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 Key words shield machine thrust silty clay Abstract Shield on silty clay strata in Jiangnan region as a sample to calculate and compare the shield thrust with theory and empirical formula have a certain reference value for shield parameter calculation and selection on the same or similar strata 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 天然密度 g cm3 土层厚 度 m 静止侧压力系数 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 取 1 97g cm3 即 19 3KN m3 土层的静侧压力系数 取 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 484t Pe1 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 图 1 盾构荷载分布图 qe1 盾构顶部水平土压 qe2 盾构底部水平土压 Pe1 H P 19 3 18 20 367KN m2 Pe2 Pe1 D 367 19 3 6 39 490KN m2 Pg 4W DL 4 4840 3 14 6 39 7 4 130KN m2 Pw1 Pw2 qw1 qw2 0 qe1 Pe1 0 35 367 128KN m2 qe2 Pe2 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 F1 F1 0 25 DL 2Pe1 qe1 qe2 1 1W 0 25 3 14 6 39 7 4 2 367 128 171 5 0 2 4840 0 2 8641KN 1 盾构外壳与粘土的摩擦系数 1 0 2 2 刀盘正面土压力 F2 F2 D2Pd 4 Pc 刀盘中心处静止土压力 Pc Pe1 D 2 0 35 367 19 3 6 39 2 150KN m2 F2 D2Pc 4 3 14 6 392 150 4 4808KN 3 盾尾密封与管片之间的摩阻力 F3 F3 1 2n D1 c 1 2 2 3 14 6 2 10 467KN n 盾尾内的管片环数 n 2 D1 管片外径 D1 6 2m c 每 m 管片长度摩擦阻力 c 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 13916KN 5 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 190mm 的推进油缸 因此 盾构机的理论推力为 FT 40p D2 4 40 31 5 3 14 0 192 4 35707 Kn 故 FT Fs 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 D2 kN 式中 经验系数 按图取 500 1200 D 盾构外径 计算出 Fj 500 1200 6 392 20416 48998 kN 2 根据经验公式 Fj Pj D2 kN 4 式中 Pj为单位开挖面积所需的推力 通常为 0 7 1 0 MP a 则可计算出 Fj 0 7 1 0 1000 6 392 22437 32053kN 4 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