盾构机推力计算

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1、7.8.2盾构机的推力和扭矩计算盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。7.8.2.1在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算地层参数按6岩石全风化带选取，由于岩土体中基本无水，所以水压力 的计算按水土合算考虑。选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。根 据线路的纵剖面图，6层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力 Pe时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。盾构机所受压力：Pe = Yh+P0- I . 一二二二P01= Pe + G/DLP1=PeX 入P2=(P+Y.D)入式中：入为水平侧压力系数，入=0.47h为上覆土厚度，h=12.8mY为土容重，Y=1

2、.94 t/m3G为盾构机重，G=340 tD为盾构机外径，D=6.25 m ；L为盾构机长度，L=8.32 m ；P0为地面上置荷载，P0=2 t/m2； P01为盾构机底部的均布压力；P1为盾构机拱顶处的侧 向水土压力；P2为盾构机底部的侧向水土压力；Pe=1.94X 12.8+2=26.83 t/m2 P01=26.83+340/ (6.25X8.32) =33.37t/m2P1=26.83 X0.47=14.89t/m2P2 =(26.83+1.94 X 6.25) X 0.47=18.3t/m27.8.2.1.1盾构推力计算盾构的推力主要由以下五部分组成：F = F + F + F

3、+ F + F12345式中：F1为盾构外壳与土体之间的摩擦力；F2为刀盘上的水平推力引起的推力f3为切土所需要的推力；f4为盾尾与管片之间的摩阻力F5为后方台车的阻力F = i(P + P + P + P )DL.爪14 e 0112式中：四：土与钢之间的摩擦系数，计算时取日=0.3F1 = 4 X (26.83 + 33.37 +14.89 +18.3) x 6.25 x 8.32 x 0.3兀=1144.23$F =兀，4( D 2 P)式中：Pd为水平土压力，Pd=m (h+D2)7 D6.28h + = 12.8 += 15.93m22p = 0.47 x 1.94 x 15.93

4、= 14.52 m 2F2 =兀 /4(6.282 x 14.52) = 445.48$F3 =兀 /(D2C)式中：C为土的粘结力，C=4.5t/m2F =1x(6.252 x4.5) = 138.06$ 34F4 = W p式中：WC、uC为两环管片的重量(计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内， 当管片容重为2.5t/m3,管片宽度按1.5m计时，每环管片的重量为24.12t), 两环管片的重量为48.24t考虑u C=0.3F4 = 48.24 x 0.3 = 14.47$F = G - sin 0 + p G cos 0式中：Gh为盾尾台车的重量，G广160t；。为坡度，tg。=0.

5、025ug为滚动摩阻，ug=0.05F 160 x 0.025 + 0.05 x 160 x 1 = 12.00$盾构总推力：F = 1144.23 + 445.48 +138.06 +14.47 +12.00 = 1754.24$7.8.2.1.盾构的扭矩计算盾构配备的扭矩主要由以下九部分组成。在进行刀盘扭矩计算时：M = M1 + M 2 + M 3 + M 4 + M 5 + M 6 + M 7 + M 8 + M 9式中：M1为刀具的切削扭矩；M2为刀盘自重产生的旋转力矩M3为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩；m4为密封装置产生的摩擦力矩M5为刀盘前表面上的摩擦力矩；M6为刀盘圆周面上的摩

6、擦力矩M7为刀盘背面的摩擦力矩；M8为刀盘开口槽的剪切力矩M9为刀盘土腔室内的搅动力矩a.刀具的切削扭矩M1M =jRChrdr M = -(C h R2)1012 r max 式中：cr:土的抗剪应力，C 尸C+PdX tg 6 =4.5+14.52 X tg20 =9.78t/m2hmax:刀盘每转的最大切削深度，hmax=8cm/转R0：最外圈刀具的半径，R0=3.14mM1 = -(9.78 x 8 x 10-2 x 3.142)= 3.83? - mb刀盘自重产生的旋转力矩叫M2=GR u g式中：G：刀盘自重，计算时取刀盘的自重为G=55tR：轴承的接触半径，计算时取为R=2.6m

7、ug：滚动摩擦系数，计算时取为ug=0.004M2=55 X 2.6 X 0.004=0.57t mc. 刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M3M3=WpRgUzWp=anRc2Pd式中：Wp：推力荷载；a：刀盘封闭系数，a=0.70Rg：轴承推力滚子接触半径，Rg=1.25m ； Rc：刀盘半径，Rc=3.14uz:滚动摩擦系数，uz=0.004 ； Pd：水平土压力，Pd=14.52t/m2Wp=0.70nX 3.142 X14.52=312.83t； M3=312.83 X 1.25 X 0.004=1.56 t md. 密封装置产生的摩擦力矩M4M4=2nUmF (n1Rm12+n2Rm22

8、)式中：um：密封与钢之间的摩擦系数，um=0.2； F：密封的推力，F=0.15t/m n1、n2 :密封数，n1=3 n2=3 ； Rm1、Rm2 :密封的安装半径，Rm1=1.84m Rm2=2.26m； M4= 2 nX0.2X0.15X(3X 1.842+3X2.262)=4.80 t - me. 刀盘前表面上的摩擦力矩M5M = 2(am R3P ) 53 P d式中：a：刀盘开口率，a =0.30； Up： 土层与刀盘之间的摩擦系数，Up=0.15R：刀盘半径，R=3.14mM5 = 2 (0.30 x 0.15 x 3.143 x 14.52) = 41.96t - mf. 刀

9、盘圆周面上的摩擦力矩M6M6=2 n R2BPZ U p式中：R：刀盘半径，R=3.14m ； B：刀盘宽度，B=0.775mPZ:刀盘圆周土压力PZ= (Pe+P01+P1+P2)/4= (26.83+33.37+14.89+18.3) /4=23.35t/m2M6=2nX3.142X0.775X23.35X0.15=167.09t - mg刀盘背面的摩擦力矩叫M7=2/3(1-a)nR3uPX0.8PdM7=2/3 (0.70XnX3.143X0.15X0.8X 14.52) =78.33t mh,刀盘开口槽的剪切力矩M82M =3兀.C R 3 以式中：C : 土的抗剪应力，因碴土饱和含

10、水，故抗剪强度降低，可近似地T取 C=0.01Mpa=1t/m2，6=5； C尸C+PdXtg 6 =1+14.52Xtg5=2.27t/m2M8 = 3 x兀 x 2.27 x 3.143 x 0.30 = 45.88t - mi刀盘土腔室内的搅动力矩M9M9=2n(R/R22)LCt式中：d1 :刀盘支撑梁外径，d1=4.8m； d2 :刀盘支撑梁内径，d2=3.84 mL：支撑梁长度，L=0.8 mM9=2n(2.42-1.922)X0.8X2.06=21.46 t - m刀盘扭矩M为M1M9之和M=3.83+0.57+1.56+4.80+41.96+167.09+78.33+45.88

11、+21.46=365.48t - m7.8.2.2在硬岩中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算地质参数按照9 层选取,9层为岩石微风化带.盘形单刃滚刀的参数如下:直径d=43.2cm（17 英寸），R=21.6cm刃角a =60每转切深h=1 cm刀盘直径D=6.28m盘形滚刀刀间距，Bm=2htg 6 /2式中：6为岩石的自然破碎角，查表选取6=155Bm=2 X 1X tg155/2=9.5cme 10cm7.8.2.2.1盾构推力的计算硬岩具有完全自稳能力。在硬岩中掘进时，盾构机的拱顶、两侧、底部所受 的压力均很小，对盾构机的推进影响不大，盾构机的推力主要消耗在滚刀贯入岩 石所需要的推力上，所

12、以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，其 它在选取盾构机推力的富裕量时进行统筹考虑。根据力平衡原理和能量守恒原理计算盘形滚刀的滚压推力，每个盘形滚刀的 推力F总=mF力式中：F力为单个滚刀贯入岩石所需要的力m为刀盘上安装的盘形滚刀(单刃)的数量F = 4K R （_L）o.5（J）1.4h3Rh h2tg -力 3 d 压 1.y 352式中：Kd为岩石的滚压系数，查表取Kd=0.55R压为岩石的抗压强度，R压=62.3Mpa=623kg/cm2%为盘形滚刀的刃角半径；r.=8cm脂为盘形滚刀的半刃角；。广306为岩石的自然破碎角，6=155F = - x 0.55 x 623 x

13、(旦)0.5 x (30)1.4 x 1 x2x 21.6 x 1 12 tg155 = 24.64t 力 31.5352m= D /(2 X Bm)式中：D为刀盘的外径，D= 6.28mBm为滚刀的刀间距，Bm=10cmm = 6.28/(2X10X10-2)=31本盾构机设计双刃滚刀19把，合计单刃滚刀38把，满足需要。盾构机的总推力：F ,mF力=38 X 24.64=936.32t7.8.2.2.2盾构扭矩的计算硬岩掘进的扭矩主要由以下三部分组成：T = T + T + T式中：T1为刀盘滚动阻力矩计算t2为石碴提升所需要的扭矩t3为克服刀盘自重所需要的扭矩a刀盘滚动阻力矩计算T1mT

14、 = FB E mi=1式中：F为盘形滚刀的滚动力F = 3 ：: J . I ”4 2R-h 力式中：E为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数，E=0.8P 注压=24.64h为每转切深，h =1cmR为盘形滚刀的半径，R=21.6 mmF = - x 0.8 x1x 24.64 = 2.274,2 x 21.6 -1Bm为盘形滚刀刀间距，Bm=10cm=0.1mT = 2.27x0.1xE2 m = 204.99t-mi=1b.石瞳提升所需要的扭矩T2T2=q n R2h u 1R式中：q为石碴容重，q=2.59t/m3R=3.14 mH=1 mm/nu 1为刀盘系数，七=0.70T

15、2=2.59XnX3.142 X 0.01X0.70 X 3.14=1.75tc.克服刀盘自重所需要的扭矩T3T3=W1 u 1R式中：W1为刀盘自重，W1=55 tu 1=0.70R=3.14mT3=55X0.70X3.14=120.51t - m硬岩掘进所需要的力矩T= 204.99+1.75 +120.51= 327.25t - m7.8.2.3推力和扭矩的选取及验证软土中掘进：推力F=1754.24t，扭矩T=365.48tm硬岩中掘进：推力F=936.32t，扭矩T=327.25tm由于盾构在施工中经常需要纠偏、转向，因此盾构的推力实际上要比计算出 来的大，按照经验数据，盾构实际配备的推力为计算值的1.5倍。F = 1.5 x F = 1.5 x 1754.24 = 263