盾构关键参数计算

广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-43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12.01.9520.312.05Z-2硬塑状残积土13.01.8826.025.06Z-2全风化混合岩、块石土14.01.9130.639.0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F1、刀盘正面推进阻力F2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力F3组成，即按公式F=(F1+F2+F3).Kc式中：Kc——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*CC—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广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-44取C=30.6kN/m2L—盾壳长度，9.150mD—盾体外径，D=6.25m得：F1=*D*L*C=3.141596.259.1530.6＝5498kN2.2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；pe1——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。qfe1——盾构机拱顶受的水平土压；qfe1＝λ×pe1pe2——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。qfe2——盾构底部的水平土压。qfe2＝λ×pe2qfw1——盾构顶部的水压qfw2——盾构底部的水压λ——侧压系数，取0.37；计算qfe1qfe2qfw1qfw2pe1＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8＝609.2kN/m2pe2＝609.2＋6.25×1.91×9.8＝726.2kN/m2qfe1＝0.37×609.2＝225.4kN/m2qfe2＝0.37×726.2＝268.7kN/m2qfW1＝(32.5-2.5)×9.8＝294kN/m2qfW2＝294+6.25×9.8=355.3kN/m2广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-452.3盾构机前方的推进阻力F2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：F2=17539.5kN2.4盾尾内部与管片之间的摩阻力F3F3=μc.ωsμc——管片与钢板之间的摩擦阻力，取0.3ωs——压在盾尾内的2环管片的自重F3=0.3×2×(3.1416/4)(62－5.42)×1.5×2.5×9.8=118.46kN计算盾构机的总推力FF=(F1+F2+F3).KcKc取1.8F=(5498+17539.5+118.46)×1.8=32770.7kN2.5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：Fj=1000kN/m2～1300kN/m2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44221122weweqfqfqfqfDF2广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-46F=(π/4)×6.252(1000～1300)=(30679.69～39883.60)kN2.6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=500kN/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/m23.1.2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=0.23.1.3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)广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-47刀盘与工作面的接触率ξ=72%径向滚柱的半径R1=1.65m推力滚柱的半径R2=1.7m刀环的内直径d1=2.2m刀环的外直径d2=3.4m3.1.4滚刀密封装置密封装置的推力Fs=1.5kN/m密封装置的附件No.1234密封装置的数量ns3311密封装置的半径Rs1.051.71.11.73.2滚刀盘的阻力扭矩T1:切削扭矩T2:旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩T3:旋转枢纽轴承所承受的、以对应滚刀推力负荷的阻力扭矩T4:密封装置的摩擦扭矩T5:滚刀盘的正面摩擦扭矩T6:滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩T7:滚刀盘的背面摩擦扭矩T8:滚刀驱动部位的剪切扭矩T9:滚刀轴的搅拌扭矩3.2.1切削扭矩（T1）=(1/2)P*h*Rc2h:切削深度=V/Nc、r0=Rc×100T1=(1/2)×500.0×(4/1.15)×(3.14×100)2/105=857.4kNm3.2.2旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩(T2)T2=G*ｇ*R1*μ2=50×9.8×1.65×0.004=3.23kNm广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-483.2.3旋转枢纽轴承所承受的、以对应滚刀推力负荷的阻力扭矩(T3)T3=Wr*R2*μ2推力负荷“Wr”应该如下表示Wr=ξ*π*Rc2*Pd+（π/4）(d22-d12)Pw=72/100×π×3.14×3.14×107.7+(π/4)(3.40×3.40-2.20×2.20)×324.65=4115.4kNT3=4115.4×1.7×0.004=28kNm3.2.4密封装置的摩擦扭矩(T4)T4=2π*μ3*Fs(ns1*Rs12+ns2*Rs22+ns3*Rs32+ns4*Rs42)=2π×0.2×1.50×(3×1.05×1.05+3×1.65×1.65+1×1.10×1.10+1×1.70×1.70)=29.4kNm3.2.5滚刀盘的正面摩擦扭矩(T5)T5=2/3*ξ*π*μ1*Rc3*Pd=2/3×72/100×π×0.15×3.14×3.14×3.14×107.7=753.8kNm3.2.6滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩(T6)T6=Rc*2π*Rc*lk*μ*PrPr:滚刀盘周围的平均地压Pr=(P0+P0'+P2+P3)/4=(232.5+349.5+86+107.7)/4=193.9kN/m2T6=3.14×2π×3.14×0.544×0.3×193.9=1960.4kN-m3.2.7滚刀盘的背面摩擦扭矩(T7)当滚刀盘旋转、而腔地压同时作用于滚刀盘的背面时，进行滚刀盘的背面摩擦扭矩的计算。T7=2/3*ξ*π*μ1*Rc3*1.0*Pd=2/3×72/100×π×0.15×3.14×3.14×3.14×1.0×107.7广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-49=754.2kN-m3.2.8滚刀驱动部位的剪切扭矩(T8)T8=2/3*π*τ*Rc3(1-ξ)τ:土层切削时的剪切阻力（kN/m2）利用滚刀盘在滚刀腔搅拌含水的出碴，使之和淤泥混合起来。然后就获得了“改性粘土”此时，“改性粘土”可以大致如下进行规定为：C=10.0kN/m2、内摩擦角φs=5.0°,σ=Pdτ=C+σtanφs=10.0+107.7×tan5°=18.5kN/m2T8=2/3×π×18.5×3.14×3.14×3.14×(1-72/100)=335.9kNm3.2.9滚刀轴的搅拌扭矩(T9)T9=2Rcb*Bcb*lcb*τ*Ncb=2×3.00×0.60×0.90×18.5×4=239.8kNm3.3需要的扭矩（T）和装备的扭矩T=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9=857.4+3.23+28+29.4+753.8+1960.4+754.2+335.9+239.8=4962.1kNm实际装备的扭矩应该是Tn=7340kNm而且其安全系数是Tn/T=1.48因此，盾构机具备足够的扭矩另外，盾构刀盘扭矩也可按如下常用的经验公式计算求得：3.4扭矩较核按《日本隧道标准规范盾构篇》，根据大量工程实践的统计资料，推荐扭矩的控制标准为：广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-50T=α.D3(kN－m)式中α—刀盘扭矩系数，土压平衡盾构机α=14～23；D—盾构计算外径6.25m。选用盾构的扭矩的经验值范围是：T=(14～23)×6.253=(3417.97～5616.23)KN.m制造商提供的计算扭矩在经验值范围内。3.5结论选用盾构的最大工作扭矩值为7340KN.m计算值4962.1kN.m，处于经验值范围且是计算值的1.48倍。故该盾构机刀盘扭矩满足该段盾构工程的施工需要。4.刀盘驱动功率验算a：刀盘功率P按下式计算P=Tc*N/9555式中：TC—刀盘驱动最大工作扭矩7340（kN•m）N—刀盘最大扭矩时的转速1.15（r/min）与该盾构机设计的最大扭矩相对应的转速为1.15r/min，则刀盘执行机构实际功率为：P=Tc*N/9555=1.15*7340000/9555=883kN该盾构机的刀盘驱动电机功率设计取值为900kW，满足上述计算要求。5.刀盘推进功率验算盾构机最大推进功率（PT）可按PT=F•V式中F—总推力（kN）V—最大推进速度（m/s）盾构机的设计总推力为34210kN，最大推进速度按60mm/min计，则PT=F•V=36000×60×10-3/60=36kW盾构机推进功率的设计取值为50kW,满足上述计算要求。6.螺旋输送机功率验算螺旋输送机功率为160kW情况下，最大扭矩105kN.m工况下，其理论转速可达14.5r/min，因输送机在22r/min时的最大排土量，为270m3/h，则在14.5r/min的排土广州地铁三号线【汉溪站南～市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件第七篇盾构机选型及管模中铁十四局集团有限公司7-51量约178m3/h，完全可以满足施工要求。7.盾尾内径与管片外径间隙验算(按300m曲线半径)曲线开挖时要求的盾尾间隙计算如下：a：设计参数盾尾