盾构关键参数计算

第七节关键参数的计算

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Ⅱ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

代号地层厚度S

（m）

天然密度

ρ（g/cm3）

凝聚力

C（KPa）

底层深度

H（m）

<4－1> 粉质粘性土12.0 1.95 20.3 12.0

<5Z-2> 硬塑状残积土13.0 1.88 26.0 25.0

<6Z-2> 全风化混合岩、块石土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。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*C

C—凝聚力，单位kN/m2，查表7-7-1，图7-7-1计算断面地质剖面图

取C= 30.6kN/m2

L—盾壳长度，9.150m

D—盾体外径，D=6.25m

得： F

1

=π*D*L*⋅C=3.14159⨯6.25⨯9.15⨯30.6

＝ 5498 kN

2.2 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；

p

e1

——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。

qf

e1——盾构机拱顶受的水平土压；qf

e1

＝λ×p

e1

p

e2

——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。

qf

e2——盾构底部的水平土压。qf

e2

＝λ×p

e2

qf

w1

——盾构顶部的水压

qf

w2

——盾构底部的水压λ——侧压系数，取0.37；

计算qf

e1 qf

e2

qf

w1

qf

w2

p

e1

＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8 ＝609.2kN/m2

p

e2

＝609.2 ＋6.25×1.91×9.8

＝726.2 kN/m2

qfe1＝0.37×609.2

＝225.4 kN/m2

qfe2＝0.37×726.2

＝268.7 kN/m2

qf

W1

＝(32.5-2.5) ×9.8

＝294 kN/m2

qf

W2

＝294+6.25×9.8

=355.3 kN/m2

2.3 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。

按水压和土压分算公式计算，将以上各项代入公式得：F 2 = 17539.5 kN

2.4 盾尾内部与管片之间的摩阻力F 3

F 3=μc .ωs

μc ——管片与钢板之间的摩擦阻力，取0.3 ωs ——压在盾尾内的2环管片的自重

F 3=0.3×2×(3.1416/4)(62－5.42)×1.5×2.5×9.8 =118.46 kN 计算盾构机的总推力F

F=( F 1+F 2+F 3).K c K c 取1.8 F=(5498 +17539.5+118.46) ×1.8 = 32770.7 kN

2.5 盾构机总推力的经验计算

《日本隧道标准规范<盾构篇>》，根据大量工程实践的统计资料，推荐单位面积上的推力值为：

F j =1000 kN/m 2～1300 kN/m 2 则选型盾构机的总推力F 应为

图7-7-2盾构机受力示意图

44

2

2112

2w e w e D F ⋅

=

π 2

F=(π/4)×6.252(1000～1300)

=(30679.69～39883.60) kN

2.6 结论

选型盾构机的推力为36000kN，它大于校核计算值32770.7kN，又控制在经验值范围内，说明该盾构机的推力值合理。

3 盾构机刀盘扭矩校核计算

3.1．计算条件

选取地质条件同前，由于该地段埋深较大，考虑土体的自成拱效应，土压力计算按2倍的盾构直径按水土分算进行。

3.1.1 天然地基的强度、地压、水压

天然地基的抗压强度（查表） P= 500 kN/m2

盾构中心的水平土压 Pd= 107.7kN/m2

盾构中心的水压 Pw= 324.7kN/m2

上部垂直土压 P0= 232.5kN/m2

盾构上部的水平土压 P2= 86.0kN/m2

盾构下部的水平土压 P3= 129.3kN/m2

下部垂直土压 P0'= 349.5kN/m2

3.1.2 摩擦系数

滚刀盘和天然地基之间的摩擦系数μ= 0.3

刀面和天然地基之间的摩擦系数μ1= 0.15

滚动摩擦系数μ2= 0.004

滚刀密封装置和钢板之间的摩擦系数μ3= 0.2

3.1.3 滚刀盘

装备的扭矩 Tn= 7340kN-m

开挖速度 V= 4.0cm/min

刀盘的旋转 Nc= 1.15r/min

刀盘的外半径 Rc= 3.14m

刀盘的宽度 lk= 0.544m

刀盘的重量 G= 50t (assumed)