粉质粘土地层盾构推力的计算

粉质粘土地层盾构推力的计算摘要：以江南地区粉质粘土地层盾构施工为例，运用理论和经验公式对盾构推力进行计算和比较，对相同或相似地层条件下的盾构参数计算和选型具有一定的参考价值。关键词：盾构机；推力；粉质粘土Keywords:shieldmachine;thrust;siltyclayAbstract:ShieldonsiltyclaystratainJiangnanregion,asasampletocalculateandcomparetheshieldthrustwiththeoryandempiricalformula,haveacertainreferencevalueforshieldparametercalculationandselectiononthesameorsimilarstrata.一、概述用盾构法施工隧道是利用刀盘旋转切削土体并由千斤顶推动盾构机前进，因此刀盘和推进系统是盾构机中的关键部件，刀盘转矩和千斤顶推力的计算是盾构选型的基础，也是保证盾构顺利切削、推进的前提。盾构掘进时，影响掘进的主要因素是地层土体条件。本文以无锡地铁一号线盾构施工为背景，以德国海瑞克直径为6.39m的盾构机为例，对粉质粘土地层盾构推力进行了计算和比较。二、盾构外部荷载分析计算有关土力学参数及由地表至隧道底部的地层构造见表1表1地表至隧道底部的地层构造表土层代号及名称含水量ω(%)天然密度ρ(g/cm3)土层厚度m静止侧压力系数λ(3)3-1粉质粘土25.031.932.230.35(3)3粉土夹粉质粘土31.091.903.530.43(5)粉质粘土31.921.872.970.50(6)1-1粉质粘土、26.021.974.60.35(6)1粘土24.441.996.20.33盾构荷载分布见图1。土层的天然密度ρ：取ρ=1.97g/cm3；即19.3KN/m3土层的静侧压力系数λ：取λ=0.35；地面上置荷载P′：按设计文件说明取2t/m2，即20KN/m2。区间隧道覆土厚度为：H=12～18m盾构的外径为：D=6390mm盾构长度：L=7400mm盾构的重量：W＝484tPe1――竖直土压；Pe2――竖直抗力土压；Pg――自重反压；Pw1――竖向水压；Pw2－－竖向水压；qw1－－侧向水压；qw2－－侧向水压；qe1－－盾构顶部水平土压；qe2－－盾构底部水平土压；图1盾构荷载分布图Pe1=ρH+P′=19.3×18+20=367KN/m2；Pe2=Pe1+ρD=367+19.3×6.39=490KN/m2；Pg＝4W/(πDL)=4×4840÷(3.14×6.39×7.4)=130KN/m2；Pw1=Pw2=qw1=qw2=0；qe1=λPe1=0.35×367=128KN/m2；qe2=λPe2=0.35×490=171.5KN/m2。三、盾构推力的理论计算盾构推力由壳体外周摩擦阻力、克服面板所受的土压与水压的推力、后续设备的牵引力、管片与盾尾密封的摩擦阻力等组成。1、盾构与地层之间的摩擦阻力F1F1=0.25πDL(2Pe1+qe1+qe2)μ1+μ1W=0.25×3.14×6.39×7.4×(2×367+128+171.5)×0.2+4840×0.2=8641KNμ1——盾构外壳与粘土的摩擦系数，μ1＝0.22、刀盘正面土压力F2F2=π(D2Pd)/4Pc——刀盘中心处静止土压力Pc=λ（Pe1+ρD/2）=0.35×(367+19.3×6.39/2)=150KN/m2F2=π(D2Pc)/4＝3.14×(6.392×150)/4=4808KN3、盾尾密封与管片之间的摩阻力F3F3=1.2nπD1μc=1.2×2×3.14×6.2×10＝467KNn——盾尾内的管片环数，n＝2D1——管片外径，D1=6.2mμc——每m管片长度摩擦阻力μc＝10kN/m(经验值)4、盾构总阻力F为F1、F2、F3之和：F=F1+F2+F3=8641+4808+467=13916KN5、由于盾构在施工中经常需要纠偏、转向，并考虑盾构机后部拖车的牵引阻力及刀具切土所需推力，因此盾构的推力实际上要比计算出来的大，按照经验数据，盾构实际配备的推力为计算值的1.5～2倍，按最大值2倍计算盾构掘进所需的总推力。Fs=2×F=2×13916=27832KN。四、盾构机实际配备的推力推进系统油泵的最高工作压力可达31.5Mpa，系统共有40个活塞为φ190mm的推进油缸。因此，盾构机的理论推力为：FT＝40pπD2/4＝40×31.5×3.14×0.192/4＝35707Kn故，FTFs本盾构配备的名义总推力为35600kN，满足施工需要。五、推力的经验计算1、按照文献介绍的经验公式见图2。Fj=β·D2（kN），式中，β——经验系数，按图取500~1200D——盾构外径计算出Fj=(500~1200)×6.392=20416~48998kN2、根据经验公式Fj=Pj·4πD2（kN），式中Pj为单位开挖面积所需的推力，通常为0.7~1.0MPa。则可计算出Fj=(0.7~1.0)×1000×4π6.392=22437~32053kN工程选用的盾构机配备的名义总推力是35600kN，既大于理论计算值，又处于经验计算1值之间，且大于经验计算2的取值范围，说明盾构机推力是满足要求的，并有足够的储备。图2推力经验计算图六、结束语对同样直径的盾构机，其千斤顶推力的大小主要与地层条件有关。本文针对粉质粘土地层，运用理论计算和经验公式的方法对其进行了计算和比较。计算表明，理论计算值一般都偏小，可为盾构机受力分析和设计提供一定的参考，而工程中大多按经验公式来确定其推力。尽管参数的选定已有较大的储备，施工中仍需向开挖面注入泥浆和泡沫，以改善切削土体的塑性流动性，减轻磨损，降低机械负荷，从而可取得比较好的技术经济指标。[参考文献][1]施仲衡地下铁道设计与施工[M]西安：陕西科学技术出版社，2002[2]BernhardMaidl；Herrenknecht；LotharAnheuser；MechanisedShieldTunneling，Ernst＆Sohn，1996一公司王振国电话：[phone]，[e-mail]