盾构机计算书Word版

1、6340mm隧道掘进机型号TM634 PMX设 计 计 算 书0 / 38目录 页数1、 计算条件.31.1工程条件.31.2地质条件. 31.3计算模型. 41.4盾构机规格.52、 盾构机刀盘所需扭矩计算.52.1 计算条件.52.2 各参数的计算.62.3 所需扭矩计算.73、 盾构机掘进时所需推力计算.83.1 计算条件.83.2 各参数的计算.93.3 推力计算.104、 盾构机壳体强度计算.114.1 计算条件.114.2 各参数的计算.114.3 土荷载计算.124.4 盾构机壳体水平方向变位量的计算.134.5 载荷的计算.134.6 弯曲扭矩M及轴力N的计算结果.144.7

2、盾构机壳体应力的计算结果.155、 切削刀具寿命的计算.215.1 地质概况.215.2 地质计算模型化.215.3 主切削刀计算.215.3.1 磨损高度与运转距离的关系.215.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数.225.3.3刀具磨损计算公式.235.3.4刀具磨损计算结果.246、 三排园柱滚子轴承计算25 6.1 盾构机规格.25 6.2 载荷计算.266.2.1土载荷的计算.266.2.2 作用与三排园柱滚柱轴承上的载荷的计算266.3、三排园柱滚柱轴承寿命计算：.276.3.1三排园柱滚柱轴承规格.276.3.2 三排园柱滚柱轴承寿命计算.27 1、计算条件 ： 1.1、工程条件：

3、(1) 隧道长度 m(2) 隧道最小转弯半径 250m (3) 盾构机开挖直径 6340mm(4) 管片外径 6200mm(5) 管片内径 5500mm(6) 管片宽度 1200mm(7) 管片厚度 350mm (8) 分块数 5+1块(9) 管片重量 4.5t / 块(10) 隧道坡度 1.2、地质条件： (1) 土质 淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、细砂(2) 隧道覆土厚度 530 m(3) 地下水位GL- 0.5 m(4) 间隙水压 MPa(5) 透水系数   cm/sec(6) 标准贯入值（N值） (7) 内摩擦角 deg (8) 粘着力 kN/cm2 (9) 含

4、水率（W%） (10) 地面负荷 6 tf/m2(11) 地层反力系数 kN/m21.3、计算模型说明：由于整个计算全部采用在埋深30m，承受最大水压力，因此计算偏与安全。30m0.5m土体盾构机p=58.8kN/m2 水位 图 1-1根据小松公司的长期经验，切削刀的切削抵抗系数在粘土·淤泥质粘土土层（水土不分离）中最大（见表1-1切削阻力系数）。因此采用最恶劣的粘土·淤泥质粘土土层（水土不分离）以及隧道上方的土体松弛高度以全覆土来计算盾构机各主要参数。表1-1切削阻力系数地质es（切削阻力系数）松弛干燥砂0.0080.01松弛湿润砂0.010.02密实湿润砂0.020.0

5、4粘土0.4012 1.4、盾构机规格盾构机主要参数如表1-2所示（详细的规格见盾构机技术规格书）。表1-2 盾构机主要参数盾构机外径6340mm盾构机长度8680mm刀盘扭矩5151KNm 525tfm (100%)6181KNm 630tfm (120%)盾构机总推力37730KN 3850tf盾尾钢板厚度40mm盾尾钢板材质Q3452、盾构机刀盘所需扭矩的计算： 2.1 计算条件 * * *水、土不分离计算* * *（1） 土质 粘土、淤泥质粘土（2） 覆土 H 30 m（3） 水头 Hw 0m （）（4） 土的单位体积质量 水位上部 W0 1.9t/m3（5） 土的单位体积质量 水位下

6、部 W1 1.9t/m3（6） 水的单位体积质量 W2 0t/m3 （）（7） 标准贯入试验值 N 0 （8） 内摩擦角 0 deg（9） 地面载荷 S 6t/m2（10）侧方土压系数 K1 0.7（11）松弛土的粘着力 c 4,905 KN/ m2（12）盾构机外径 d 6.34 m（13）盾构机半径 r 3.17 m（14）壳体长 L 8.680 m（15）盾构机质量 G 275t（16）掘削断面积 A 31.57 m2（17）刀盘开口率 40%（18）刀盘半径 rc 3.15 m（19）刀盘厚 l 0.4 m（20）切削阻力系数（见表1-1） es 1.2（21）切削刀刃宽度 B0 12

7、 cm（22）切深 t 2.3 cm（23）切削刀刃的前角 0.262 rad（24）主刀具数量 （安装总数的一半） nt 39个（25）主刀具平均安装半径（ d/4） Rk 1.585 m（26）刀盘支撑梁数 na 6 个（27）刀盘支撑梁平均安装半径 Ra 1.56 m（28）刀盘支撑梁外径 da 0.46 m（29）刀盘支撑梁长度 la 0.712m（）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。2.2 各参数的计算1）松弛高度计算 考虑地面负载时的覆土 H1 = H + S/W0 33.2 m 松弛高度 H2 因为是用全覆土计算，所以松弛高度为： H2 = H1 33.2 m 松弛宽度 B

8、B = r×cos(45-/2)+r1+sin(45-/2)×tan(45-/2) 7.7 m2）土压计算作用在壳体上的土压为上部土压P1、侧压P2及下部土压P3的平均值。 上部土压P1P1 = H2×W1 617819 Pa 63.tf/m2 侧压 P2P2 = K1×（H2+r）×W1 507663.3 Pa 51.8tf/m2 下部土压 P3P3 = P1+G/（d×L） 662565 Pa 67.6tf/m2 平均土压 PP = （P1+2×P2+P3）/4 573927.6 Pa 58.5tf/m2 2.3 所需扭

9、矩计算盾构机刀盘扭矩是由刀具的切削阻力矩、面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩、搅拌翼的阻力矩等组成。1）刀具的切削阻力矩 T1地质es（切削阻力系数）松弛干燥砂0.0080.01松弛湿润砂0.010.02密实湿润砂0.020.04粘土0.4012 一个切削刀刃所需的阻力矩H根据村山·田经验公式计算 H = 2.1×es·B0·t2×10（-0。22·） 1374 N 140kgf T1 = nt×H×Rk 84.949 kN-m 8.66tf-m2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩 T2 T2 = 4×

10、5;c×（1-）×rc3/6 1953 kN-m 199tf-m3）刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩 T3 T3 = ×c×l×rc2 1432 kN-m 146tf m4）搅拌翼的阻力矩 T4 T4 = 2×na×da×la×ra×c 301 kN-m 30.66tf-m5）所需扭矩 T T = T1+T2+T3+T4 3771 kN-m 384.32 tf-m6）装备扭矩余量 S 装备扭矩T0时 （100%时） 5151 kN-m 525tf-m 安全率 S= T0/T 1.36倍装备扭矩T

11、1 时 （120%时） 6181 kN-m 630tf-m 安全率 S= T0/T 1.64倍 由计算可知，本盾构机在100%扭矩时(=525 tf-m)是理论计算的1.36倍，有充足的余量，特别是在120%扭矩时（=630 tf-m）是理论计算的1.64倍，本盾构机配置了充分的扭矩。足以保证工程的需要。3、盾构机所需推力的计算： 3.1计算条件 * * *水、土不分离计算* * *（1） 土质 粘土、淤泥质粘土 （2） 覆土 H 30m（3） 水头 Hw 0m （）（4） 土的单位体积质量 水位上部 W0 1.9t/m3（5） 土的单位体积质量 水位下部 W1 1.9t/m3（6） 水的单位

12、体积质量 W2 0t/m3 （）（7） 标准贯入试验值 N 0 （8） 内摩擦角 0 deg（9） 地面载荷 S 6t/m2（10）土压系数 K1 0.7（11）松弛土的粘着力 c 4,905 KN/ m2（12）盾构机外径 d 6.34 m（13）盾构机半径 r 3.17 m（14）壳体长 L 8.68 m（15）盾构机质量 G 275 t（16）掘削断面积 A 31.57 m2（17）后续设备的质量 GB 88t（18）牵引系数 0.5（19）管片外径 Ds 6.2 m（20）管片与盾尾密封的摩擦阻力 s 0.3（21）盾尾密封数 n 3 道（22）盾尾密封挤压力 PT 0.00314 M

13、N/m（）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。3.2 各参数的计算（1）松弛高度计算 ·考虑地面负载时的覆土 H1 = H + S/W0 33.2 m ·松弛高度 H2 因为是用全覆土计算，所以松弛高度为： H2 = H1 33.2 m （松弛宽度 B） B = r×cos(45-/2)+r1+sin(45-/2)×tan(45-/2) = 7.7 m(2) 土压计算作用在壳体上的土压为上部土压P1、侧压P2及下部土压P3的平均值。 上部土压P1P1 = H2×W1 617819 Pa 63.tf/m2 侧压 P2P2 = K1×（

14、H2+r）×W1 507663.3 Pa 51.8tf/m2 下部土压 P3P3 = P1+G/（d×L） 662565 Pa 67.6tf/m2 平均土压 PP = （P1+2×P2+P3）/4 573927.6 Pa 58.5tf/m2 3.3 推力计算 盾构机推力由壳体外周摩擦阻力、胸板所受的土压与水压、后续设备的牵 引力、管片与盾尾密封的摩擦阻力等组成。1）克服壳体外周摩擦阻力的推力 F1 F1 = ×d×L×c 8480 kN 865.3 tf 2）克服胸板所受的土压与水压的推力 F2 F2 = A×P2 1602

15、7kN 1634tf 3）克服后续设备的牵引力的推力 F3 F3 = GB× 614.6 kN 62.7tf 4）克服管片与盾尾密封摩擦阻力的推力 F4F4 = ×Ds×s×n×PT 55 kN 6tf5）推进时所需推力 F = F1+F2+F3+F4+ 25177 kN 2569tf6）装备推力安全率 虽然对曲线施工和方向控制来说盾构机推进油缸数量多比较好，但受空间的限制，所以尺寸及数量受到制约。 装备推力 F0= 1715×22 37730 kN 3850tf 安全率 F0/F 1.5倍由计算可知，本盾构机配置了充分的推力。注：本

16、计算从安全考虑，土压计算时的松弛高度采用全覆土计算，而实际上松弛高度要比全覆土小，所以上述装备推力十分充分。并且，本盾构机的装备推力为所需理论推力的1.5倍，对应曲线施工也具有充分的余量。4、 盾构机壳体强度计算4.1 计算条件 全覆土 （水、土不分离计算）(1) 复土深度 H=30m(2) 地下水位 Hw=0.50m (3) 土的质量 （水上部分） =19 kN/m3(4) 土的质量 （水下部分） =19 kN/m3(5) 水的质量 w=0 kN/m3 (6) 土的内部摩擦角 Q=0度(7) 地盘反力系数 K=15,000 kN/m2(8) 盾构机外径 D=6.34m(9) 盾构机半径 R=

17、3.17m (10) 盾构机长度 L=8.68m (11) 盾构机自重 G=2695tkN(12) 盾构机壳体板厚 T=4.0cm(13) 路面负荷 S=58.5 kN/m24.2 各参数的计算(1) 土压系数 0.850土压系数，在本工程软土层地质清楚的场合，取0.850。如果地质情况不够清楚时，使用上式计算。(2) 盾构机单位面积质量G1 15.588 kN/m2(3) 壳体断面惯性矩(每100cm) I 533cm4(4) 壳体断面抗弯模数(每100cm) Z 267 cm3(5) 壳体断面积(每100cm) AA=100×T 400 cm2(6) 松弛土宽度B1 因采用全覆土

18、，故该项可不计算 (7) 水土一体地面负荷 v v=(Pe1)×H+P0 628.8 kN/m2 (8) 盾构机外径2倍的土压 2D 240.92 kN/m2 因采用全覆土计算，故采用水土一体地面负荷 v 628.8 kN/m24.3 土荷载计算(1) 盾构机顶部垂直载荷 P1土压 Pe1×H+P0 628.8 kN/m2 水压 Pw1Hw×w 0.0 kN/m2 合计 P1Pe1Pw1 628.8 kN/m2(2) 盾构机顶部水平载荷 Q1 土压 Qe1Pe1×K1 534.5 kN/m2 水压 Qw1Hw×w 0.0 kN/m2 合计 Q1

19、Qe1Qw1 534.5kN/m2(3) 盾构机底部水平载荷 Q2 土压 Qe2Qe1+×D×K1 636.9 kN/m2 水压 Qw2（HwD）×w 0.0 kN/m2 合计 Q2Qe2Qw2 636.9 kN/m2(4) 盾构机底部垂直载荷 P2自重 Pg×g1 49.0 kN/m2 土压 Pe2Pe1 628.8 kN/m2 水压 Pw2Qw2 0.0 kN/m2 合计 677.8 kN/m2(5) 松弛土高度H2因为是用全覆土计算，所以松弛高度为： H2 = H1 33.8 m4.4 盾构机壳体水平方向变位量的计算（1） 由盾构机自重引起的地盘反

20、力的变位量 0.0081 mE = 钢铁的弹性模量 = 20.58×106 (N/cm2)弯曲刚性有效率1.0004.5 载荷的计算（1） 垂直载荷P1起的扭矩M1 kN-m及轴力N1 kN kN-m kN （2） 水平载荷Q1起的扭矩M2 kN-m及轴力N2 kN kN-m kN（3）水平三角形载荷Q2-Q1起的扭矩M3 kN-m及轴力N3 kN kN-mkN （4）由地层反力K引起的扭矩M4 kN-m及轴力N4 kN 0X/4 kN-m kN /4X/2 kN-m kN （5）盾构机自重g1引起的扭矩M5 kN-m及轴力N5 kN 0X/4 kN-m kN /2X kN-m kN

21、4.6弯曲扭矩M及轴力N的计算结果（1） 弯曲扭矩M计算结果 （KN-m/m）°M1M2M3M4M5合成弯矩 M01559.8 -1325.8 -105.8 -144.2 53.3 37.3 151350.8 -1148.2 -95.0 -129.6 47.2 25.3 30779.9 -662.9 -63.5 -86.8 30.1 -3.2 450.0 0.0 -15.0 -18.6 5.2 -28.4 60-779.9 662.9 42.3 67.6 -22.5 -29.6 75-1350.8 1148.2 95.0 147.7 -46.7 -6.6 90-1559.8 1325.8 127.0 183.3