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1、广州地铁三号线【汉溪站南市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件 第七篇 盾构机选型及管 模 中铁十四局集团有限公司中铁十四局集团有限公司 7-43 第七节 关键参数的计算 1地质力学参数选取1地质力学参数选取 根据广州市轨道交通三号线详勘阶段汉溪市桥 盾构段段的岩土工程勘察报告，汉溪站南市桥站北 区间隧道中，左线及右线的工程地质纵断面图，选择 右线里程YCK21+037.233处地质钻孔编号为 MCZ3-HG- 063A的相关地层数据，见地质剖面图 7-7-1，作为该标段 盾构机选型关键参数设计和校核计算的依据。 该段面地 表标高为 27.41m， 隧道拱顶埋深 32.5m，盾构机壳体计 算外径
2、6.25m，盾壳底部埋深 38.75m，地下稳定水位 2.5m。其它地质要素如表 7-7-1 所示。 地质要素表 地质要素表 表 7-7-1 代号地层 厚度 S （m） 天然密度 （g/cm3） 凝聚力 C（KPa） 底层深度 H（m） 粉质粘性土12.01.9520.312.0 硬塑状残积土13.01.8826.025.0 全风化混合岩、块石土14.01.9130.639.0 隧道基本上在、和地层中穿过，为相对的隔水地层。按上述条件对 选用盾构的推力、扭矩校核计算如下： 2.盾构机的总推力校核计算：2.盾构机的总推力校核计算： 土压平衡式盾构机的掘进总推力 F，由盾构与地层之间的摩擦阻力 F
3、1、刀盘正面推 进阻力 F2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力 F3组成，即按公式 F=( F1+F2+F3).Kc 式中：Kc安全系数， 2.1 盾构地层之间的摩擦阻力 F12.1 盾构地层之间的摩擦阻力 F1 计算可按公式 F1=*D*L*C 图图 7-7-1 计算断面地质剖面图计算断面地质剖面图 广州地铁三号线【汉溪站南市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件 第七篇 盾构机选型及管 模 中铁十四局集团有限公司中铁十四局集团有限公司 7-44 C凝聚力，单位 kN/m2 ，查表 7-7-1， 取 C= 30.6kN/m2 L盾壳长度，9.150m D盾体外径，D=6.25m 得： F1=*D*L*
4、C=3.141596.259.1530.6 5498 kN 2.2 水土压力计算2.2 水土压力计算 D盾构壳体计算外径，取 6.25m； L盾构壳体长度，9.15m； pe1盾构顶部的垂直土压。按全覆土柱计算，为校核计算安全，采用岩土的天然 密度值计算。 qfe1盾构机拱顶受的水平土压；qfe1pe1 pe2盾构底部的垂直土压。按全覆土柱计算，为校核计算安全，采用岩土的天然 密度值计算。 qfe2盾构底部的水平土压。qfe2pe2 qfw1盾构顶部的水压 qfw2盾构底部的水压 侧压系数，取 0.37； 计算 qfe1 qfe2 qfw1 qfw2 pe1121.959.8131.889.8
5、（32.5-12-13）1.919.8 609.2kN/m2 pe2609.2 6.251.919.8 726.2 kN/m2 qfe10.37609.2 225.4 kN/m2 qfe20.37726.2 268.7 kN/m2 qfW1(32.5-2.5) 9.8 294 kN/m2 qfW2294+6.259.8 广州地铁三号线【汉溪站南市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件 第七篇 盾构机选型及管 模 中铁十四局集团有限公司中铁十四局集团有限公司 7-45 =355.3 kN/m2 2.3 盾构机前方的推进阻力 F2.3 盾构机前方的推进阻力 F2 2 作用于盾构外周和正面的水压和土压见图
6、 7-7-2 所示。 按水压和土压分算公式计算，将以上各项代入公式得：F2 = 17539.5 kN 2.4 盾尾内部与管片之间的摩阻力 F2.4 盾尾内部与管片之间的摩阻力 F3 3 F3=c.s c管片与钢板之间的摩擦阻力，取 0.3 s压在盾尾内的 2 环管片的自重 F3=0.32(3.1416/4)(625.42)1.52.59.8 =118.46 kN 计算盾构机的总推力 F F=( F1+F2+F3).Kc Kc取 1.8 F=(5498 +17539.5+118.46) 1.8 = 32770.7 kN 2.5 盾构机总推力的经验计算2.5 盾构机总推力的经验计算 日本隧道标准规
7、范 ，根据大量工程实践的统计资料，推荐单位面积上 的推力值为： Fj=1000 kN/m21300 kN/m2 图图 7-7-2 盾构机受力示意图盾构机受力示意图 44 2211 2 2 wewe qfqfqfqfD F 2 广州地铁三号线【汉溪站南市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件 第七篇 盾构机选型及管 模 中铁十四局集团有限公司中铁十四局集团有限公司 7-46 则选型盾构机的总推力 F 应为 F=(/4)6.252(10001300) =(30679.6939883.60) kN 2.6 结论2.6 结论 选型盾构机的推力为 36000kN，它大于校核计算值 32770.7kN，又控制在
8、经验值范 围内，说明该盾构机的推力值合理。 3 盾构机刀盘扭矩校核计算3 盾构机刀盘扭矩校核计算 3.1计算条件3.1计算条件 选取地质条件同前， 由于该地段埋深较大， 考虑土体的自成拱效应， 土压力计算按 2 倍的盾构直径按水土分算进行。 3.1.1 天然地基的强度、地压、水压 天然地基的抗压强度（查表） P= 500 kN/m2 盾构中心的水平土压 Pd= 107.7kN/m2 盾构中心的水压 Pw= 324.7kN/m2 上部垂直土压 P0= 232.5kN/m2 盾构上部的水平土压 P2= 86.0kN/m2 盾构下部的水平土压 P3= 129.3kN/m2 下部垂直土压 P0= 34
9、9.5kN/m2 3.1.2 摩擦系数 滚刀盘和天然地基之间的摩擦系数 = 0.3 刀面和天然地基之间的摩擦系数 1= 0.15 滚动摩擦系数 2= 0.004 滚刀密封装置和钢板之间的摩擦系数 3= 0.2 3.1.3 滚刀盘 装备的扭矩 Tn= 7340kN-m 开挖速度 V= 4.0cm/min 刀盘的旋转 Nc= 1.15r/min 刀盘的外半径 Rc= 3.14m 刀盘的宽度 lk= 0.544m 广州地铁三号线【汉溪站南市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件 第七篇 盾构机选型及管 模 中铁十四局集团有限公司中铁十四局集团有限公司 7-47 刀盘的重量 G= 50t (assumed)
10、 刀盘与工作面的接触率 = 72% 径向滚柱的半径 R1= 1.65m 推力滚柱的半径 R2= 1.7m 刀环的内直径 d1= 2.2m 刀环的外直径 d2= 3.4m 3.1.4 滚刀密封装置 密封装置的推力 Fs= 1.5kN/m 密封装置的附件 No. 1 2 3 4 密封装置的数量 ns 3 3 1 1 密封装置的半径 Rs 1.05 1.7 1.1 1.7 3.2 滚刀盘的阻力扭矩3.2 滚刀盘的阻力扭矩 T1:切削扭矩 T2:旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩 T3:旋转枢纽轴承所承受的、以对应滚刀推力负荷的阻力扭矩 T4:密封装置的摩擦扭矩 T5:滚刀盘的正面摩擦扭
11、矩 T6: 滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩 T7:滚刀盘的背面摩擦扭矩 T8:滚刀驱动部位的剪切扭矩 T9:滚刀轴的搅拌扭矩 3.2.1 切削扭矩（T1） =(1/2)P*h*Rc2 h:切削深度=V/Nc、 r0=Rc100 T1=(1/2)500.0(4/1.15)(3.14100)2/105=857.4 kNm 3.2.2 旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩(T2) T2=G*R1*2 =509.81.650.004 广州地铁三号线【汉溪站南市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件 第七篇 盾构机选型及管 模 中铁十四局集团有限公司中铁十四局集团有限公司 7-48 =3.23kN
12、m 3.2.3 旋转枢纽轴承所承受的、以对应滚刀推力负荷的阻力扭矩(T3) T3=Wr*R2*2 推力负荷“Wr”应该如下表示 Wr=*Rc2*Pd +（/4）(d22-d12)Pw=72/1003.143.14107.7+ (/4)(3.403.40-2.202.20)324.65 =4115.4kN T3=4115.41.70.004 =28kNm 3.2.4 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+31.651.65 +11.101.10+11.701.70) =29
13、.4kNm 3.2.5 滚刀盘的正面摩擦扭矩(T5) T5=2/3*1*Rc3*Pd =2/372/1000.153.143.143.14107.7 =753.8kNm 3.2.6 滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩(T6) T6=Rc*2*Rc*lk*Pr Pr: 滚刀盘周围的平均地压 Pr=(P0+P0+P2+P3)/4 =(232.5+349.5+86+107.7)/4 =193.9kN/m2 T6=3.1423.140.5440.3193.9 =1960.4 kN-m 3.2.7 滚刀盘的背面摩擦扭矩(T7) 当滚刀盘旋转、而腔地压同时作用于滚刀盘的背面时，进行滚刀盘的背面摩擦扭矩 的计算
14、。 T7=2/3*1*Rc3*1.0*Pd 广州地铁三号线【汉溪站南市桥站北盾构区间】盾构工程投标文件 第七篇 盾构机选型及管 模 中铁十四局集团有限公司中铁十四局集团有限公司 7-49 =2/372/1000.153.143.143.141.0107.7 =754.2kN-m 3.2.8 滚刀驱动部位的剪切扭矩(T8) T8=2/3*Rc3(1-) : 土层切削时的剪切阻力（kN/m2） 利用滚刀盘在滚刀腔搅拌含水的出碴，使之和淤泥混合起来。 然后就获得了“改性粘土” 此时，“改性粘土”可以大致如下进行规定为： C=10.0 kN/m2、内摩擦角s=5.0,=Pd =C+tans =10.0+107.7tan5 =18.5kN/m2 T8=2/318.53.143.143.14(1-72/100) =335.9 kNm 3.2.9 滚刀轴的搅拌扭矩(T9) T9=2Rcb*Bcb*lcb*Ncb =23.000.600.9018
