盾构机推力和扭矩计算

盾构机推力和刀盘扭矩的地层适应性评价
1、推力计算
盾构的推力应包含以下几个部分：
1）盾壳和土层的摩擦力 FM
其中μ为盾壳和土体间的摩擦系数，根据经验值取0.25。

计算得：FM=8074KN
2）盾构推进正时面推进阻力
其中Di 为盾构机内径
Ps 为设计掘削土压（kN/m2）
设计掘削土压Ps=地下水压+土压+预压
其中地下水压在粘土层处相对于隧道中部的水头最大约11.5m ，那么水压力为115kN/m 2；
土压按静止土压力计算：Po=Ko γH
上式中：Po—静止土压力
H—覆土厚度
Ko—静止土压系数
Ko=1－sin φ
式中：φ—有效内摩擦角
经计算Po=127 kN/m2
预压力一般取30 kN/m2
Ps=115+127+30=272kN/m2
M BA S NL F F F +F +F =+∑()[]4/11h h V V M P P P P L D F +++⨯⨯⨯=πμBA F 214BA i s F D p π=
=9109.3 KN
3）盾尾密封的摩擦力
（经验值，周向每米密封的摩擦力） （管片外径6.4m ）
4）拖拉后配套的力 FNL （经验值）
5）总推力计算
ΣF=17943.3KN
在盾构上坡和转弯时盾构的推力按直线水平段的1.5倍考虑，盾构的实际推力应为：
ΣF=17943.3×1.5=26914.95KN
盾构机实际配备推力：
S -488/S -698盾构机实际推力分别为34210KN 和50668KN 。

均能满足盾构的实际需要.
2、扭矩计算
1）刀具切削扭矩
推进速度：
刀盘转速： （根据类似工程选取经验值） 刀盘每转切深：
岩土的抗压强度： ；
刀盘直径： Dd=6.68m
T 1=0.5x[100x0.0667x(6.68x0.5)2]=37.2KNm
214BA i s F D p π=2S 'F i s F D π=S'10/F KN m
=KN F NL 750=h m V /8.4max =rpm n 2.1=cm n V h 67.6/max ==100u q KPa =()[]2max 15.05.0⨯⨯⨯⨯=d u D h q T
2）刀盘自重产生的主轴承旋转反力矩:
其中：
刀盘自重：
主轴承滚动半径：
滚动摩擦系数：
3）刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩 其中：
推力载荷 ；
刀盘不开口率： a=0.4；
刀盘半径；
P t =0.4x3.14x3.34x102=428KN
T 3=428x1.3x0.004=2.23KN.m
4）密封装置摩擦力矩
式中：
密封与钢之间的摩擦系数：；
密封的推力：；
密封数：
密封的安装半径：
5）刀盘前表面上的摩擦力矩
； g R G T μ⨯⨯=12570G KN =m R 3.1=004.0=g μ2570 1.30.00429.6.T KN m
=⨯⨯=g t R P T μ⨯⨯=3d t P R P ⨯⨯⨯=2παm R 14.32=()1/2102/d h h P P P KN m =+=2142m m m R n F T ⨯⨯⨯⨯=μπ2.0=m μKPa F m 5.1=3=n m R m 25.11=m
KN T m .8.825.135.12.022
14=⨯⨯⨯⨯=π()
d p P R T ⨯⨯⨯⨯⨯=32532μπα
其中土层和刀盘间的摩擦系数：；
T5=2/3x(0.7x3.14x0.15x3.343x102)=835KN.m
6）刀盘圆周的摩擦反力矩
其中刀盘边缘宽度：；
刀盘圆周土压力：
T 6=2x3.14x6.68x0.45x205x0.15=580KN.m
7）刀盘背面的摩擦力矩
刀盘背面的摩擦力矩由土腔室内的压力所产生，假定土仓室内的土压力为Pd
8）刀盘开口槽的剪切力矩
其中土的抗剪应力：
在切削腔内，由于碴土含有水，取C=15KPa ，内摩擦角为 T 8=2/3x3.14x23x3.343x(1-0.7)=538KN.m
9）刀盘土仓内的搅动力矩T 9
其中刀盘支撑柱直径：；
刀盘支撑柱长度；支撑柱数量
刀盘支撑柱外端半径：；
刀盘支撑柱内端半径：
所以，刀盘总扭矩
15.0=p μp z d P B D T μπ⨯⨯⨯⨯=26m B 45.0=()11/4205z h h v v P P P P P KPa =+++=()3722722.94.3p d T R P KN m απμ=⨯⨯⨯⨯⨯=()απτ-⨯⨯⨯⨯=132328R C T 15102523d C C P tg tg KPa τφ=+=+⨯︒=︒=5φ()b d z b n r r P L T ⨯+⨯⨯⨯=2/219φm b 6.0=φm L z 1.1=4=b n m r 4.12=m r 7.01=()m KN T .5.44442/7.04.136.1601.16.09=⨯+⨯⨯⨯=
，此为额定扭矩。

按照土压平衡盾构扭矩估算公式计算
计算盾构的扭矩，其中α为土压平衡盾构系数，根据盾构直径的大小不同一般取值14-20，这里取a=16计算扭矩得
T=16x6.683=4769KN.此扭矩值应为盾构机的脱困扭矩值。

盾构机实际配置：
S -488/S -698额定扭矩5980KNm ，脱困扭矩7800KNm 和额定扭矩5991KNm ，脱困扭矩7156KNm
912929.i T T KN m
==∑3D T ⨯=α。