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1、盾构机的关键参数计算方法1.1.1.1盾构机总推力计算根据隧道工程条件，盾构主要参数计算按盾构在最大土压和水压位置进行计 算。根据招标文件和地质堪察报告按盾顶埋深22m,地下水位埋深按2m,盾构穿 越地层按粉质粘土地层进行核定。1、计算参数管片内径：5500mm管片外径：6200mm管片厚度：350mm管片宽度：1500mm覆土厚度：20m水头压力：200kPa土容重：粘土Y= 19.1kN/m3，粉土Y= 19.9kN/m3土的侧压力系数：0.5盾构机重量：331.7t盾构机盾壳长度：9.55m管片外径：g=6200mm盾构尾部的外径为：6390mm盾体直径为：D 0 = 6410mm钢与土
2、的摩擦系数口1 = 0.3车轮与钢轨之间的摩擦系数口 2 = 0.2每一先行刀的容许负荷pr = 150kN后配套系统G1 = 160t最大推力F： 42,000kN额定扭矩：5316 kNm脱困扭矩：6934 kNm2、盾构荷载计算 松动圈土压,见图2.1.6-1。按覆土厚度 H0=22m 计算,H1=1m,H2=12m.H3=9m Pel二(yTO)H2+(yTO)H3 +y*Hl=219.3kPa Pe2二Pe1-64.5=153.8kPa q = p * X = 208 *0.5 = 104 kPaq = (丫 一 10)*6.45 + Pel)*X = 12*6.45*0.5 + 2
3、19*0.5 = 148.2kPap =G/D *L =320*10/(6.45*8.0)=62.02kPa g 0 qfe 2= qe 2 f = 210kpa qf 2 = 275kpa_Lj垂直抵抗土压自重抵抗土压水压图216-1荷载计算简图3、盾构机总推力计算盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构无法向前推进。包 括盾构外围与土的摩擦力、盾构推进阻力(正面阻力)、由先行刀挤压阻力、管 片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力。1.1.1.2盾壳与土体的摩擦力(1) 、盾构外围与土的摩擦力F 二卩(兀D Lp + w)二卩(兀D L Pe1 + qe1 + Pe2 + 2 +
4、W)110 w104=0.3(3.14*6.41*9.55219.3+153.8+104 +148.2+ 3317)= 11047.6kN(2) 、盾构推进阻力(正面阻力)一 2 2 伙 qf + qf + qf + qf 3.14*41.0881 伙 219.3 +153.8 + 210 + 275F * e1沁e2w2 =*= 13839kN24242(3) 、由先行刀挤压产生的阻力F = p *n = 18*150 = 2700kN3r(4) 、管片与盾尾的密封阻力F = M xW = 0.3x2x3.1416三4x(6.2x6.2-5.5x5.5)x 1.5x2.5x9.8 = 141
5、.8kN4 C SMC-管件与钢板刷之间的摩擦阻力，取0.3WS-压在盾尾内部2环管片的自重(5) 、后方台车的牵引阻力F =r *G = 0.2*1600 = 320kN521所需最大推力F = F + F + F + F + F = 11047.6 +13839 + 2700+141.8 + 320 = 28048.4kNmax 12345安全系数 =F / F = 42000/28048.4 = 1.5max根据分项计算推力的安全系数达到1.5，可以满足掘进的需要。1.1.1.3盾构机的扭矩实践证明装备扭矩与盾构机的外径的关系极大，通常可用下式表示：T =a * a * a * D 3e
6、 1200式中：Te 装备扭矩(kNm)；DO 盾构机外径(m)；al 刀盘支撑方式决定系数，简称为支撑系数(m)；a2 土质系数；aO 稳定掘削扭矩系数。就中心支撑式刀盘而言，a1 0.81；对中间支撑方式而言，a1 0.91.2,对周边支撑式而言，a1 1.11.4。对密实砂砾、泥岩而言，a2 0.81；对固结粉砂、粘土而言，a2 0.80.9；对松散砂而言，a2 0.70.8；对软粉砂而言，a2 0.60.7。对土压盾构而言，a01423 kN/m3；对泥水盾构而言，a0 918kN/m3；对开放式盾构而言，a0 = 815 kN/m3。T =a * a * a * D 3=1.0*0.
7、9*18*6.41*6.41*6.41=4266.7kNm 计算可得： e 1 2 0 0根据盾构机设计额定扭矩为5316kNm。脱困扭矩为6934 kNm，满足条件。1.1.1.4刀盘驱动功率计算基本参数：根据刀盘扭矩与转速曲线图选定。见图2.1.6-2刀盘转速n=1.4rpm时对应扭矩为：刀盘驱动扭矩T = 4470kNm刀盘驱动所需功率2兀Tn602*3.14*4470*1.4=655kw60N = N =空=770.6kw 电机所需总功率：“85实际电机驱动功率945kW。a =24! = 1.2安全系数： 770.6图2.1.6-2 刀盘扭矩与转速曲线图刀盘驱动功率满足条件。1.1.
8、1.5盾构推进所需功率油缸的总推力为：F=42000kN设计最大推进速度为：80mm/min推进所需功率：N2=42000*0.08/60=56kW设液压泵的效率为nb = 0.9油缸效率为ng=0.9总效率 n=0.9*0.9=0.81驱动电机的功率：N= N2/n=69.14kW实际设计驱动电机的功率75kW。功率储备系数k=75/69.14=1.1。通过计算满足条件。1.1.1.6排渣能力计算1、隧道掘进的基本数据开挖直径6450mm管片宽度1500mm开挖面兀 *d兀 *6 452A = 32.66m 244每环开挖量V = A * l = 32.66 *1.5 = 48.99m3 T
9、每环开挖吨数P = * V = 2.05*48.99 = 100.43t掘进系统生产率推进平均速度按Vd = 40mm /min计算每环掘进时间t =仝=37.5minv v 40D管片安装的设计时间 试验值= 20min平均完成一环所用时间为（掘进+管片安装）=60min设定每天开挖隧道时间二18h其他工作时间=定期维保+换班+更换管线=6h平均完好率 85.00每天有效开挖隧道时间=15.3h每天安装管片环数=15环每天前进距离=22.5m/day每月按 24 个有效工天计每月掘进距离 =540m/month能满足计划工期的月进度300m的要求。2、螺旋输送机输送能力验算螺旋输送机功率为2
10、00kW,在最大扭矩200kNm工况下，传动效率按0.85 计，其理论转速可达8.20r/min。因螺旋输送机在22r/min时的最大排土量为 385m3/h，则在8.20r/min时的排土量可达143.5m3/h，即在此最不利情况下，掘 进速度可达60mm/min。因此螺旋输送机能达到平均掘进速度40mm/min的排土能 力要求，能满足本工程施工期的要求。1.1.1.7盾尾内径与管片外径间隙验算（曲线半径按 400m）曲线开挖时要求的盾尾间隙计算如下：1、设计参数盾尾内径DO = 6310mm管片外径D = 6200mm管片宽度W= 1500mm曲线半径R = 350m盾尾覆盖管片的长度L
11、= 2250mm2、盾尾间隙理论值X = X1+X2其中：X1 为拼装管片方便并考虑管片安装误差及偏移所取的间隙裕量。通常，X1按下表选择，取X1 = 30mm。D37mm满足本工程350m曲线半径的施工要求。3、管片安装机扭矩和功率的计算假设前提：管片重量：59kN；管片密封处压缩负载：50kN/m。计算动态扭矩C等于：59X（De+Di） /4=172.58kNm式中：De管片外径Di管片内径在转速为1.5r/min （输送管片时的速度），功率P=CX=27.1kW3 转动角速度静态扭矩是加载于管片负荷产生的扭矩：330kNm转速一0.2r/min （安装管片时的转速）功率二CX3 =6.
12、9kW管片安装机所选功率标准配置为：45kW，满足旋转和安装时的需要。11后续设备及运输列车（1）后配套为盾构机的施工作业提供各种支持，机器的电气、液压、控制、 通风管道、接力风机等系统及其它辅助设备都安装在后配套拖车上。(2) 洞内轨道运输采用43kg/m钢轨，按4轨3线制布轨，轨距762mm，两 外轨为平台拖车轨，随掘进循环倒用。(3) 后配套拖车在轨道上行使。拖车装有走道、护栏和扶梯，运输车辆与 拖车间隙按规范不小于 200mm 设计，保证工作人员及设备的安全。(4) 掘进循环中所需材料、浆液、管片等洞内运输，通过两列列车完成， 垂直运输通过盾构工作井上的一台16吨和两台40 t门吊完成。(5) 列车由1辆25电瓶机车挂3节(每节15m3)碴车+1节7m3搅拌浆罐 车+ 2节管片车组成；始发阶段(200m)配置一列，正常掘进阶配置两列，1500m 以后配置三列。(6) 洞口内增设一副道岔，确保始发井内是 2 股道(4 轨 3 线布轨)停放 车辆，洞内设单股轨道运输，奥体中心站位置也增设道岔。
