盾构机受力计算及始发结构设计

1、盾构机受力计算及始发结构设计【内容提要】本文重点从分析盾构机在始发阶段的受力入手，设计盾构机的始发设施（始发托架、反力架）及其固定，提出对盾构机掘进参数的控制要求。【关 键 词】隧道、盾构、始发、始发托架、反力架、/一前言随着技术进步、综合国力的增强，盾构法越来越多地被国内地铁界所接 受，上海、广州、南京、北京、深圳、天津、西安、成都、沈阳、杭州、 青岛等城市都使用这种方法。上海地铁是国内最早采用盾构施工的，且 大部分工程都是利用盾构完成的。虽然盾构有许多成功的工程实例，但 是使用这种方法也有较大的风险。而且使用盾构，在对洞口进行加固处 理的始发阶段出问题的概率很高，即使是非常有经验的承包商也

2、常会发 生类似事故。本文从盾构机在始发阶段的受力入手，设计盾构机的始发设施（始发托 架、反力架）及其固定，提出对盾构机掘进参数的控制要求。1 工程地质情况简介成都地铁 1 号线一期工程盾构施工 2 标，人民北路站至天府广场站盾构 区间，第一台盾构机从始发井（右线）南端向南始发掘进，到达天府广 场站调头至左线，再从左线向北始发，到达骡马市站后盾构机过站，到 达文武路站后盾构机转场，到人民北路站吊出完成左线盾构掘进；第二 台盾构机从始发井（右线）北端始发到达骡马市站过站，到文武路站转 场，到人民北路站吊出完成右线盾构掘进，见图 1 线路平面示意图。整 个盾构区间左、右线盾构吊装与拆除 4次、调头

3、1次、过站2次、转场2 次。成都地铁人 -天区间两台盾构机在右线始发井各有一次盾构始发起点， 总共7次始发，根据每次各100m的始发掘进地段的地质条件和线路平、 纵断面设计，分析盾构机的掘进受力，对于正确设计、固定盾构机的始 发设施，合理提出始发阶段盾构机掘进参数的控制是十分必要的。“甲宅- 6叶一一 _ _ _IWIVWJI1UH.图1线路平面示意图2盾构机始发阶段的受力盾构机始发前的受力始发前盾构机处于+%变坡点附近，整个盾体支承在始发托架上，盾构主 机仅有重力G约3200kN作用在始发托架上，重心距刀盘面约 2.7m,刀 盘悬臂置于托架前端，托架前端离始发掘进面（围护结构外侧面）约1.8

4、m。 始发井盾构始发设计负7环始发，负7环端面靠紧反力架的反力环面， 负7环另一端成为30个推力油缸的支撑面，提供掘进支撑反力，盾构机 始发前受到始发托架两个导轨的支撑反力。盾构机的总推力计算根据隧道工程条件，盾构主要参数计算按盾构在最大土压和水压位置进 行计算。本标段选择的计算断面位置为 Y CK6+20C处。根据招标文件和地 质堪察报告按盾顶埋深20 m,地下水位埋深按2m,盾构穿越地层按 卵石土地层进行核定。2.2.1 计算参数 管片内径：5400mm管片外径：6000mm管片厚度： 300mm管片宽度： 1500mm覆土厚度： 20m水头压力： 180kPa土容重：丫= 23kN/m3

5、土的侧压力系数：盾构机重量： 320t盾构机盾壳长度： 8.16m管片外径： g=6000mm盾构尾部的外径为：6230mm盾构刀盘直径为：D 0= 6250mm钢与土的摩擦系数皿=车轮与钢轨之间的摩擦系数卩2 每一滚刀的容许负荷 pr= 250kN 后配套系统 G1=200t最大推力 F： 34210kN额定扭矩： 4300 kNm脱困扭矩： 5200 kNm 2.2.2 盾构荷载计算松动圈土压，见图2荷载计算简图按覆土厚度H0=20m计算 Pei二(丫 -10) H0= (23-10) *20=260kPa Pe2=Fei-60=200 kPa qe1pe1 *162* 0.2 32.4k

6、Pa qe2 (10)* (20 6.25)*13* 26.25* 0.268.25kPapg G/D0*L 320*10/(6.25*8.16)62.75kPa g qfe1 qe1 qfe2 q e2 qfw1 180kpa qfw2 242kpa水压垂直土压水 水 压 平 土 压水 水 平 压 土 压1 T1垂直抵抗土压瓦i自重抵抗土压i水压j图2荷载计算简图2.2.3盾构机总推力计算盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构无法向前推进包括盾构外围与土的摩擦力、盾构推进阻力（正面阻力）、由滚刀挤压 破岩力、管片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力223.1盾构外壳与土的摩擦力P

7、el q el Pe2 qe2Fii ( DoLpw w) i( DoLw)4260 32.4 200 68.25、=0.3(3.14* 6.25* 8.163200)=7693.7kN2.2.3.2盾构推进阻力(正面阻力)F22D0 * qfe1 qfw1qfe2qfw2423.14*39.0625* 32.4 18068.252428013.3kN2.2.3.3由滚刀挤压产生的阻力F3pr * n 250* 35 8750kNn-滚刀数量按正面有35把计算2.2.3.4管片与盾尾的密封阻力F4Me Ws 0.3 2 3.1416 4 (6 6-5.4 5.4) 1.5 2.5 9.8 11

8、8.5kNMe-管件与钢板刷之间的摩擦阻力，取Ws-压在盾尾内部2环管片的自重 2.2.3.5后方台车的牵引阻力F5= 2*G10.15* 2000300kN所需最大推力Fmax F1 F2 F3 F4 F57693.78013.3 8750118.5 30024875.5kN安全系数=F / Fmax 34210/24875.5 1.37结论：根据分项计算推力的安全系数达到，可以满足掘进的需要;始发时每一个滚刀挤压产生的负荷按 150kN 计算，则 F3=150*35=5250kN，盾构机在始发井的反力架的承载能力应大于F2+F3+F4+F5=+5250+300=kN,反力架按承载15000

9、 kN设计。3 始发托架的设计始发托架的用途及受力3.1.1 始发托架的用途始发托架用于组装盾构机主体和支撑组装好的盾构机主体,并且可使盾构机处于理想的预定进发位置（高度、方向）上,确保盾构机始发时掘进稳定,同时始发托架还可以用于盾构机到达吊出井时的接收托架和过 站时的横移、纵移托架。3.1.2 始发托架的受力始发托架受到盾构机的重力、掘进扭矩和管片固定及管片重力。 始发托架设计及固定3.2.1 始发托架高度的确定盾构中心线与轨面线的距离为1860m m,轨面线与始发井底板的距离为1590mm，故盾构中心线与始发井底板的距离为 1860+1590=3450mm,预留 20mm 找平高度,设计盾

10、构中心线与始发托架底面的距离（含以后调头、过站时在托架底部焊接 20 mm 厚的钢板）为 3450-20-=3430mm。3.2.2始发托架长度的确定设计零环管片进入盾构隧道洞门 600mm（在400-800mm范围内），反力架 的反力环端面距零环管片进入隧道洞门端面的距离为1500 X 7+（1500-600）=11400mm这中间安装了 7环负环管片。 始发托架的长度二反力环端面距零环管片进入隧道洞门端面的距离（11400mm）-洞门前排水沟的宽度（1000mm）-托架距反力环端面的距离（200mm）=10200mm。323始发托架导轨的确定盾体支撑采用43kg/m重轨，重轨截面中心线过盾

11、体中心，并且垂直于轨 面，轨面距盾体中心R3125即前盾外径尺寸6250的一半），中盾安装时用铝 板或铜板垫平，垫平厚度为3125-6240+ 2=5mm;后盾安装时也用铝板或 铜板垫平，垫平厚度为3125-6230- 2=10mm。3.2.4两重轨之间夹角的确定设盾构机重量为G，重轨给盾体的支撑力为N1,N2,截面受力分析如下，设两重轨界面中心线过圆心的夹角为？G= N1 Cos?2+ N2 Cos?/2=2 N1 Cos?2N1 Sin ?/2= N2 Si n?/2故N1 =G/ 2 Cos?2为了使N1小，Cos?/2就取大，？角就越小越好。选？角为 50。G= 320t,于是 N1

12、=320/ 2 CoS25 =177t如图3盾构机静载受力所示：图3盾构机静载受力图3.2.5始发托架结构的确定 盾体（前盾）外径距始发托架底面的距离为 3430-3125=305mm,故始发托架 底部支撑采用热轧H型钢（GB/T 11263-1998 H 250X 250材料。两侧的 重轨支撑采用3个30mm厚钢板与H 250X 250型钢一起焊接的方式。3 个30mm厚钢板焊接成的工字形支架横向焊两个 30mm厚的加强筋板 筋 板纵向间隔890mm（即H 250X 250型钢的中心线上）;纵向焊两个20mm厚 钢板形成箱形结构。重轨焊接到连接板的表面 ,连接板通过高强度螺栓与 工字形支架连

13、接，在重轨纵向的方向上每隔500mm焊两个20mm的三角 形加强筋板。管片支撑架采用H型钢150X 150材料，焊成三角形与底部 支撑（ H250X 250）一起与盾体底部支架通过两个 30mm 厚的法兰板用 M24 的高强度螺栓相连。 管片支撑架的支撑面与管片之间有 200mm 的距 离，中间通过木楔子撑紧。始发托架主体分为 10个部分， 纵向从中间一分为二， 由两个 30mm 厚的 钢板用高强度螺旋连接。横向分为 5个部分，中间由两个30mm的法兰 板用高强度螺栓相连。等主体连接好后，将重轨及连接板与主体栓接。 管片支架安装时，先把支撑三角架分别与底座端头用两个 30mm 厚钢板 相连，然

14、后把管片垫板用高强度螺栓连到支撑三角架上。 始发架底架 H250 X250 型钢之间，中间连接板两侧用 14a 槽钢焊接加强，用两个 14a 槽 钢斜撑焊接在重轨支架底部与中间槽钢下方， 斜撑纵向夹角 55。 盾体 组装时用千斤顶顶推来实现，盾体总重按 320t 设计，重轨表面涂抹黄油 润滑，有润滑钢对钢的摩擦系数为，所需要的推力320X =32t。利用两台 85t 千斤顶可实现盾体平移组装。千斤顶挡板采用 30mm 厚钢板焊接成 L 型，后面加一支撑的方式。千斤顶挡板支架采用H型钢250X 250材料， 与底部支撑 H 型钢栓接在一起。 千斤挡板与挡板支架间用 M24 高强度螺 栓固定。3.

15、2.6 洞口始发导轨的安装在围护结构破除后，盾构始发架端部距离洞口围岩必然会产生一定的空隙，为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构“叩头”现象，需要在始发洞内安设洞口始发导轨。安设始发导轨时应在导轨的末端预留足够的空间，以保证盾构在始发时，不致因安设始发导轨而影响刀盘 旋转。3.2.7 重轨支撑强度校核支撑架的工字型支架按H250X 250型钢简化成简支梁计算因为每个重轨承受盾体的力为 177t。所以支撑架中的承重加上重轨及其他部件的总量约为200t。支撑架长度以 10m 来计算每米支承架的承受力 P=200t/10=20t=200kN(1t=10kN)受力见图 4 支撑架的剪力图弯矩图

16、：支反力 RA=RB=P/2=200kN/2=100kN最大变距在距两端 500m 处。Mmax=R x =100x =惯性矩 | z=f Ay2dA =1/3 x A x y3=1/3 xx =60013cm4最大弯应力c max = Mmax y/ I z=x 1.25m/60013 x 10-8 m4 =50 xx1.25m/60013x 10-8 m4=104MPa v c 故满足要求+图4支撑架的剪力和弯矩图328根据以上分析设计的始发托架见图 5始发托架主视图和图6始发托架俯视图1钢轨焊接板89LK 1U=89UL（13）底架（4）管片支架底撑E*钢轨焊接板连接螺栓41-M2&10

17、0技术说明：1、本图长度单位为毫米，重量单位为千克。2、图中所有孔的直径均为 26,用M2的高強度螺栓（性能 等级为&8S）连接，所有连接板间的螺栓孔配钻。3始发托架整体在横向上一分为二，在纵向上分为五块，共 计分为十个部分，这十个部分用螺栓连接。将钢轨及筋板焊接 到钢轨连接板上，将钢轨连接板、千斤支撑架和管片水平支撑 架用螺栓连接到相应位置。4、图中焊接处均按现行国家（GB324-88进行。2500-0 1-25高強度螺栓螺母556M24 1UU-O.OSGB/T1228-19912400-01-24Q235B-2Uuu.4800.82300-01-23钢轨两侧筋板Q235B-2U52GB/

18、T7UU-198820UU-UI-2U丿底架斜支撑214a槽钢448GB/T/U/-I9OO19UU-U1-19丿底架斜支撑1214a槽钢Q35GB/T/U/-19OO1800-01-1817UU-U1-17管片底撑连接板16UU-U1-16千斤支撑架2HW253 25U738.51477单件长1U2UU15UU-U1-15243kg重轨455.5911单件长1U2UU14UU-U1-14Q235B-3U963附图13UU-U1-13HW2511S1 25U135351UGB/T11263-199812UU-U1-12钢轨支撑架3Q235B-2U7 81.9GB/TZUU-19OO10UU-U

19、1-1U钢轨支撑架110Q235B-3U14U/.4GB/T7UU-19889UU-U1-U9钢轨支架加加强板428Q235B-2U77 5gB/T/UU-19888UU-U1-U8钢轨支架加强板328Q235B-2U98U.2GB/T7UU-19887UU-U1-U7軌支架加板259153GB/T7UU-19886UU-U1-U6钢轨支架加加强板126Q235B-3U5.6145.6GB/T7UU-19885UU-U1-U5连接板22Q235B-142.35U.62UUX1U4X144uu-u1-u4管片支架底撑24HW250125U/3.11/54.4GB/T11263-19983UU-U

20、1-U3管片支架竖撑HW150115U42.41U1/.6GB/T11263-19982UU-U1-U2管片支架斜撑24HW1JU15U58.11394.4gB/T11263-19981UU-U1-U1管片水平支撑2HW15U15U3z5.465u.8单件长1U2UU序号代号名称数量材料备注重量（kg）始发架主视图中铁十三局成 都地铁项目部标记处数分区更改文件号始发架设计标准化重量比例12U9411:1SFJ00-01审核工艺批准共4张 第1张图5始发托架主视图图6始发托架俯视图329始发托架的固定始发托架的水平位置固定原则：在设计隧道转弯半径较大时，始发托架的中心在设计隧道中心线盾构机 始发

21、点的切线反向延长线上；在设计隧道转弯半径较小时，始发托架的 中心在盾构机始发点和前八米的设计隧道中心线两点的反向延长线上。 始发托架的中心要与隧道纵曲线平行。始发托架支撑盾构机的两纵梁（导轨），托架底部需要与始发井底面的 预埋钢板焊接在一起。防止盾构机始发时托架的移动。4反力架的设计反力架的用途反力架是用来提供盾构机始发时的反力的。横梁校核反力架的主体结构是采用 30mm 厚的钢板焊接成 H 型钢，截面尺寸为 1000 X 300，四根承压梁之间用高强度螺栓连接，反力架总推力按1500t(15000kN)设计，每根梁承受压力为375t，以上部横梁简化成简支梁 计算：因为横梁每隔1000mm间距

22、焊两个30mm厚钢板增加强度，取中间一段， 承受均布载荷P=375t计算，求出反支力Ra二FB=1/2P=375t/2=1875kN 最大弯矩 Mmax=1875X =横梁截面面积 A=300X 30X 2+30X (1000-60) =46200mm2 =462cm2惯性矩 | z= / Ay2dA =498000cnf最大弯应力c max = MmaxX y/ I z=X 103 X 0.5m /498000X 10-8 m4=94X 106 N/m2=94MPa v c 故满足要求反力架结构的确定反力架竖梁下方部位用 M24 的高强度螺栓通过法兰盘连接，横梁竖梁斜 梁之间通过M24螺栓连

23、接。反力架竖梁底部钢板与始发底面预埋钢板焊 接,并在底部钢板后面焊上 20mm 厚的钢板(或三角形立筋) 消除剪切力。同时也降低反力架提供反力时上窜的力。基准环采用两个 30mm 厚的环 型面板 ,面板之间焊接两个环型立板 ,在两立板之间的圆周上每隔 18均 匀焊接 30mm 厚的筋板。基准环从中间一分为二 ,分别焊接到两个 20mm 厚的钢板上，焊接板通过 M24 的高强度螺栓连接到反力架上 ,反力环与反 力架的中间部位通过八个 30mm 厚的钢板用螺栓压紧。反力环内圈设有 K 孔，用于管片纵向螺栓经过 ,管片的螺栓连接数量为 10 个，通过反力环上 的K孔(200X 180)连接到钢环板上

24、，10个螺栓孔均布在反力环面板直径 为0 =5640mm的圆上。反力架的安装及固定 反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以 及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定。在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架的安装。安装时反力架 与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强 度。由于反力架和始发托架为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿 态，在安装反力架和始发托架时，反力架左右偏差控制在 10mm 之内， 高程偏差控制在 5mm 之内，上下偏差控制在 10mm 之内。始发托架 水平轴线的垂直方向与反力架的夹角V士 2%。，盾构姿态与设计轴线竖直 趋势偏差V 2%。，水平趋势偏差V 士 3%。反力架竖梁后面留有 48 个螺栓孔 ,用于支撑连接。 支撑采用钢管材料， 钢管外径600mm，壁厚14m