土压力计算

地层参数按《岩土勘察报告》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。根据洞门的纵剖面图，及埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力Pe 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+ P0

P01= Pe + G/DL

P1=Pe ×λ

P2=(P+γ.D) λ h 为上覆土厚度，γ为土容重，γ=1.97 t/m3

G 为盾构机重，G=360 t

D 为盾构机外径，D=6.45 m ； L 为盾构机长度，L=8.0m ； P0为地面上置荷载，P0=2 t/m2； P01为盾构机底部的均布压力；P1为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P2为盾构机底部的侧向水土压力；Pe=1.97×6.65+2=15.1t/m2

P01=15.1+360/（6.45×8.0）=22.1t/m2 P1=15.1×0.47=7.1t/m2

P2 =(15.1+1.97×6.45)×0.47=13.1t/m2

盾构的推力主要由以下五部分组成：

54321F F F F F F ++++=

式中：F1为盾构外壳与土体之间的摩擦力 ；F2为刀盘上的水平推力引起的推力

F3为切土所需要的推力；F4为盾尾与管片之间的摩阻力

F5为后方台车的阻力

3.0=μμ数，计算时取：土与钢之间的摩擦系式中：

t F 5.6973.00.845.61.131.71.221.15411=⨯⨯⨯+++⨯=π）（

）（d P D F 224π=

为水平土压力式中：d P ，

）（2D h P d +=λγ

m D h 875.9245.665.62=+=+ 2/1.9875.997.147.0m t P d =⨯⨯=

t F 2971.945.64/22=⨯=）（π ）（C D F 234/π=

式中：C 为土的粘结力，C=4.5t/m2

t F 1475.445.6423=⨯⨯=）（π

c c W F μ=4

式中：WC 、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2.5t/m3，管片宽度按1.2m 计时，每环管片的重量为19.3t ），两环管片的重量为38.6t 考虑。μC=0.3

t F 6.113.06.384=⨯=

h g G F μ=5

式中：Gh 为盾尾台车的重量，Gh ≈160t ；

μg 为滚动摩阻，μg=0.05

πμ.)(4121011DL P P P P F e +++=

t F 0.805.01605=⨯≈

盾构总推力：t F 1.11610.86.111472975.697=++++=

施工时以此理论计算值为目标值控制盾构千斤顶总推力，并根据具体情况做相应调整。

3、刀盘扭矩

盾构的切削刀盘扭矩主要由土体的剪切阻力产生，其经验公式如下：

由于盾构机穿越的地层主要为粘土故α取1.2

扭矩T ≈1.2×6.453

=322t •m

施工时以此值为目标值控制刀盘切削。

1、反力架立柱和横梁的应力计算

始发阶段由于管片与土体之间的摩擦阻力小于盾构掘进时所需要的反力，所以需要反力架来提供反力。盾构机的推进力按1600吨考虑，将作用在整环临时管片底部范围内。，反力架与第一环临时管片的受力面如下图所示，盾构机的推进力将通过临时管片传递到反力架上。 3

D α＝T

图3 反力架与-8环管片受力面

反力架选用Q235钢板焊接制成的箱梁，钢板的屈服强度σ=235MPa，盾构机的推力按1600吨考虑，作用面积为π（6.22-5.52）=25.7m2；截面尺寸如下图所示，并对其安全性进行校核。

图4 箱梁截面图

（1）、箱梁的截面模量计算如下：

493

3310182.872028012

1720140122008600121mm I ⨯=⨯⨯-⨯⨯-⨯⨯= 3

710045.22/800mm I W ⨯==

（2）、反力架受力计算如下：

m ton q /09.7914.3222.30016=⨯⨯=

图5 立柱和横梁受力简图

南、北立柱和下横梁其受力范围的分析：（计算反力架受力面均布荷载79.09ton/m ）

A:q 1=q 2=79.09×73×3.22×2×3.14/(360×8.1)=40.05ton/m

B:q 3=q 4=79.09×107×3.22×2×3.14/(360×5.84)=81.4ton/m

（3）、弯矩计算如下：

A:立柱所受最大弯矩M1=qL 2/8=82.12ton ·m

B:横梁所受最大弯矩M2=qL 2/8=86.76ton ·m

（4）、应力计算如下：

<=⨯⨯⨯⋅⨯==Mpa mm mm N W M 4.4010045.205.11086.76377max max γσ[σ]=235Mpa

（5）法兰螺栓的强度计算

根据反力架螺栓设计，采用直径24mm ，M24高强螺栓，单个螺栓的抗剪力：

KN f d nv N b

v b v 1404/3102414.314/22=⨯⨯⨯=⋅⋅=π

每个法兰有20个螺栓，因此每个法兰抗剪力： ton KN N 280280014020==⨯=

根据反力架受力的分析，下部横梁所承受的反力较大，所以只需验算下部横梁的法兰螺栓的强度。根据以往经验，实际始发掘进正常推力一般不超过2000t ，那么下部横梁所承受的反力为：ton F 56.475107/3601600=⨯=

根据理想状态不考虑后撑的反力，ton 56.4655602802≥=⨯

根据计算：法兰的螺栓强度满足受力要求。

（6）、结论：

根据计算结果显示该反力架完全满足受力要求，不会变形。

2、反力架钢支撑的稳定验算

反力架支撑有2种，第一种为2块200的H 型钢焊接并每隔400mm 加10mm 钢板作为肋板的水平支撑，每根横梁上有3组水平支撑，每个200H 型钢组合的截面面积为A=12856mm 2,第二种为609钢管，t=16mm 的钢支撑。所以验算如