盾构机计算书

1、目录页数 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 1、计算条件31.1工程条件3 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 1.2地质条件31.3计算模型4 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 1.4盾构机规格52、盾构机刀盘所需扭矩计算52.1计算条件5 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 2.2各参数的计算6 HYPERLINK l bookmark123 o Current Do

2、cument 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8 HYPERLINK l bookmark131 o Current Document 3.2各参数的计算9 HYPERLINK l bookmark145 o Current Document 3.3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11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14 HYPERLINK l bookmark180 o Current Document 4.7盾构机壳体应力a的计算结果15 HYP

3、ERLINK l bookmark188 o Current Document 5、切削刀具寿命的计算19 HYPERLINK l bookmark192 o Current Document 5.1 地质概况195.2地质计算模型化195.3主切削刀计算195.3.1磨损高度与运转距离的关系19 HYPERLINK l bookmark201 o Current Document 5.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数20 HYPERLINK l bookmark204 o Current Document 5.3.3刀具磨损计算公式21 HYPERLINK l bookmark210 o Cu

4、rrent Document 5.3.4刀具磨损计算结果226、三排园柱滚子轴承计算236.1盾构机规格236.2载荷计算246.2.1 土载荷的计算246.2.2作用与三排园柱滚柱轴承上的载荷的计算246.3、三排园柱滚柱轴承寿命计算： 256.3.1三排园柱滚柱轴承规格256.3.2三排园柱滚柱轴承寿命计算251、计算条件:1.1、工程条件：隧道长度m隧道最小转弯半径250m盾构机开挖直径中6340mm管片外径中6200mm管片内径中5500mm管片宽度1200mm TOC o 1-5 h z 管片厚度350mm分块数5+1块管片重量4.5t /块(10)隧道坡度o1.2、地质条件：土质淤

5、泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、中粗砂隧道覆土厚度530 m 地下水位GL-0.5 m间隙水压MPa透水系数cm/sec标准贯入值(N值)内摩擦角deg粘着力kN/cm2含水率(W%)地面负荷6 tf/m2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。p=58.8kN/m2p=58.8kN/m2m5 0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

6、 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0.020.04粘土0.401214、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0 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H30 m水头Hw0m（

7、淤）（4）土的单位体积质量水位上部W01.9t/m3（5）土的单位体积质量水位下部W11.9t/m3-水的单位体积质量W20t/m3（淤）（7）标准贯入试验值N0（8）内摩擦角0 deg（9）地面载荷S6t/m2（10）侧方土压系数K10.7（11）松弛土的粘着力c4,905 KN/ m2（12）盾构机外径d6.34 m（13）盾构机半径r3.17 m(14)壳体长L8.680 m(15)盾构机质量G275t(16)掘削断面积A31.57 m2(17)刀盘开口率g40%(18)刀盘半径rc3.15 m(19)刀盘厚l0.4 m(20)切削阻力系数(见表1-1)es1.2(21)切削刀刃宽度B0

8、12 cm(22)切深t2.3 cm(23)切削刀刃的前角e0.262 rad(24)主刀具数量(安装总数的一半)nt39个(25)主刀具平均安装半径(=d/4)Rk1.585 m(26)刀盘支撑梁数na6个(27)刀盘支撑梁平均安装半径Ra1.56 m(28)刀盘支撑梁外径da0.46 m(29)刀盘支撑梁长度la0.712m(淤)标记表示以水土不分离进行计算时不使用。2.2各参数的计算松弛高度计算考虑地面负载时的覆土H1 = H + S/W033.2 m松弛高度 H2因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：H2 = H133.2 m松弛宽度 BB = r X cos(45叩 /2)+r1+si

9、n(45叩 /2) X tan(45 /2)7.7 m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 = P1 = H2XW1侧压P2P2 = K1X(H2+r)XW1下部土压P3P3 = P1+G/ (dXL)平均土压PP = (P1+2XP2+P3) /4617819 Pa 63.tf/m2 Pa 51.8tf/m2 662565 Pa 67.6tf/m2 573927.6 Pa 58.5tf/m2 2.3 所需扭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

10、（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Ha根据村山田经验公式计算Ha = 2.1 Xes B0 t2X 10(-0。22。)1374 N( 140kgf T1 = ntXHa XRk84.949 kN-m 8.66tf-m2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩T2T2 = 4Xn XcX(1-g ) Xrc3/61953 kN-m(199tf-m3）刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩T3T3 = n XcXlXrc21432 kN-m146tf m4）搅拌翼的阻力矩T4T4 = 2 X na X da X

11、 la X ra X c301 kN-m30.66tf-m5）所需扭矩TT = T1+T2+T3+T43771 kN-m384.32 tf-m6）装备扭矩余量S装备扭矩T0时 （100%时）6434 kN-m656tf-m安全率 S= T0/T1.7倍装备扭矩T1时 （120%时）7721 kN-m788tf-m安全率 S= T0/T2.05 倍由计算可知，本盾构机在100%扭矩时（=656 tf-m）是理论计算的1.7倍，有充 足的余量，特别是在120%扭矩时（=788 tf-m）是理论计算的2.05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

12、*水、土不分离计算*(1)土质粘土、淤泥质粘土(2)覆土H30m(3)水头-Hw0m(淤)(4)土的单位体积质量水位上部W01.9t/m3(5)土的单位体积质量水位下部W11.9t/m3(6)水的单位体积质量W20t/m3彼)(7)标准贯入试验值N0(8)内摩擦角(P0 deg(9)地面载荷S6t/m2(10)土压系数K10.7(11)松弛土的粘着力c4,905 KN/ m2(12)盾构机外径d6.34 m(13)盾构机半径r3.17 m(14)壳体长L8.68 m(15)盾构机质量G275 t(16)掘削断面积A31.57 m2(17)后续设备的质量GB95t(18)牵引系数M0.5(19)

13、管片外径Ds6.2 m(20)管片与盾尾密封的摩擦阻力M s0.3(21)盾尾密封数n3道(22)盾尾密封挤压力PT0.00314 MN/m(淤)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/W033.2 m松弛高度 H2因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：H2 = H133.2 m(松弛宽度 B)B = rXcos(45-中 /2)+r1+sin(45-中 /2) X tan(45-中 /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 = H2XW16

14、17819 Pa 63.tf/m2 侧压P2P2 = K1X(H2+r)XW1507663.3 Pa 51.8tf/m2 下部土压P3P3 下部土压P3P3 = P1+G/ (dXL)662565 Pa 67.6tf/m2 平均土压PP = （P1+2XP2+P3） /4573927.6 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F1F1 = n XdXLXc8480 kN 865.3 tf 2）克服胸板所受的土压与水压的推力 F2F2 = AXP216027kN

15、（ 1634tf 3）克服后续设备的牵引力的推力 F3F3 = GBXF3 = GBXp465.5 kN( 47.5tf4）克服管片与盾尾密封摩擦阻力的推力F4F4 = n F4 = n XDsXp sXnXPT55 kN( 6tf5）推进时所需推力F = F1+F2+F3+F4+25028 F = F1+F2+F3+F4+25028 kN(2553tf6）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= 1715X22装备推力F0= 1715X2237730 kN (3850tf1.51 倍安全率F0/F 1.51

16、 倍注：本计算从安全考虑，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1.51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）复土深度H=30m地下水位Hw=0.50mY Y =19 kN/m3土的质量（水上部分）(4)土的质量（水下部分）Y =19 kN/m3(5)水的质量Y w=0 kN/m3(6)土的内部摩擦角Q=0度地盘反力系数K=15,000 kN/m2(8)盾构机外径D=6.34m(9)盾构机半径R=3.17m(10)盾构机长度L=8.68m

17、(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) 土压系数入0.850、,1 一 sin 0.850人=1 + sin 土压系数入，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G115.588 kN/m215.588 kN/m2g1 =兀 D Ls壳体断面惯性矩（每100cm） I533cm412(4)壳体断面抗弯模数(每100cm) Z 100 - T 2Z =6壳体断面积(每100cm) AA=100XT松弛土宽度B1因采用全覆土，故该项可不

18、计算小 (45。+ 小；2)B1 = R - cot :2)水土一体+地面负荷ov。v=(Pe1) = Y XH+P0盾构机外径2倍的土压o2D。2D = 2 D 人因采用全覆土计算，故采用水土一体+地面负荷ov= 628.8 kN/m24.3土荷载计算盾构机顶部垂直载荷P1土压 Pe1 = Y XH+P0水压 Pw1=HwX y w合计 P1=Pe1+Pw1盾构机顶部水平载荷Q1土压 Qe1=Pe1XK1水压 Qw1=HwXY w合计 Q1=Qe1+Qw1盾构机底部水平载荷Q2土压 Qe2 = Qe1+Y XDXK1水压 Qw2=(Hw+D)Xy w267 cm3400 cm2628.8 k

19、N/m2240.92 kN/m267 cm3400 cm2628.8 kN/m2240.92 kN/m2628.8 kN/m20.0 kN/m2kN/m2534.5 kN/m20.0 kN/m2534.5kN/m2kN/m20.0 kN/m2636.9 kN/m2盾构机底部垂直载荷P2自重 Pg=n Xg1土压 Pe2=Pe1水压 Pw2 = Qw2合计松弛土高度H2因为是用全覆土计算，所以松弛高度为:H2 = H149.0 kN/m2kN/m20.0 kN/m2kN/m2m4.4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力的变位量3(2- P 1 - Q 1 - Q 2+P

20、 g ) R_ 424 E I + 0.0454 . K :R 4C0.0081 mE =钢铁的弹性模量=20.58 X 106 (N/cm2) n =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 kNM 1 0 = 1 - l - 2 - sin2 0)P1 - Rc24N1b = P1 - Rc - sin 20kN-mkN(2)水平载荷 Q1起的扭矩M2 kN-m 及轴力N2 kNM2 0 =4( - 2 - cos2 0 ).Q1. Rc2kN-mkNN20=Q1. Rc cos2 0kN(3)水平三角形载荷Q2-Q1起的扭矩M3 kN-

21、m 及轴力N3 kNM3 b = - ( 6 - 3 - cos 0 - 12 - cos2 0 + 4 - cos3。(Q2 - Q1) Rc2kN-m48 I)+ 8 + 8 - cos2 0 - 4 - cos3 0 )(Q2 - Q1). RckN(4)由地层反力K-(4)由地层反力K-6 引起的扭矩M4 kN-m及轴力N4 kN0忍X忍n /4M 4 0 =(0.2346 - 0.3536 co s 0 ) K Rc 2N4 0 = 0.3536 cos 0 K 6 Rcn /4Xn /2M 4 0 = ( 0.3487 + 0.5 sin2 0 + 0.2357 cos3 0 )

22、K - 6 Rc 2kN-m kNkN-mN4 0= ( 0.7071 cos 0 + cos2 0 + 0.7071 sin2 0 cos 0 ) K - 6 Rc(5)盾构机自重;rg1引起的扭矩M5 kN-m及轴力N5 kN(3八 八5 d兀 一 0 sin 0cos 0 g 1 Rc286) 50 sin 0 - ！ cos 0 g 1 RckNkN-mkN n /2XnM n /2XnM 5 0 =-(Ti -0 ) sin 0 一 cos 0 一 k - sin 20 g 1 Rc262)N 5 0=-k sin 0 +0 sin 0 + k sin20 一 kkN-mkN4.6弯

23、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)0 M1M2M3M4M5合成弯矩M01559.8-1325.8-105.8-144.253.337.3151350.8-1148.2-95.0-129.647.225.330779.9-662.9-63.5-86.830.1-3.2450.00.0-15.0-18.65.2-28.460-779.9662.942.367.6-22.5-29.675-1350.81148.295.0147.7-46.7-6.690-1559.81325.8127.0183.3-60.715.6105-1350.81148.2124.9147.7-

24、58.511.5120-779.9662.984.767.6-38.2-3.01350.00.015.0-18.6-5.2-8.8150779.9-662.9-63.5-86.830.6-2.71651350.8-1148.2-124.9-129.658.06.11801559.8-1325.8-148.2-144.268.29.8(2)轴力N的计算结果(KN/m)0 N1N2N3N4N5合成申由力N00.01683.6100.8136.0-8.21912.215132.71570.897.3131.4-4.61927.630495.21262.786.0117.85.81967.545990

25、.4841.866.496.221.52016.2601485.5420.940.362.240.42049.4751848.0112.814.621.060.02056.5901980.70.00.00.077.12057.91051848.0112.87.021.084.02072.81201485.5420.940.362.275.32084.2135990.4841.894.996.255.62078.9150495.21262.7155.9117.832.82064.3165132.71570.8203.7131.414.92053.51800.01683.6221.7136.08.

26、22049.54.7盾构机壳体应力。的计算结果在壳体外侧产生的应力。外侧kN/m2在壳体内侧产生的应力。内侧kN/m2(3)壳体产生的应力的计算结果(kN/m2)容许应力为：210,000 kN/m20 o out判定o in判定0187,6510K-92,0400K15142,9510K-46,5720K3037,2200K61,1530K45-56,1200K156,9300K60-59,7460K162,2140K7526,5190K76,3040K90109,9210K-7,0290K10594,9700K8,6700K12040,8460K63,3630K13518,8570K85,

27、0870K15041,6600K61,5570K16574,0870K28,5860K18087,9450K14,5320K根据计算本次盾构机壳体盾尾厚度为4cm时，将采用抗拉强度490N/mm2 级钢材，相类似国内Q345钢材。结论:本盾构机壳体的容许应力、容许应变具有充足的余量。1、 盾尾钢板40mm的解析图SENeolci.e usgsPNE0+E=!L 裕圣 -DB-l-rTGp50+L5D+ZL 含+L L 吕+L 含+L L吕+目L 含+L ETLEos.盾尾厚度为40mm的应力解析图SNOAJ !.%口 sua-ssajmdsEiuqrlEucs胡 CCZJQQ冬 oQNLLIz

28、tBcnu 一UZ 蛋 LELnL，* 甲SMS拓 UElBdoEs-9PNDg-9b 新圣 -U-1FIW-3口l-n-3p盾尾厚度为40mm的应变解析图5、切削刀具寿命的计算：本计算是对？ 6.34m 土压平衡式盾构机的切削刀具寿命进行计算，是基于所给 出的地质条件和小松公司许多盾构机施工实绩参数上所进行的，计算结果只是作 为参考。如果实际的掘削土体和掘削状况与标书中所给出的地质条件有差异，可 能会与计算推定的结果有所不一致。根据本工程地质条件，为安全起见，采用全长为砂层，推进速度取4cm/min 计算，由于全部区间大部分是淤泥层，而且，最外周刀具为1个轨迹上的刀具采 用3把，因此，该计算

29、是趋于保险的。5.1、地质概况：粉质粘土、粉土，局部为粉砂、淤泥质粘土、粉砂、细砂5.2、地质计算模型化5.3主切削刀计算5.3.1磨损高度与运转距离的关系根据以往众多的实绩，主切削刀、刮刀的磨损高度t(mm)与运转距离入(km)的 关系可用小松公司的积累的经验，用下式进行：t = K 入 X 10-3其中：K 一摩擦系数：根据切削刀具超硬刀片的材质和工程地质条件所决定。切削刀的超硬刀片高度为35mm，根据小松的经验取刀片高度17.5mm作为刀具 的磨损界限，先行刀的超硬刀片高度为50mm，根据小松的经验取刀片高度25mm作 为刀具的磨损界限，因为，刀具在过大磨损的情况下，刀具的后角就变小，在

30、掘 进的同时磨损就会加速，就会产生刀具背部的刀柄部位磨损增加，刀片焊接面减 少，可能会引起刀片脱落等。5.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数主切削刀、刮刀的磨损取决于超硬刀片的材质、形状、土质、盾构机形式， 有无先行刀等，下图表是小松公司对于刀具磨损计算的经验所示：泥水平衡式盾构机（E-5材质）土压平衡式盾构机（E-5材质）2525口砂砾/口砂砾/ K=45K=25。砂/K=23。砂20占粘土淤泥20A粘土淤泥/K=15/f/15)15X1匚)15/mm/m毕口/度妒ZK=L2度/ /f/高10_义口 一/高10!7V损磨/口*损磨/片/口XUQK=5,片/q /A刀 50/刀5/o/AK=4/

31、00 0K=2.5/八仝000500100005001000刮刀运转距巨离（km）入刮刀运转距离（km）主切削刀主切削刀根据上述图表，可以将其中K值整理为如下表所示:土质粘土、淤泥砂砂砾、岩碎块刀片材质备注泥水平衡式盾构机2.555121223E-5本工程采用1.252.52.56611.5E-3土压平衡式盾构机41515252545E-5本工程采用27.57.512.512.522.5E-3由于，本工程的地质为砂，因此，采用类似于日本抗冲击的硬质合金刀片E-5 （日本标准）材质。（1）刀具磨损系数模型化（采用主切削刀进行计算，其结论适用刮刀）根据上述图，在先行刀容许磨损量之内，切削刀的磨损系

32、数K值减小到K2 值，磨损减少，当先行刀磨损完时，主切削刀K值恢复到K3值，磨损就会加剧， 随着掘进距离增加，最终到达主切削刀容许磨损量所能掘进的距离L2。MM刃 先摩耗 量m m)5.3.3刀具磨损计算公式先行刀的可能掘进距离L1 = 10000XPeXt1/(2n RXkl)主切削刀在L1(m)掘进距离时的刀刃磨损量由 L1 = 10000XPeXt01/(2n RXk2)得 t01 = (2n RXk2)XL1/ (10000XPe)主切削刀到达磨损界限时的可能掘进距离由(L2-L1) = 10000XPeX(t2-t01) /(2n RXk3)得 L2 =10000XPeX(t2-t0

33、1) /(2n RXk3)+L1其中：L :到达刀具磨损界限时可以掘进的隧道距离K :刀具超硬刀片的磨损系数t :刀具的超硬刀片的容许磨损高度mmR :最外周刀具的安装半径mPe：刀具的切深cm/rvePe = V/NV :盾构机推进速度cm/minN :刀盘转速rpm5.3.4刀具磨损计算结果:先行刀摩耗完，但主切削刀未完全磨损时的掘进距离L土言己号单位砂掘逵距雕Lm1480掘逵速度Vcm/min4刀盘回转速度Nrpm1.3切深Pecm/rev3.08盾构机外径Dm6.34最外周切削刀安装半径Rm3.17先行刀容摩耗量t1mm25切削刀容M午刃先摩耗量t2mm17.5刀具走距雕Akm971先

34、行刀摩耗彳系数k1mm/1000km26.01切削刀摩耗彳系数（先行刀没磨损完）k2mm/1000km8.67切削刀摩耗系数（先行刀磨损完）K3mm/1000km17.34先行刀摩耗量T1mm25.3切削刀摩耗量（先行刀没磨损完）T2mm8.3切削刀摩耗量（先行刀磨损完）T2mm 先行刀摩耗完后，切削刀完全磨损时的掘进距离L1土己号单位砂掘逵距雕Lm800掘逵速度Vcm/min4刀盘回转速度Nrpm1.3切深Pecm/rev3.08盾构机外径Dm6.34最外周切削刀安装半径Rm3.17切削刀剩余容M午刃先摩耗量（先行刀磨损完）t2mm9.2刀具走距雕入km478.6切削刀摩耗彳系数（先行刀磨损完）K3mm/1000km17.34切削刀摩耗量（先行刀磨损完）T2mm9.11次安装后的刀具总掘进距离L= 1480+800=2280m并且，对于与最外周掘削刀具邻接的保径刀，因为每1轨迹配置了6把，所 以根据上述计算结果，可以得到十分足够的掘进距离。在里所提示的刀具寿命是根据小松公司所积累的数据进行计算的，计算结果 仅供参考，但在实际地质情况与投标时给出的地质情况没有较大的差别时， 并且掘进正常，其基本上能相符。所有的计算结果在地质条件发生变化时， 将作修正。6、三排园柱滚柱轴承：6.1盾构机规格：盾构机外径D (m)6.34盾构机主机长L (