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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 盾构机选型及管模第七节 关键参数的计算1地质力学参数选取图7-7-1计算断面地质剖面图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-
2、7-1所示。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：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F1、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F1计算可按公式
3、F1=p*D*L*CC凝聚力，单位kN/m2 ，查表7-7-1，取C= 30.6kN/m2 L盾壳长度，9.150mD盾体外径，D=6.25m得： F1=p*D*L*C=3.141596.259.1530.6 5498 kN2.2 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；qfe1pe1pe2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。qfe2pe2qfw1盾构顶部的水压qfw2盾构底部
4、的水压侧压系数，取0.37；计算qfe1 qfe2 qfw1 qfw2pe1121.959.8131.889.8（32.5-12-13）1.919.8 609.2kN/m2pe2609.2 6.251.919.8726.2 kN/m2qfe10.37609.2 225.4 kN/m2qfe20.37726.2 268.7 kN/m2qfW1(32.5-2.5) 9.8294 kN/m2qfW2294+6.259.8=355.3 kN/m22.3 盾构机前方的推进阻力F2作用于盾构外周和正面的水压和土压见图7-7-2所示。2图7-7-2盾构机受力示意图按水压和土压分算公式计算，将以上各项代入公式
5、得：F2 = 17539.5 kN2.4 盾尾内部与管片之间的摩阻力F3F3=c.sc管片与钢板之间的摩擦阻力，取0.3s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FF=( F1+F2+F3).Kc Kc取1.8F=(5498 +17539.5+118.46) 1.8= 32770.7 kN2.5 盾构机总推力的经验计算日本隧道标准规范，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则选型盾构机的总推力F应为 F=(/4)6.252(10001300)
6、 =(30679.6939883.60) kN2.6 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3.1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
7、构下部的水平土压 P3= 129.3kN/m2 下部垂直土压 P0= 349.5kN/m23.1.2 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= 0.23.1.3 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刀盘的重量 G= 50t (assumed)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
8、= 1.7m刀环的内直径 d1= 2.2m刀环的外直径 d2= 3.4m3.1.4 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 1.73.2 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
9、矩（T1）=(1/2)P*h*Rc2h:切削深度=V/Nc、 r0=Rc100T1=(1/2)500.0(4/1.15)(3.14100)2/105=857.4 kNm3.2.2 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 =3.23kNm 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
10、T3=4115.41.70.004=28kNm3.2.4 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)=29.4kNm3.2.5 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=753.8kNm3.2.6 滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩(T6)T6=Rc*2*Rc*lk*PrPr: 滚刀盘周围的平均地压Pr=(P0+P0+P2+P3)/4=(232.
11、5+349.5+86+107.7)/4=193.9kN/m2T6=3.1423.140.5440.3193.9=1960.4 kN-m3.2.7 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。T7=2/3*1*Rc3*1.0*Pd=2/372/1000.153.143.143.141.0107.7=754.2kN-m3.2.8 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
12、规定为：C=10.0 kN/m2、内摩擦角s=5.0,=Pd=C+tans=10.0+107.7tan5=18.5kN/m2T8=2/318.53.143.143.14(1-72/100)=335.9 kNm3.2.9 滚刀轴的搅拌扭矩(T9) T9=2Rcb*Bcb*lcb*Ncb=23.000.600.9018.54=239.8kNm3.3 需要的扭矩（T）和装备的扭矩T=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9=857.4+3.23+28+29.4+753.8+1960.4+754.2+335.9+239.8=4962.1kNm实际装备的扭矩应该是Tn=7340kNm而且其安全系数是Tn/T=1.
