盾构施工关键参数的计算

3.195

45°+

27°

2

B1=

2

+

R

45°

-K

0φ

H

B

e

·

у

+

B

H

-K0φ

·

B1·у

C

1-e

φ

5.71

φ°

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。

⑪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/m3

岩土内摩擦角φ=27°

土的粘聚力 C=30Kpa=3.0t/m2

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/m2

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 S P 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=12.78m P 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 2

P 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 2

P 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。

盾构掘进机外壳与土体之间的摩擦阻力F1：

F1=1/4×（P o+ P o1 + P1 + P2）·πDLu

式中：u—土与钢之间的摩擦系数，u=0.3

L—盾构掘进机长度，L=7.755m

F1=1/4×（27.56+33.61+20.84+25.01）×π×6.39×7.755×0.3=1249.6t

刀盘水平压力引起的推力F2：

F2=π/4×（D2·P d）

式中：P d—水平主动土压力

P d=γH0tg2（450-φ/2）

H0=h0+R=12.78+3.195=15.975m

P d =2.0×15.975×tg2（450-270/2）=11.998 t/m2

F2=π/4×（6.392×11.998）=384.8 t

土的粘接力引起的刀盘推力F3

F3=π/4×（D2·C）=π/4×（6.392×3.0）=96.16t

盾尾与管片之间的摩擦阻力F4

F4=W cμc

式中：W c—作用于盾尾和管片的重量（假定作用于盾尾的重量为两环管片的重量，W c=19.29×2=38.58t）

μc—管片与盾尾之间的摩擦系数，μc=0.3

F4=38.58×0.3=11.57t

盾构所掘进机需要的总推力F：

F= F1+ F2+ F3+ F4=1249.6+384.8+96.16+11.57=1742.13t

在曲线段推进，盾构掘进机的推力为正常推进时的120%，因此，盾构掘进机实际应备的推力为：

F推=1.2F=1.2×1742.13t=2090.6t

取F推为2091t，盾构机提供的动力为F推=2950t

所以，盾构机所配备的推力能够满足软土推进施工的需要。

⑫软土推进时盾构掘进机扭矩计算

盾构掘进机在软土中推进时的扭矩包含切削扭矩、刀盘的旋转阻力矩、刀盘所受推力荷载产生的反力矩、密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土压腔内的搅动力矩。

①切削扭矩T1

计算参数：

推进速度v：一般情况下v=1.8m/h，v max=3m/h

刀盘转速n：n=1rpm

刀盘每转切深h：h=v/n=3cm，h max=v max/n=5cm

土的抗压强度：q u=12.2t/m2

刀盘直径：D d=6.40m，半径R d=3.2m

T1=1/2（q u h max R2）=1/2×（12.2×0.05×3.142）=3.0t.m

②刀盘自重产生的旋转反力矩T2

T2=G·R1·u g

式中：G—刀盘自重，G=64.5t；

R1—滚动接触半径，R1=2.05；

u g—滚动摩擦系数，u g=0.004；

T2=64.5×2.05×0.004=0.53 t·m

③刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩T3

T3=P t R1u g

式中：P t—推力荷载

P t=aπR2P d +π/4·（d22-d12）C

式中：a—刀盘开口率，a=0.65

d2—刀盘支撑梁外径，d2=4.8m