盾构机受力计算及始发结构设计

盾构机受力计算及始发结构设计

【内容提要】本文重点从分析盾构机在始发阶段的受力入手，设计盾构机的始发设施（始发托架、反力架）及其固定，提出对盾构机掘进参数的控制要求。

【关键词】隧道、盾构、始发、始发托架、反力架

前言

随着技术进步、综合国力的增强，盾构法越来越多地被国内地铁界所接受，上海、广州、南京、北京、深圳、天津、西安、成都、沈阳、杭州、青岛等城市都使用这种方法。上海地铁是国内最早采用盾构施工的，且大部分工程都是利用盾构完成的。虽然盾构有许多成功的工程实例，但是使用这种方法也有较大的风险。而且使用盾构，在对洞口进行加固处理的始发阶段出问题的概率很高，即使是非常有经验的承包商也常会发生类似事故。

本文从盾构机在始发阶段的受力入手，设计盾构机的始发设施（始发托架、反力架）及其固定，提出对盾构机掘进参数的控制要求。

1工程地质情况简介

成都地铁1号线一期工程盾构施工2标，人民北路站至天府广场站盾构区间，第一台盾构机从始发井（右线）南端向南始发掘进，到达天府广场站调头至左线，再从左线向北始发，到达骡马市站后盾构机过站，到达文武路站后盾构机转场，到人民北路站吊出完成左线盾构掘进；第二台盾构机从始发井（右线）北端始发到达骡马市站过站，到文武路站转场，到人民北路站吊出完成右线盾构掘进，见图1线路平面示意图。

整个盾构区间左、右线盾构吊装与拆除4次、调头1次、过站2次、转场2次。成都地铁人-天区间两台盾构机在右线始发井各有一次盾构始发起点，总共7次始发，根据每次各100m的始发掘进地段的地质条件和线路平、纵断面设计，分析盾构机的掘进受力，对于正确设计、固定盾构机的始发设施，合理提出始发阶段盾构机掘进参数的控制是十分必要的。

图1线路平面示意图

2盾构机始发阶段的受力

2.1盾构机始发前的受力

始发前盾构机处于+0.6845%变坡点附近，整个盾体支承在始发托架上，盾构主机仅有重力G约3200kN作用在始发托架上，重心距刀盘面约2.7m，刀盘悬臂置于托架前端，托架前端离始发掘进面（围护结构外侧面）约1.8m。始发井盾构始发设计负7环始发，负7环端面靠紧反力架的反力环面，负7环另一端成为30个推力油缸的支撑面，提供掘进支撑反力，盾构机始发前受到始发托架两个导轨的支撑反力。

2.2盾构机的总推力计算

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。本标段选择的计算断面位置为YCK6+200处。根据招标文件和地质堪察报告按盾顶埋深20 m，地下水位埋深按2m，盾构穿越地层按<4-4>卵石土地层进行核定。

2.2.1计算参数

管片内径：Φ5400mm

管片外径：Φ6000mm

管片厚度：300mm

管片宽度：1500mm

覆土厚度：20m

水头压力：180kPa

土容重：γ＝23kN/m3

土的侧压力系数：0.2

盾构机重量：320t

盾构机盾壳长度：8.16m

管片外径：Φg=6000mm

盾构尾部的外径为：Φ6230mm

盾构刀盘直径为：D 0＝6250mm

钢与土的摩擦系数μ1＝0.3

车轮与钢轨之间的摩擦系数μ2＝0.15

每一滚刀的容许负荷pr＝250kN

后配套系统G1＝200t

最大推力F：34210kN

额定扭矩：4300 kNm

脱困扭矩：5200 kNm

2.2.2盾构荷载计算

松动圈土压，见图2荷载计算简图

按覆土厚度H0=20m 计算

①P e1=（γ-10）H0=（23-10）*20=260kPa

②P e2=P e1-60=200 kPa

③kPa p q e e 4.322.0*162*11===λ

④kPa q e 25.682.0*25.26*13*)25.620(*)10(2==+-=λγ

⑤kPa L D G p g 75.62)16.8*25.6/(10*320*/0===

⑥11e e q qf =

⑦22e e q qf =

⑧kpa qf w 1801=

⑨kpa qf w 2422=

图2荷载计算简图

2.2.3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）、由滚刀挤压破岩力、管片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力。

2.2.

3.1盾构外壳与土的摩擦力

)4

()(221101011w q p q p L D w Lp D F e e e e w ++++=+=πμπμ kN 693.77）＝32004

25.682004.3226016.8*25.6*14.3(3.0＝++++ 2.2.3.2盾构推进阻力（正面阻力）

kN qf qf qf qf D F w e w e 3.80132

24225.681804.32*40625.39*14.32*422112

02=+++=+++π＝2.2.3.3由滚刀挤压产生的阻力

kN n p F r 875035*250*3===

n-滚刀数量按正面有35把计算

2.2.

3.4管片与盾尾的密封阻力

kN W M F S C 5.1188.92.51.55.4)5.4-66(41416.323.04=⨯⨯⨯⨯⨯⨯÷⨯⨯=⨯=

M C -管件与钢板刷之间的摩擦阻力，取0.3

W S -压在盾尾内部2环管片的自重

2.2.

3.5后方台车的牵引阻力

kN G F 3002000*15.0*＝125==μ

所需最大推力

kN F F F F F F 5.248753005.11887503.80137.769354321max =++++=++++=

安全系数

37.15.24875/34210/＝max ==F F α

结论：根据分项计算推力的安全系数达到1.37，可以满足掘进的需

要；

始发时每一个滚刀挤压产生的负荷按150kN 计算，则

F 3=150*35=5250kN ，盾构机在始发井的反力架的承载能力应大于

F 2+F 3+F 4+F 5=8013.3+5250+118.5+300=13681.8 kN ，反力架按承载15000 kN 设计。

3始发托架的设计

3.1始发托架的用途及受力

3.1.1始发托架的用途

始发托架用于组装盾构机主体和支撑组装好的盾构机主体，并且可