盾构机推力和扭矩计算
盾构推力计算
一、液压泵的选择
1、根据公式算出盾构推进所需的最小推力F0；
2、选择几种千斤顶油缸，根据其直径D0和压力P0算出单个油缸的推力
D2π×P
F1=1
4
3、已我们这边为例，盾构有16组千斤顶，每组有两个油缸，那么推力为:
F2=16×2×F1
4、选择适当型号的油缸，令F2>F0即可；
5、你说的“泵”应该叫做“推进泵”，是给油缸送油的，它的主要参数是流量Q0
（L/min）和压力P1（MPa）；
6、先了解下你们这边隧道的最大允许推进速度V0，这个速度就是千斤顶的最大
D2π×16×2
伸出速度，则最大推进速度时的液压油需求量Q1=V0×1
4
7、Q0>Q1, P1>P0则推进泵满足要求，就确定了推进泵的型号。
如果是两个推进泵，则两个推进泵的流量总和大于Q1，任意压力大于P0。
8、具体多少组千斤顶根据盾构直径而定，地铁一般是16组32个。
警告：
纯属个人看法，慎用！
二、电机车的选择
1、根据盾构直径D和管片宽度L算出一环的挖掘量K=1
4
D2π×L
2、根据土的重度γ算出土体的质量M1=1
4
D2π×L×γ，容重查勘察报告。
3、管片的质量为M2、电机车及平板车的质量为M3
我们这边的形式如下
电机车浆车4节土箱平板车
2节管片平板车
4、一帮情况下M1>M2，则电机车的最大负载为M1+M3，
5、根据隧道最大坡度和摩擦系数可算出电机车的牵引力，则确定了电机车的型
号。
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=8074KN2）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/m2Ps=115+127+30=272kN/m2M 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 KN3）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=6.68mT 1=0.5x[100x0.0667x(6.68x0.5)2]=37.2KNm214BA 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 T2）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=428KNT 3=428x1.3x0.004=2.23KN.m4）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=mKN T m .8.825.135.12.02214=⨯⨯⨯⨯=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.m6）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.m7）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Pd8）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.m9）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。
某泥水盾构机推力计算书
某泥水盾构机推力计算书1)计算条件1-1土质条件土壤单位体积的重量γ土壤单位体积的重量(水中) γ'水单位体积的重量γw土壤内摩擦角φ侧向土压摩擦系数Ka最大埋深H从盾构顶部测量的最大地下水位Hw开挖面的水压(盾构机中央) Pw泥土和钢板间的摩擦系数μ1-2 盾构机盾构外径 D盾构长度L盾构总重W盾构千斤顶的最大推力Fj盾构千斤顶的数量nj 1-3 管片材料类型RC单环管片的重量Ws管片和钢板间的摩擦系数μc2)作用于盾构外部钢板的土压将土压减去水压，可求得盾构外壁和泥土之间的摩擦阻。
土压可根据整个埋深计算得出。
上载负载P1、P2为∶P1=γ’H+ PoP2=P1+S式中∶S=πｇ=πγｏｔ水平负载Q1、Q2为:Q1=K1(γ’ H1)Q2=K1{γ’(H1+2R) }3）作用于刀盘面的土压根据整个埋深可计算出土压。
土压可由下式得出。
Pd=Ka×{γ’×(H+R)}4）盾构机的掘进阻力盾构机的掘进阻力表示如下：(1)盾构外部钢板和泥土之间的摩擦阻力(F1)F1=μ×{π×D×L×(P0+P2+P3+P0')/4+W}(2)土压的正面阻力(F2)F2=(π×D2/4)×Pd(3)水压的正面阻力(F3)F3=(π×D2/4) ×Pw(4)盾尾内表面和管片之间的摩擦力(F4)F4=μc×Ws'×gWs'=作用于盾尾部分的重量(假定作用在盾尾部分的最大重量相当于2个环片的重量。
) 5）所需推力和装备推力根据4.(1)～(4),所需推力可由下式得出：F=F1+F2+F3+F4而实际装备推力 Fa 为Fa= Fj×nj=278400 kN ＞ F SF=1.61【CASE2】因此，该盾构机具有足够的推力。
水压的正面阻力F3 kN 116,849.87 99,132.88 盾尾内表面和管片之间的摩擦力F4 kN 667.08 667.08 所需推力和装备推力 F kN 155,698.56 172,566.64 安全率sf - 1.79 1.612.挖掘扭矩的计算一般认为盾构机（轴承型中间支承方式）的挖掘所需扭矩T由以下各要素构成。
硬岩地层盾构机推力计算
1、盾体的摩擦力F1=0.25πDL（2P a+2K0P a+K0γD）×μ1+W×μ1式中：D——盾构机直径L——主机长度W——盾构机主机重量（KN）γ——掘削断面上的土体浮重度（KN/m³）K0——掘削断面上土体的静止土压系数，取值0.5μ1——地层与盾构机外壳间摩擦系数，通常取μ1=0.5tanφφ——掘削断面上土体的摩擦角（°）n Pa——作用在盾构机上顶部的竖直土压强度（kpa），Pa=∑γiHii=1 n—地表至盾构机外壳上顶区域内的不同浮重度的土层数γi——第i层的浮重度（KN/m³）H i——第i层的厚度F1=0.25×3.14×6.45×9.135×（2×300+2×0.5×300+0.5×20×6.45）×0.31+3100×0.31≈14790KN2、盾尾与管片间的摩擦力F2=n1×Ws×μ2+π×D0×b×p2×n2×μ3n1——盾尾内管片环数Ws——1环管片的重量（Kn）μ2——管片与盾尾间的摩擦系数μ3——管片与盾尾密封刷的摩擦系数D0——管片外径b——盾尾密封刷与管片的接触长度n2——盾尾密封刷的层数p2——盾尾密封刷内油脂压力F2=2×282×0.3+3.14×6.2×0.1×300×4×0.15=520KN3、开挖面的支撑力开挖面的支撑力按公式（3）计算，对于土压平衡盾构计算公式如下×P SF3=π×D24式中：P S——设计掘进土压，此处去200KPaF3=3.14×6.45²×200/4=6532KN4、后配套拖车的拖拉力后配套的拖拉力由公式（4）计算F4=W4×μ4式中W4——后备套的自重（KN）μ4——后备套拖车与轨道的摩擦系数F4=1500×0.15=225KN5、刀具上的推力现按照轨道方式计算推力，滚刀共40刃，按每把单刃滚刀的最大承载力按250KN计算。
盾构掘进主要参数计算方式
目录1、纵坡..................................................2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法..................深埋隧道土压计算................................浅埋隧道的土压计算..............................主动土压力与被动土压力........................主动土压力与被动土压力计算：..................地下水压力计算..................................案例题..........................................施工实例1....................................施工实例2....................................3、盾构推力计算.........................................4、盾构的扭矩计算 ...................................... 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>=%,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。
盾构机计算书
φ6340mm隧道掘进机型号TM634 PMX设计计算书株式会社小松制作所地下建机事业本部小松(中国)投资有限公司2010年4月目录页数1、计算条件 (3)1.1工程条件 (3)1.2地质条件 (3)1.3计算模型 (4)1.4盾构机规格 (5)2、盾构机刀盘所需扭矩计算 (5)2.1 计算条件 (5)2.2 各参数的计算 (6)2.3 所需扭矩计算 (7)3、盾构机掘进时所需推力计算 (8)3.1 计算条件 (8)3.2 各参数的计算 (9)3.3 推力计算 (10)4、盾构机壳体强度计算 (11)4.1 计算条件 (11)4.2 各参数的计算 (11)4.3 土荷载计算 (12)4.4 盾构机壳体水平方向变位量的计算 (13)4.5 载荷的计算 (13)4.6 弯曲扭矩[M]及轴力[N]的计算结果 (14)4.7 盾构机壳体应力σ的计算结果 (15)5、切削刀具寿命的计算 (19)5.1 地质概况 (19)5.2 地质计算模型化 (19)5.3 主切削刀计算 (19)5.3.1 磨损高度与运转距离的关系 (19)5.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数 (20)5.3.3刀具磨损计算公式 (21)5.3.4刀具磨损计算结果 (22)6、三排园柱滚子轴承计算 (23)6.1 盾构机规格 (23)6.2 载荷计算 (24)6.2.1土载荷的计算 (24)6.2.2 作用与三排园柱滚柱轴承上的载荷的计算 (24)6.3、三排园柱滚柱轴承寿命计算： (25)6.3.1三排园柱滚柱轴承规格 (25)6.3.2 三排园柱滚柱轴承寿命计算 (25)1、计算条件：1.1、工程条件：(1) 隧道长度 m(2) 隧道最小转弯半径 250m(3) 盾构机开挖直径φ6340m m(4) 管片外径φ6200m m(5)管片内径φ5500m m(6)管片宽度 1200mm(7)管片厚度 350mm(8)分块数 5+1块(9)管片重量 4.5t / 块(10)隧道坡度‰1.2、地质条件：(1)土质淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、中粗砂(2)隧道覆土厚度 5～30 m(3)地下水位GL- 0.5 m(4)间隙水压 MPa(5)透水系数 cm/sec(6)标准贯入值（N值）(7)内摩擦角 deg(8)粘着力 kN/cm2(9)含水率（W%）(10)地面负荷 6 tf/m2(11)地层反力系数 kN/m21.3、计算模型说明：由于整个计算全部采用在埋深30m ，承受最大水压力，因此计算偏与安全。
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。
盾构机的关键参数计算方法8
盾构机的关键参数计算方法1.1.1.1盾构机总推力计算根据隧道工程条件，盾构主要参数计算按盾构在最大土压和水压位置进行计算。
根据招标文件和地质堪察报告按盾顶埋深22m，地下水位埋深按2m，盾构穿越地层按粉质粘土地层进行核定。
1、计算参数管片内径：Φ5500mm管片外径：Φ6200mm管片厚度：350mm管片宽度：1500mm覆土厚度：20m水头压力：200kPa土容重：粘土γ＝19.1kN/m3,粉土γ＝19.9kN/m3土的侧压力系数：0.5盾构机重量：331.7t盾构机盾壳长度：9.55m管片外径：Φg=6200mm盾构尾部的外径为：Φ6390mm盾体直径为：D 0＝6410mm钢与土的摩擦系数μ1＝0.3车轮与钢轨之间的摩擦系数μ2＝0.2每一先行刀的容许负荷pr＝150kN后配套系统G1＝160t最大推力F：42,000kN额定扭矩：5316 kNm脱困扭矩：6934 kNm2、盾构荷载计算松动圈土压，见图2.1.6-1。
按覆土厚度H0=22m计算,H1=1m,H2=12m.H3=9m①Pe1=（γ-10）H2+（γ-10）H3 +γ*H1=219.3kPa ②Pe2=Pe1-64.5=153.8kPa③④ ⑤⑥ ⑦ ⑧ ⑨图2.1.6-1 荷载计算简图3、盾构机总推力计算盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构无法向前推进。
包括盾构外围与土的摩擦力、盾构推进阻力（正面阻力）、由先行刀挤压阻力、管片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力。
1.1.1.2盾壳与土体的摩擦力(1)、盾构外围与土的摩擦力)4()(221101011w q p q p LD w Lp D F e e e e w ++++=+=πμπμkN 6.11047）331742.1481048.1533.21955.9*41.6*14.3(3.0＝=++++kPa p q e e 1045.0*208*11===λkPa Pe q e 2.1485.0*2195.0*45.6*12*)145.6*)10((2=+=+-=λγkPaL D G p g 02.62)0.8*45.6/(10*320*/0===11e e q qf =22e e q qf =kpa qf w 2101=kpa qf w 2752=(2)、盾构推进阻力（正面阻力）kNqf qf qf qf D F w e w e 1383922752108.1533.219*40881.41*14.32*42211202=+++=+++π＝(3)、由先行刀挤压产生的阻力kN n p F r 2700150*18*3=== (4)、管片与盾尾的密封阻力kN W M F S C 8.1418.92.51.55.5)5.5-6.22.6(41416.323.04=⨯⨯⨯⨯⨯⨯÷⨯⨯=⨯=MC -管件与钢板刷之间的摩擦阻力，取0.3 WS-压在盾尾内部2环管片的自重 (5)、后方台车的牵引阻力kN G F 3201600*2.0*＝125==μ 所需最大推力kN F F F F F F 4.280483208.1412700138396.1104754321max =++++=++++=安全系数5.14.28048/42000/＝max ==F F α 根据分项计算推力的安全系数达到1.5，可以满足掘进的需要。
盾构施工关键参数的计算
-K 0φH B e ·у0+B H -K 0φ·B 1·уC1-eφ盾构施工关键参数的计算1）计算依据盾构掘进机选型主要性能参数的计算，根据工程和水文地质情况、盾构机厂商提供的结构和性能参数，参考有关资料进行。
2）计算内容盾构机的主要参数计算主要为土压平衡工况下盾构机推力和扭矩的计算。
⑴在软土中推进时，盾构机所需推力的计算地质参数选取：岩土容重 γ=2.0t/m 3岩土内摩擦角 φ=27°土的粘聚力 C=30Kpa=3.0t/m 2覆盖层厚度 最大：H max =20.3m ；最小H min =10.0m 地面上置荷载 Po=2t/m 2水平侧压力系数 λ=0.62盾构掘进机外径 D=6.39m盾构掘进机总长 L=7.755m盾构掘进机总重 W=300t管片每环的重量 W g =19.29t水平垂直土压之比 K o =1由于隧道沿线的埋深差别不大，最大处为20.3m ，最小为10.0m ，因此，计算最大埋深处的松动土压和两倍盾构掘进机直径的全土柱高产生的土压，并取其中的较大值作为作用于盾构掘进机上的土压计算：松动高度计算：1×tg27° 0-1×tg27°× 5.71 )(20.32.002+ e 20.3( )5.71-1×tg27°× ×1-e 3.05.71×2.0.5.71 (1- ) h = =7.08m )(.式中：松动土压P SP S =γh 0=2×7.08=14.16t/m 2两倍盾构掘进机直径的全土柱土压：P q =γh 0式中：h 0=2D=2×6.39=12.78mP q =γh 0=2×12.78=25.56t/m 2由于P q ＞P S所以，取P q 计算。
P o = P q +2=25.56+2=27.56 t/m 2P o1= P o +W/（D ·L ）=27.56+300/（6.39×7.755）=33.61t/m 2 侧压力计算：P 1 =P o1λ=33.61×0.62=20.84 t/m 2P 2 = （P o +γD ）λ =（27.56+2.0×6.39）×0.62=25.01 t/m 2 盾构掘进机的推力由盾构掘进机的外壳与土体之间的摩擦阻力F 1、刀盘承受的主动水平压力引起的推力F 2、土的粘接力引起的刀盘推力F3以及盾尾与管片之间的摩擦阻力F4几部分组成。
【精品】盾构掘进主要参数计算方式10
【精品】盾构掘进主要参数计算方式10海量资料超值下载关键参数的计算 ..................................................................... .........................................? 盾构机掘进技术培训总结 ..................................................................... (24)盾构掘进参数的意义与相互关系...................................................................... . (35)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?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。
地质要素表表7-7-1图7-7-1计算断面地质剖面图厚度S 天然密度凝聚力C底层深度H代号地层(m) ρ(g/cm3) (KPa) (m)<4,1> 粉质粘性土 12.0 1.95 20.3 12.0硬塑状残积土 <5Z-2> 13.0 1.88 26.0 25.0全风化混合岩、块石土 <6Z-2> 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。
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。
盾构法施工方法加固方案及强度计算
(b)刀盘正面的侧向土压力
(4)盾构在地层中沿设计轴线推进，在推进的同时不 断出土和安装衬砌管片； (5)及时的向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和 固定衬砌环的位置； (6)盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也 可穿越工作井再向前推进。
碴土储舱和料斗 龙门吊车
泥浆处理设备
车站
竖井
皮带运输机
盾构机
电瓶车 斗车 泥浆注入车 管片运输车螺旋输送机
盾构法施工方法、加固方案及强度计算
一、概述
盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，在护盾 的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从 而构筑成隧道的施工方法”。 其施工主要步骤为： (1)在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井； (2)盾构在起始端工作井内安装就位； (3)依靠盾构千斤顶推力将盾构从起始工作井的墙 壁开孔处推出。
2 0
Cu Dd
D
Cu
D
2
(
2
)
M 3 ——滑移圆弧线CD段的抗滑力矩
M 3
0
Cut Dd
D
CutD 2
式中 Cu ——加固前土体地粘结力； Cut ——加固后土体地粘结力； H ——上覆土体的高度；
sin 1 t
D
抗滑移的安全系数K2
K2
M M
1.5
2．盾构的掘进 (1)盾构千斤顶总推力与刀盘扭矩计算 ①土压平衡式盾构 a．盾构千斤顶总推力 推进土压平衡式盾构所需克服的阻力有：
泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分为 直接控制型(日本型)和间接控制型(德国型)两种 基本类型。 ①直接控制型(日本型)泥水加压式盾构的泥浆压 力控制由一套自动控制泥浆平衡的装置来实现。
清水槽
P1 泥浆调整槽
盾构机推力扭矩计算依据
土压平衡d1型地铁盾构（液压系统）计算书Ф6340土压平衡d1型盾构推力扭矩计算书2．设计依据Φm土压平衡盾构掘进机的设计根据上海地区的软土地质条件和工程条件进行，土质主要包括灰色淤泥质粘土层、灰色粘土层、粉质粘土、砂质粉土等。
地质条件隧道需穿越的地层主要是灰色淤泥质粘土层、灰色粘土层、灰色粉质土层，其特点：饱和、流塑，属高压缩性土，受扰动后沉降大，易发生流砂。
（见图一）其主要力学指标：a．平均值：N＝2～8b．内摩擦角：Φ＝°～°c．凝聚力：C＝～d．渗透系数：K V20＝×10－5～×10－4cm/secK H20＝×10－5～×10－4cm/sec推进系统3.盾构的载荷条件P g—自重抵抗土压(kN/m2)； P w1—顶部垂直水压(kN/m2)；P w2—底部垂直水压(kN/m2)； q e1—顶部土体侧压(kN/m2)；q e2—底部土体侧压(kN/m2)； q w1—顶部侧向水压(kN/m2)；q w2—底部侧向水压(kN/m2)； q fe1—顶部水平土压(kN/m2)；q fe2—底部水平土压(kN/m2)； q fw1—顶部水平水压(kN/m2)；q fw2—底部水平水压(kN/m2)。
其中q fe1=q e1，q fe2=q e2，q fw1=q w1，q fw2=q w2。
垂直土压： P e1=W0+γt H0+γ'H w（1）式中： W0—地面荷载(kN/m2)； H0—地下水位高度(m)；H w—H-H0； H—覆土厚度(m)；γt—地下水位上部的土体容重(kN/m2)；γ'—地下水位下部的土体容重(kN/m2)。
土体抗力的计算与垂直土压的计算相似。
水平土压（土体侧压）的计算可把垂直土压乘上侧压系数λ求出，即q e=λP e（2）水压通常指地下水位以下的静止水压，即P w =γw H w （3）依据上述情况可以计算盾构在推进过程中的受力进而可以计算盾构推进所需推力。
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。
盾构掘进及主要参数计算4
B1 R0 cos(
12:33
/ 4 / 2
2
)
H1 H
p0
—28—
广州盾建
150 100
计算土压力与实测土压力分布对比 不含抗力的计算土压力
广州盾建
8
00:18
泥水平衡盾构的 2种平衡模式
泥水平衡模式：直接利用土仓泥水压力平衡掌 泥水平衡模式：直接利用土仓泥水压力平衡掌 子面的水压力和土压力。 气压复合模式：开挖仓内的泥水压力通过气压 气压复合模式：开挖仓内的泥水压力通过气压 调节方式进行控制。
3.2 主要掘进参数的计算
广州盾建
—31—
12:33
管片内力与变形的现场监测试验研究
12:33
广州盾建
—32—
(2) 掘进推力 F
盾构的掘进总推力是由各种推进阻力的总和来确 定。推进阻力主要由以下几项构成：
盾构外周和土体的摩擦阻力（ 盾构外周和土体的摩擦阻力 （如何测摩阻力？） 盾构正面阻力(土仓压力) 管片与盾构本体内壁之间的摩擦力
计算值与稳定后 实测值相对误差(%)
63.55 -43.89 9.15 14.67 -2.41 -4.43
12:33
广州盾建
—30—
主要研究结论：
监测数据表明： 注浆时的实测土压力是计算土压力的1.6~2.8倍， 是稳定土压力的1.3~2.2倍。 盾尾注浆压力是施工过程管片外表面受到的最大 施工荷载，设计时外荷载取值应考虑注浆压力。 研究结果表明： 目前设计中常用的惯用设计法土压力计算模型是 合理的，泰沙基（Terzaghi）松弛土压力与实测 土压力基本接近，实测稳定土压力与计算土压力 分布规律是吻合的。
始发推力及扭矩计算
右线始发推力及扭矩计算一、计算条件盾构机受力分析：图1项目符号单位覆土厚度H m地下水位(从水面至盾构机顶部为止) H w m泥土天然容重γt/m3水的容重γw t/m3土内部摩擦角φdegree 静土压系数k0--- 土的粘聚力 c kN/m2盾构机外径 D m盾构机总长L m盾体长度Ls m盾体总重量Gs t后配套台车总重量Gt t推进油缸推力 F kN/根油缸装备数量m 根刀盘扭矩Tr kN-m 管片外径Ds m刀盘开口率ξ％刀盘幅宽l m标准刀刀刃宽度B0 cm如图1所示，盾构机在土体中，覆土厚度H ，其间含有H W 高的水头，此时盾构机上下左右均受到水和土体对它的作用力，如图2所示： 1)、盾构机顶部所受的垂直负荷：P1P 1＝H ·γ×10 2)、盾构机顶部侧向负荷： Q 1101P k Q ⨯=3)、盾构机底部侧向负荷： Q 2()102⨯⨯+=γD H k Q4)、盾构机底部所受的垂直负荷：3Pg P P +=13盾构机自重引起的压力：LsD Gs g ⋅⨯=10图2 图3DP1P3二、盾构掘进刀盘扭矩和所需推力计算1、掘进时刀盘扭矩 理论刀盘扭矩：TT = T 1 + T 2 + T 3 + T 4其中 T 1：刀具的切削阻力扭矩T 2：大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩 T 3：大刀盘外周部与地层的摩擦阻力扭矩 T 4：中间支撑梁的阻力矩 1）、刀具的切削阻力扭矩：T 1H α=10×2.1×ec ･B0･t ･10(-0.22θ)/1000 T 1=n t ×H α×R k其中 e c ：切削阻力系数 B 0：切削刀刃宽度 t ：切入深度 θ：切削刀刃的前角 n t ：刀盘刀具装备数R k ：刀盘刀具平均安装半径2）、大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩：T 2()322132⎪⎭⎫⎝⎛⋅-⋅⋅=D c T ξπ其中：ξ为大刀盘开口率3）、大刀盘外周部与地层的摩擦阻力扭矩；T 32322⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=D l c T π其中 l ：为大刀盘外周板的宽度 4）、中间支撑梁的阻力矩 T 4c r ld n T a a a a ⨯⨯⨯⨯⨯=242、盾构掘进推力 盾构机所需推力：FF = F 1 + F 2 + F 3 + F 4其中 F 1：外壳板外周面与坑壁的摩擦阻力的推力 F 2：盾构机前方的水土压力的推力 F 3：管片与盾尾密封的摩擦阻力的推力 F 4：后配套设备的牵引阻力的推力1）、盾体外壳板外周面与坑壁的摩擦抵抗的推力：F 1 Ls D C F ⋅⋅⋅=π1 2）、盾构机前方的土水压力的推力：F 2()422212D Q Q F ⋅⋅+=π 3）、管片与盾尾密封的摩擦阻力的推力：F 3F 3＝μs ×n s ×π×D s ×(P s +P x )其中：μs ：管片与盾尾密封的摩擦系数(＝0.3) P s ：盾尾密封的紧迫力 (＝3.1kN/m)P x ：水压引起的紧迫力 (43.00.13211P Q Q P +++⨯⨯=)4）、后配套设备的牵引阻力的推力：F 4 F 4＝G t ×μt ×9.8其中μt ：牵引阻力系数(＝0.2)。
第六篇 盾构机
第六篇盾构机第一章盾构机选型在当今地铁施工中，盾构机以其开挖速度快、对土体扰动小、易于控制地面变形（沉降和隆起）、成洞质量高、施工安全等优点被大量采用。
合理的选择盾构机类型，对保证施工质量，保护地面与地下建筑物安全和加快施工进度，是至关重要的。
第一节盾构机比选定型几种典型盾构工法比较及盾构在不同地质条件下沉降量对比见表6-1-1、表6-1-2。
通过上述两表中几种盾构机的对比，及对国内外与南京地铁工程地质与水文地质相近的盾构法的地铁工程的调查，综合分析评估，并广泛请教国内外盾构施工领域资深专家。
同时，积极响应业主对盾构机型的建议，我们决定选用加泥式土压平衡盾构机。
加泥式土压平衡盾构机所适应的地质条件及南京地铁实际的地质条件重要项目见表6-1-3。
地质条件项目表表6-1-3通过对比可知该盾构机能满足南京地铁地质条件。
针对南京地铁特殊地段的地质情况，我们将在机器上增加专用设备，如超前注浆系统、向密封舱内注入特殊的塑流化添加剂（将各种土质改良成土压平衡式盾构机工作所需的塑流体）等手段，增强盾构机对各种特殊地质段的适应性，确保施工质量。
第二节盾构机制造商简介及设备突出特点为更好地满足业主需要，高质量完成南京地铁工程，根据对地质资料及世界著名盾构机生产厂家的调查研究，我们拟选购海瑞克（HERRENKNECHT）公司生产的加泥式土压平衡盾构机。
海瑞克公司是世界上最优秀的隧道开挖机械的专业制造商之一，1995年通过了DIN、ISO9001质量认证。
该公司从1978年投产至今已成功地向世界各地提供了直径由0.3m—14.2m各种型号的盾构机一千多台，直径14.2m徳国汉堡第4座易北河公路隧道即为该公司盾构机的杰作，为当今世界之最。
该公司在世界各地设有12个子公司，11个代理站，1998年年销售总额387.19百万马克，并以每年26%的速度递增。
短短二十年的时间即取得如此辉煌的业绩足可见其雄厚实力及在该行业的显赫地位。
双护盾岩石隧道掘进机刀盘扭矩、推力、带式输送机功率计算方法
附 录 A（资料性附录）刀盘扭矩计算方法A.1 理论扭矩计算方法理论扭矩计算方法按公式（A.1）：()i i m T f F R T =⨯⨯+∑∑ …………………………(A.1)式中：T ——刀盘扭矩，单位为千牛米（kN ·m ）；f ——滚刀滚 动阻力系数, 一般取值0.1～0.15；F i ——滚刀额定承载能力，单位为千牛（kN ）；R i ——每把滚刀在刀盘上的回转半径，单位为米（m ）；T m——摩擦扭矩，单位为千牛米（kN ·m ）。
A.2 经验计算方法经验计算方法按公式（A.2）：2T S D =⨯ …………………………(A.2)式中：D ——刀盘直径，单位为米（m ）；S ——扭矩系数。
扭矩系数S 根据掘进机直径、围岩条件而异，一般取S ≈60。
附 录 B（资料性附录）掘进机推力计算方法B.1 掘进机推力理论计算方法B.1.1 掘进机辅推进系统推力掘进机辅推进系统推力理论计算方法按公式（B.1）：FT 11234()F K F F F F =⨯+++ …………………………(B.1)式中：F FT ——掘进机辅推进系统推力, 单位为千牛（kN ）；K 1——储备系数，一般取K 1 =1.1～1.5；F 1 ——岩石和护盾间的摩擦阻力，单位为千牛（kN ）；F 2 ——拖动后配套系统产生的阻力, 单位为千牛（kN ）；F 3 ——刀盘推进反力，单位为千牛（kN ）；F 4 ——盾尾刷与管片之间摩擦阻力，单位为千牛（kN ）。
B.1.2 掘进机主推进系统推力掘进机主推进系统推力理论计算方法按公式（B.2）：()ZT 135F K F F =⨯+ …………………………(B.2)式中：F ZT ——掘进机主推进系统推力, 单位为千牛（kN ）；F 5 —— 前护盾和外伸缩护盾受到的摩擦阻力之和，单位为千牛（kN ）。
B.1.3 岩石和护盾间的摩擦阻力岩石和护盾间的摩擦阻力F 1按公式（B.3）计算：111W F ⨯=μ …………………………(B.3)式中：μ1 ——围岩与护盾间的摩擦系数，一般取0.3～0.5；W 1——护盾作用在围岩上的全部竖直压力，单位为千牛（kN ）。
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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。