kN/m2
qfW1＝(32.5-2.5)×9.8
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
=118.46 kN
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
= 32770.7 kN
2.5盾构机总推力的经验计算
第七节关键参数的计算
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。
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Байду номын сангаас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
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. 1 2 3 4
密封装置的数量ns 3 3 1 1
密封装置的半径Rs 1.05 1.7 1.1 1.7
3.2滚刀盘的阻力扭矩
T1:切削扭矩
h:切削深度=V/Nc、r0=Rc×100
T1=(1/2)×500.0×(4/1.15)×(3.14×100)2/105=857.4 kNm
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)
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，
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
《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=1000 kN/m2～1300 kN/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。
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：
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
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
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
＝5498 kN
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。
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= 500 kN/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
＝294 kN/m2
qfW2＝294+6.25×9.8
=355.3 kN/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。
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
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
＝726.2 kN/m2
qfe1＝0.37×609.2
＝225.4 kN/m2
qfe2＝0.37×726.2
＝268.7 kN/m2
qfW1＝(32.5-2.5)×9.8
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
=118.46 kN
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
= 32770.7 kN
2.5盾构机总推力的经验计算
第七节关键参数的计算
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。
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Байду номын сангаас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
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. 1 2 3 4
密封装置的数量ns 3 3 1 1
密封装置的半径Rs 1.05 1.7 1.1 1.7
3.2滚刀盘的阻力扭矩
T1:切削扭矩
h:切削深度=V/Nc、r0=Rc×100
T1=(1/2)×500.0×(4/1.15)×(3.14×100)2/105=857.4 kNm
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)
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，
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
《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=1000 kN/m2～1300 kN/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。