盾构关键参数计算

广州地铁3号线韩熙站南至石桥站北盾构段盾构工程招标文件第七部分盾构机选型及管模板第七节关键参数的计算1.地质力学参数的选择图7-7-1计算剖面地质剖面图根据广州市轨道交通3号线详细勘察阶段韩熙至石桥盾构隧道第二标段岩土工程勘察报告，以及韩熙站南至石桥站北区间隧道左、右线工程地质纵断面图，选择地质钻孔编号为MCZ3-HG-063A、线路里程为YCK21 037.233的相关地层数据作为该标段盾构机选型关键参数设计和校核计算的依据，见地质剖面图7-7-1。该段地表标高为27.41米，隧道拱顶埋深为32.5毫米，盾构机壳体计算外径为6.25米，盾构壳体底部埋深为38.75米，地下稳定水位为2.5米，其他地质因素见表7-7-1。地质要素表7-7-1密码地层厚度s(m)自然密度(g/cm3)凝聚力(千帕)底部深度H(m)4-1粉质粘土12.01.9520.312.05Z-2硬塑残积土13.01.8826.025.06Z-2全风化混合岩块石土14.01.9130.639.0隧道基本穿过4-1、5Z-2和6Z-2地层，这些地层相对不透水。根据上述条件，检查并计算所选护罩的推力和扭矩，如下所示：2.盾构机总推力检查计算：土压平衡盾构机的总驱动推力f由盾构与地层之间的摩擦阻力F1、刀盘的前推阻力F2和盾构尾部内侧与管片之间的摩擦阻力F3组成，即按公式计算F=(F1，F2，F3)。千居里其中：Kc安全系数，2.1盾构地层间的摩擦阻力F1可以根据公式进行计算F1=p*D*L*Cc-内聚力，单位kN/m2，见表7-7-1。取C=30.6kN千牛顿/平方米l-屏蔽壳长度，9.150米D-盾构外径，D=6.25m米获取：F1=p*D*L*C=3.141596.259.1530.6=5498千牛2.2水土压力计算D盾壳直径计算，取6.25m；L屏蔽壳长度，9.15米；pe1屏蔽顶部的垂直土压力。根据全覆土柱的计算，为了检查计算的安全性，采用岩土的自然密度值进行计算。qfe1盾构机拱顶水平土压力：qfe1=pe1pe2屏蔽底部的垂直土压力。根据全覆土柱的计算，为了检查计算的安全性，采用岩土的自然密度值进行计算。qfe2屏蔽底部的水平土压力。qfe2=pe2qfw1护罩顶部的水压qfw2护罩底部的水压侧压力系数，0.37；计算qfe1 qfe2 qfw1 qfw2pe1=121 . 959 . 8+131 . 889 . 8+(32.5-12-13)1 . 919 . 8=609.2kN/m2pe2=609.2 +6.251.919.8=726.2 kN/m2qfe1=0.37609.2=225.4 kN/m2qfe2=0.37726.2=268.7 kN/m2qfW1=(32.5-2.5) 9.8=294 kN/m2qfW2=294 6.259.8=355.3 kN/m22.3盾构机前方的推进阻力F2作用在盾构外围和前部的水压力和土压力见图7-7-2。2图7-7-2盾构机应力图根据水压力和土压力的计算公式，将上述各项代入公式：F2=17539.5 kN2.4盾构尾部内侧与管片之间的摩擦阻力F3F3=c.sc管片与钢板之间的摩擦阻力为0.3s 3354的2环段的自重压入屏蔽尾部。F3=0.32(3.1416/4)(62-5.42)1 . 52 . 59 . 8=118.46千牛计算盾构机的总推力fF=(F1，F2，F3)。Kc Kc取1.8F=(5498 17539.5 118.46) 1.8=32770.7千牛2.5盾构机总推力的经验计算日本隧道标准规范盾构篇，根据大量的工程实践统计，推荐的单位面积推力值为：Fj=1000 kN/m21300 kN/m2则所选盾构机的总推力f应为F=(/4)6.252(10001300)=(30679.6939883.60)千牛2.6结论所选盾构机的推力为36000kN，大于校核计算值32770.7kN，控制在经验值范围内，表明盾构机的推力值是合理的。3.盾构机刀盘扭矩校核计算3.1。计算条件在选择t之前上部垂直土压力P0=232.5kN千牛顿/平方米盾构P2上部水平土压力P2=86.0千牛顿/平方米盾构下部水平土压力P3为129.3 kN/m2较低的垂直土压力P0=349.5kN千牛顿/平方米3.1.2摩擦系数滚刀盘与天然地基之间的摩擦系数=0.3刀面与天然地基之间的摩擦系数1=0.15滚动摩擦系数2=0.004滚刀密封装置与钢板之间的摩擦系数3=0.23.1.3滚刀盘设备扭矩TN=7340 kn-m挖掘速度V=4.0cm厘米/分钟对于刀头旋转，Nc=1.15r转/分钟刀头的外半径=3.14米刀头宽度=0.544米刀头重量G=50t(假设)刀头与工作面的接触率=72%径向滚子的半径=1.65米推力滚子的半径R2为1.7m刀具环的内径D1为2.2m刀具环的外径D2为3.4m3.1.4滚刀密封装置密封装置的推力fs=1.5 kn/m密封装置附件1 2 3 4密封装置数量ns33 31密封装置半径Rs 1.05 1.7 1.1 1.73.2滚刀盘的阻力矩T1:切割扭矩T2:枢轴轴承承受的阻力扭矩与滚刀重量成正比T3:旋转枢轴轴承对相应滚刀推力载荷的阻力矩T4:密封装置的摩擦力矩T5:滚刀盘前摩擦力矩T6:滚刀盘外缘承受的摩擦阻力扭矩T7:滚刀盘反摩擦力矩T8:滚刀驱动部分的剪切扭矩T9:滚刀轴的搅拌扭矩3.2.1切割扭矩(T1)=(1/2)P*h*Rc2H:切削深度=V/Nc，r0=Rc100T1=(1/2)500.0(4/1.15)(3.14100)2/105=857.4 kNm3.2.2旋转轮毂轴承承受的阻力矩(T2)与滚刀重量成正比T2=G*g*R1*2=509.81.650.004=3.23纳米3.2.3与滚刀推力负荷相对应的旋转轮毂轴承所承受的阻力矩(T3)T3=Wr*R2*2推力载荷“Wr”应表示如下wr=* Rc2 * Pd(/4)(d22-d12)Pw=72/1003 . 143 . 14107 . 7(/4)(3.403.40-2.202.20)324.65=4115.4千牛顿T3=4115.41.70.004=28kNm3.2.4密封装置的摩擦扭矩(T4)T4=2*3 * Fs(NS1 * Rs12 NS2 * Rs22 ns3 * Rs32 ns4 * Rs42)=20.21.50(31.051.05 31.651.6511.101.10 11.701.70)=29.4纳米3.2.5滚刀盘的前摩擦力矩(T5)T5=2/3*1*Rc3*Pd=2/372/1000 . 153 . 143 . 143 . 14107 . 7=753.8kNm3.2.6滚刀盘外缘的摩擦阻力矩(T6)T6=Rc*2*Rc*lk*PrPr:滚刀盘周围的平均地面压力Pr=(P0 P0 P2 P3)/4=(232.5 349.5 86 107.7)/4=193.9kN/m2T6=3.1423.140.5440.3193.9=1960.4 kN-m3.2.7滚刀盘的反摩擦力矩(T7)当滚刀盘旋转且型腔压力同时作用在滚刀盘背面时，计算滚刀盘背面的摩擦力矩。T7=2/3*1*Rc3*1.0*Pd=2/372/1000 . 153 . 143 . 143 . 141 . 0107 . 7=754.2kN-m3.2.8滚刀驱动位置的剪切扭矩(T8)T8=2/3*Rc3(1-)切割过程中:土层的抗剪强度(kN/m2)滚刀盘用于搅拌滚刀腔内的含水炉渣，使其与污泥混合。然后得到“改性粘土”。此时，“改性粘土”可定义如下：C=10.0 kN/m2，内摩擦角s=5.0，=Pd=C tans=10.0 107.7tan5=18.5千牛顿/平方米T8=2/318 . 53 . 143 . 143 . 14(1-72/100)=335.9 kNm3.2.9滚刀轴的混合扭矩(T9)T9=2Rcb*Bcb*lcb*Ncb=23.000.600.9018.54=239.8kNm3.3所需扭矩和设备扭矩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=4962.1纳米实际设备的扭矩应为Tn=7340kNm纳米它的安全系数是总氮/总吨=1.48因此，盾构机具有足够的扭矩此外，盾构刀盘扭矩也可根据以下常用经验公式计算：3.4扭矩是核扭矩根据日本隧道标准规范盾构篇和工程实践中的大量统计数据，推荐的扭矩控制标准为：T=.D3(千牛-米)其中-刀盘扭矩系数，土压平衡盾构机=14 23；d-计算的盾构外径为6.25米屏蔽选择扭矩的经验范围为：t=(14 23)6.253=(3417.97 5616.23)千牛米制造商提供的计算扭矩在经验值范围内。3.5结论盾构最大工作扭矩值为7340千牛顿米，计算值为4962.1千牛顿米，在经验值范围内，是计算值的1.48倍。因此，盾构机的刀盘扭矩满足该段盾构工程的施工要求。4.刀头驱动功率计算答：刀头功率P根据以下公式计算P=Tc*N/9555其中：TC-刀头驱动最大工作扭矩7340(千牛米)N刀头最大扭矩下的转速为1.15(r/min)当盾构机设计最大扭矩对应的转速为1.15转/分钟时，刀盘执行器的实际功率为：P=Tc*N/9555=1.15*/9555=883kN盾构机刀盘驱动电机功率设计值为900千瓦，满足上述计算要求。5.刀头推进功率计算可以按下盾构机的最大推进功率铂=氟伏其中f-总推力(kN)v-最大推进速度(米/秒)盾构机的设计总推力为34210千牛，最大推力速度按60毫米/分钟计算，然后电压=360006010-3/60=36千瓦盾构机推进功率设计值为50kW，满足上述计算要求。6.螺旋输送机功率计算当螺旋输送机的功率为160千瓦，最大扭矩为105千牛顿米时，其理论转速可达14.5转/分。由于输送机在22r/min时的最大排土量为270m3/h，14.5r/min时的排土量约为178m3/h，完全可以满足施工要求。7.盾构尾部内径与管片外径间隙的