盾构关键参数计算

第七节 关键参数的计算

1．地质力学参数选取

地质钻孔编号为

地层数据，见地质剖面图

27.41m ，隧道拱顶埋深

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。

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F1、刀盘正面推进阻力F2、盾尾部与管片之间的摩擦阻力F3组成，即按公式

F=( F1+F2+F3).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=π*D*L*C

C—凝聚力，单位kN/m2，查表7-7-1，

取C= 30.6kN/m2

L—盾壳长度，9.150m

D—盾体外径，D=6.25m

得：F1=π*D*L*⋅C=3.14159⨯6.25⨯9.15⨯30.6

＝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；

p e1——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。

qf e1——盾构机拱顶受的水平土压；qf e1＝λ×p e1

p e2——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。

qf e2——盾构底部的水平土压。qf e2＝λ×p e2

qf w1——盾构顶部的水压

qf w2——盾构底部的水压

λ——侧压系数，取0.37；

计算qf e1 qf e2 qf w1 qf w2

p e1＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8

＝609.2kN/m 2

p e2＝609.2 ＋6.25×1.91×9.8

＝726.2 kN/m 2

qfe1＝0.37×609.2

＝225.4 kN/m 2

qfe2＝0.37×726.2

＝268.7 kN/m 2

qf W1＝(32.5-2.5) ×9.8

＝294 kN/m 2

qf W2＝294+6.25×9.8

=355.3 kN/m 2

2.3 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。

4

42

2112

2w e w e qf qf qf qf D F +++⋅=π

按水压和土压分算公式计算，将以上各项代入公式得：F2 = 17539.5 kN

2

图7-7-2盾构机受力示意图

2.4 盾尾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

ωs——压在盾尾的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).K c K c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

《日本隧道标准规<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：

F j=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，又控制在经验值围，说明该盾构机的推力值合理。

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

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

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

推力滚柱的半径R2= 1.7m

刀环的直径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

T2:旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩