完整版盾构机选型计算书

1、设计依据：1. 广州市轨道交通五号线工程区庄至动物园南门区间详细勘察阶段岩土勘察报告2. 广州市轨道交通五号线工程动物园南门至杨箕区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告3. 广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）设计技术要求4. 广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）区庄站至动物园站区间招标设计及投标 设计文件5. 广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）动物园站到杨箕站区间招标设计及投 标设计文件6. 广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）施工图设计结构防水工程技术要求7 广州市轨道交通五号线 区庄站动物园站杨箕站区间 盾构工程设计合同8. 广州市地铁五号线总包总体部下发的工

2、作联系单9. 采用规范：1）人民防空工程设计规范 （GB50225-1995 ）2）盾构法隧道施工与验收规范 （GB50446-2008 ）3）建筑结构荷载规范 （GB50009-2001 ）4）地铁设计规范 （ GB50157-2003 ）5）混凝土结构设计规范 （GB50010-2002 ）6）地下工程防水技术规范 （GB50108-2001 ）7）铁路隧道设计规范 （TB10003-2005 ）8）建筑抗震设计规范 （GB50011-2001 ）9）锚杆喷射混凝土支护技术规范 （ GB50007-2002 ）10）建筑地基基础设计规范 （GB50007-2002 ）11）铁路桥涵设计基本

3、规范 （TB10002.12005）12）地下铁道工程施工及验收规范 （GB502991999）2003 年版13）其他相关规范、规程工程概况本工程含区庄站动物园站及动物园站到杨箕站两个盾构区间，盾构始发 井设于杨箕站，盾构机于动物园站过站，盾构吊出井设于区庄站东侧。两区 间均属珠江三角洲平原，沿线路面交通繁忙，为密集的建筑物、高架桥桩基 区，地下管线密布。动物园站杨箕站区间隧道下穿内环放射线黄埔大道 A2标以及内环一梅 东中山立交桩基，同时距东风广场会所及环风变电桩基较近。对该区间 邻近建（构）筑物基础的具体处理措施见广州市轨道交通五号线首期工程 （滘口至文冲段 ）施工图设计动物园站杨箕站区

4、间桩基拖换及地层加固施工 图设计分册。动物园站杨箕站盾构区间为东风路、梅花路、梅东路和中山一路，到达杨箕站。该区间线路包括直线段和2段半径为R200m （左线为R206）和R300（左线为R285m ）。盾构隧道区间起止里程：Y （ Z ） DK12+811.839 YDK13+792.069 （ ZDK13+793.027 ）,右线长度为 980.230m，左线长度为 981.188m。工程地质与水文地质1. 工程地质概述1）岩土分层情况区庄站动物园站杨箕站区间均属珠江三角洲平原，前者地势平坦，后者略 有起伏。两区间主要层相似， 主要有人工填土层、 冲洪积成因的淤泥及淤泥质层、 粉细砂层、中

5、粗砂层、（粉质）粘土层、残积成因的粉质粘土层，总厚度为 3.019.5m，下伏基岩为白垩系上统大塱山组黄花岗（K2d2）的泥质粉砂岩、含砾石 粉岩等，其分布详见“地质纵断面图” 。2）地质构造及地震烈度两区间沿线大地构造均属天河向斜的轴部， 岩层东西走向并向东尖灭， 倾向近 北，倾角较为平缓，两区间地质构造简单，未发现断裂构造，场地相对稳定，抗 震设防烈度 7度。3）隧道穿越的工程地质两区间地层物理力学指标见附表 1，隧道穿越的岩石主要为强风化带 7、岩 石中风化带 8、岩石微风化带 9及岩石全风化带 6。围岩类别划分按现行 地 下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范（GB50307-1999）进行

6、：I类围岩：包括人工填土层1、砂层3-2、淤泥质土 4-2;U类围岩：包括冲洪积土层4-1、残积可塑土层5-1、残积硬塑土层5-2、 川类围岩：包括岩石全风化层6、岩石强风化层7;W类围岩：包括岩石中风化层8;V类围岩：包括岩石微风化层9;两区间隧道穿越的地层围岩类别为川类V类， 以川类和W类为主，其间没有不 良的地质现象，但是下列特点值得关注：（ 1 ） 粉细砂层或泥质粉砂岩区，属于软质岩，泥质成分含量高，强度低， 节理较为发育，遇水时软化，强度降低甚至崩解。（ 2） 沿线穿越地层为红层区， 其岩层都存在遇水软化现象。 这是广州地区 红层风化带的典型特征。同时在红层区的另一个特点为软弱夹层分

7、 布，即在中风化或微风化岩层中发育强风化透镜体， 造成同一剖面中 上下岩层强度差别大， 出现风化不均现象， 夹层的出现与岩性、 裂隙 发育程度和地下水等多种因素有关， 即在软弱夹层区一般是裂隙发育 区，因此基岩裂隙水相对较大。2. 水文地质状况 两区间沿线的地层结构属于二元类型，即上部的第四系地层与下部的白垩纪 风化岩层，因此两区间地下水类型也主要分为两大类型。 上层滞水：主要在上部的杂填土或素填土层当中。 岩基裂隙水：主要分布在第四系地层之下的白垩系陆相沉积的破碎的基岩裂 隙中，水量的大小与基岩的裂隙发育程度及裂隙的连通性有关， 基岩裂隙水同时 具有承压水的性质。地下水对地铁构筑物中的混凝土

8、结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋 无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。设计原则与主要技术标准1. 设计原则1 ） 设计应满足施工、运营、城市规划、抗震、人防、防水、防火、防迷流的要求，以满足各项功能要求。2) 依据周围环境、 建(构)筑物基础和地下管线对变形的敏感程度， 采用妥善可靠的方案和技术措施，将隧道施工、桩基托换等引 起的地面沉降和隆起量控制在规范允许的范围内，确保建(构) 筑物正常使用不受影响。3) 隧道横断面内净空尺寸设计在建筑限界的基础上再考虑适当的 余量，以满足施工误差、测量误差、不均匀沉降以及结构变形4) 结构计算模式的确定， 除符合结构的实际工作条件外， 尚应能反 映结构与

9、周围地层的相互作用。结构设计应符合强度、刚度、 稳定性、抗浮和裂缝开展宽度验算的要求，并满足施工工艺的 要求。5) 装配式构件的尺寸必须考虑加工、 运输和施工的方便， 接头设计 满足受力、防水和耐久性的要求。6) 为便于管片制作、 安装的系列化、 定型化和规范化， 通过规模效 益达到节省投资的目的，管片设计根据各区间段隧道的埋置深 度、工程地质和水文地质条件，采用分段设计、综合设计、分 类统一的原则。7) 区间结构设计应尽量减少施工中和建成后对环境造成的不利影 响，并尽可能考虑城市规划引起的周围环境的改变对地下铁道 结构的影响。2. 主要技术标准1) 结构安全、抗震、人防、防水技术标准(1)

10、结构安全等级一级(2) 抗震设防烈度，抗震等级三级；( 3 ) 人防抗力等级六级；( 4) 防水等级二级；2) 设计使用年限为 100 年3) 线路(1) 线路平面：双轨，规矩1435mm,正线最小允许平面曲线半径200m(困难情况下 150m)。(2) 线路纵断面：区间最大允许坡度 50%。(困难情况下55%。)，正线最小竖曲线半径5000m (困难情况下3000m。4) 限界盾构隧道建筑限界为 5100m m,结合已有盾构机选型要求，采用内径为 5400的盾构管片。5) 地面沉降控制除部分特定情况需要考虑更为严格的控制值，地面沉降应控制在-30mm以 内，在任何情况下最大允许隆起量为+10

11、m m，建筑物的不均匀沉降应小于 有关范围的规定值。6) 混凝土材料(1) 管片混凝土强度等级最小应为 C50,抗渗等级S12;(2) 洞门混凝土等级不低于C30，抗渗等级S10;（3）联络通道初衬采用C20早强焊混凝土，二衬模筑等级不低于 C30,抗渗等级S10。7）钢材（1）钢筋等级 HPB235、HRB335 级；（2）管片连接螺栓性能等级6.8级；（3）预埋件刚才等级Q235级。8）最大裂缝宽度结构裂缝宽度不大于0.2m m,且不得有贯通裂缝。9）联络通道两单线隧道之间，当隧道贯通长度大于 600m时设联络通道，通道两端设双 开启的甲级防火门。10）管片变形管片直径变形控制在4%。D。

12、（ D。为管片外径）以内，环缝张开不大于 2mm（变形缝处于不大于3mm），纵缝张开不大于2mm。11）抗浮验算结构在不考虑表面摩擦力时抗浮安全系数不小于1.05,考虑表面摩擦力时不小于1.15。盾构机选型盾构隧道的成功与否，关键之一是选择好适合地层特征的盾构机。由于盾构机既要穿过 岩层，又要通过软土层，这要求盾构机对地层要具有较广的适应性。盾构机除了要求具有一般 软土地层的所需软土 EPB（土压平衡盾构机）的配置外，还需要具备硬岩TBM（硬岩掘进机）的 特征。动物园杨箕区间选用德国海瑞克公司生产的复合式盾构机，它除具备有EPB的特性外，主要特点是其推力及扭矩大小、刀盘材料和刀具的组合上具有足

13、够的破岩能力。a.盾构外径DD。2（ X t）X:盾尾间隙X X1 X2盾构在曲线上施工和修正蛇行时必须的最小富裕量X1X1学）Do 2(R 2)L2L :盾尾覆盖的衬砌长度，L=2200mmR:最小曲线半径，R=199862mmD0 :管片外径， D0 =6000mm（管片内径取5400mm，厚度为300mm）1 6 0 6 0 2 2X, (199.862)(199.862 )2.2 =0.006m=6mm2 2 Y2管片组装时的富余量 X2根据考虑到管片本身的尺寸误差、拼装的精度、盾尾的偏移等，通常要再取一定的富裕量。各国相近尺寸盾构机外径常用的盾尾间隙(常用 20mm40mm )此处取

14、 X2 =30mmX X, X 2 =6mm+30mm=36mm考虑到安装盾尾密封要占有一定的间隙，管片拼装时可能出现错台等因素，参照国内外同类工程的实验经验，本盾构机盾尾间隙选取X 40mm 36mmb .盾构厚度t盾构厚度根据其尺寸及所受的地层压力而定，在满足强度、刚度的条件下，尽可能的小；类比国内同类工程的实际经验，经过计算，本台盾构机的选取盾壳厚度a=50mm盾尾板的厚度为b=30mm盾尾厚度t=a+b=80mm盾构尾部的外径为： D=6000+2 X( 40+80) =6240为减少盾构机推进时的阻力，将盾构机设计成前部稍大，后部稍小。故：盾构支撑环外径为：6250mm盾构切口环外径

15、为：6260mm刀盘开挖直径为：6290mm二.盾构机长度盾构长度的初步确定依据铰链型盾构长度与切口环、支撑环、盾尾长度及管片宽度有关。也与盾构机的灵敏度有关，盾构机的灵敏度决定着盾构机的方向控制能力及推进的稳定性。灵敏度值愈小，盾构机推进的蛇行现象越严重，但盾构机调整方向越容易；灵敏度值越大，其方向稳定性越好，但弯道推进超挖量大。考虑到本标段的地质特点，根据经验，灵敏度参考值选偏小值，为：D 6m 时匕 0.75D式中：La为盾构机到铰链中心的长度D为盾构机的外径D=6240mmLa =0.75D=0.75 X 6240=4680选取 La =5027mm盾尾计算：长度：Lb = L C L

16、s C L p式中：L,为安装千斤顶的长度，L, =350450mmLs为管片宽度，Ls =1200mmLp为安装盾尾密封材料的长度，取Lp=865mmC为管片组装的余量C=500C为其他余量，C =2550mmMin : Lb =350+500+1200+25+865=2940mmMax: Lb =400+500+1200+50+865=3015mm所以，Lb =2940 3015mm，取 Lb =2950mmL= La + Lb =7977mm盾构重量：类比同类工程，本盾构机的重量选取为340t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。 计算图示如下图：盾构开

17、挖软土地层中推力与扭矩的计算地层参数按6岩层全风化带选取，由于岩土中基本无水，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= Y h+ PP01Fe G/DLR = Pe X 入F2 = ( Pe + Y D式中：入为水平侧压力系数，入=0.47h为上覆土体厚度，h=12.9m3丫为土的容重，丫 =1.94t/ mG为盾构机重量，G=340tD为盾构机外径，D=6240mmL为盾构机长度，L=7977mmP0 为地面上置

18、荷载，P0=2t/m2P01为盾构机底部的均布压力Pi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2Pe=Y h+P0=1.94X 12.9+2=27.026t/ m22P01Pe G /DL =27.026+340/6.24 X 7.977=34 t/ m2R = Re X 入=27.026 X 0.47=12.72P2= ( Fe+ y D )X = (27.026+1.94 X 6.24) X 0.47=18.4 t/ m 盾构机推力计算盾构的推力主要由以下五部分组成：FF1 F2F3 F4F5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

19、土所需要的推力F4为盾尾与管片之间的摩擦力F5为后方台车的阻力Ft =1/4 ( Pe+ P01 + P| + P2 ) DL (in式中：卩：土与钢之间的摩擦系数，计算时取卩=0.3F1=1/4 (27.026+34+12.7+18.4 ) X 6.24X 7.977X 0.3X 3.14=1079.93t2F2=n /4(D Pd)式中：Pd为水平土压力,Pd =入丫( h+D/2 )2Pd =0.47 X 1.94 (12.9+6.24/2 ) =14.60t/ m2F2 =3.14/4 X( 6.24 X 14.60) =446.26t2F3 = n /4( D C)式中：C为土的粘结

20、力，C=4.5 t/ m22F3 =3.14/4 X( 6.24 X 4.5) =137.55tF4 Wcc式中：Wc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32.5 t/m ）管片宽度按1.2m记时，每环管片的重量为：3, Do、2,d、22.5 t/ m X 1.2m X n () - n ()2 2式中：D。为管片外径；D=6.0md为管片内径；d=5.4m既为：3,6.0m 2 z5.4m 22.5 t/m X 1.2m X n () - n () =16.11tc取0.3,则 F4=16.11 X 2X 0.3=9.67tF5 = Gh*sin 0 +

21、g*Gh *cos 0式中：Gh为盾尾台车的重量 Gh160t;0为坡度，ta n0 =0.025g为滚动摩阻，g =0.05F5 160t X 0.025+0.05 X 160X 1= 12.00t综上；盾构总推力为1685.41t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 M6 M7 M 8 M式中：Mi为刀具的切削扭矩M 2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M 4为密封装置产生的摩擦力矩M 5为刀盘前表面上的摩擦力矩M6为刀盘圆周面上的摩擦力矩M7刀盘背面的摩擦力矩M8刀盘开口槽的剪切力矩M9为

22、刀盘土腔室内的搅动力矩a.刀具的切削扭矩MiRoM1Chrdr0M12 (CrhmaxR2)式中：Cr :土的抗剪应力;2Cr C Pd tan 0 =4.5+14.6 x tan20=9.8 t/mhmax :刀盘每转的最大切削深度，hmax=8cm/转R:最外圈刀具的半径，R=3.14m 1 2 2M1(9.8 8 103.14 )3.86t* mb.刀盘自重产生的旋转力矩M2 GR 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=2.6mg :滚动摩擦系数，计算时取为g =0.004M255 2.6 0.0040.57t*mc.刀盘的推力荷载产生的

23、旋转扭矩m3M3 Wp Rg z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 =1.25mWp = anRc2PdRc:刀盘半径，Rc =3.142Pd :水平土压力，Pd =l4.6t/m2Wp 0.70 n 3.1414.6 316.4tM3 =316.4 X 1.25 X 0.004=1.58t*md.密封装置产生的摩擦力矩M4M4m F( n1 Rm1n2Rm2)式中： m :密封与钢之间的摩擦系数，m=0.2F：密封的推力，n1 =3n 2=3Rm1、Rm2 :密圭寸的安装半径，Rm1=1.84m Rm2 =2.26m2 2M4=2 x 0

24、.2X 0.15X( 3X 1.84 +3X 2.26 ) =4.80t*me.刀盘前表面上的摩擦力矩M 5M5 3(pR3Pd)3式中： ：刀盘开口率， =0.30p : 土层与刀盘之间的摩擦系数，p=0.15R:刀盘半径， R=3.195mM52(0.300.15 3.143 14.52)41.96t*mf .刀盘周围圆面上的摩擦力矩M6M62 R2BPZ p式中：R :刀盘半径，R=3.145mB :刀盘宽度，B=0.775mPz :刀盘周围土压力2Pz (Pe PO1 p P2)/4=23.03t/ mM 62 3.14 3.14520.775 23.03 0.15166.30t* m

25、g. 刀盘背面的摩擦力矩M7M72/3(1) R3 p 0.8PdM 72/3(0.70 3.14 3.1453 0.15 0.8 14.6)79.86h. 刀盘开口槽的剪切力矩M8m8 2 c r33式中：C : 土的抗剪应力，因碴土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地取2C=0.01Mpa=1t/ m ,0 =5 2C C Pd tan =1+14.6 X tan5 =2.28t/ m3M 8 =2/3 X 3.14 X 2.28X 3.145 X 0.30=44.54t*mi. 刀盘土腔室内的搅动力矩M 9M92(&2 R；) L C式中：刀盘支撑梁外径，d1=4.8md2 :刀盘支撑梁内

26、径， d2=3.84mL :支撑梁长度，L=0.8m22M9=2 X 3.14 X( 2.41.92 )X 0.8X 2.27=23.65刀盘扭矩为 M1M 9之和M=3.86+0.57+1.58+4.80+41.96+166.3+79.86+44.54+23.65=367.12t*m盾构在硬岩中掘进时的推力与扭矩的计算地层参数按照9层选取，9层为红层微风化带 盘形单刃滚刀的参数如下：直径刃脚 每转切深 刀盘直径d=43.2cm(17英寸),R=21.6cm a =60 h=1cmD=6.24m盘形滚刀刀间距Bm=2htan $ /2式中：0为岩石的自然破碎角，查表选取0=155Bm =2 X

27、 1 x tan 155 /2=9.5cm 10cm1.盾构推力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 需的推力上，所以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，其在选取盾 构机推力的富余量时进行统筹考虑。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力4KdR压（丄才）1 .2Rh h2tg 31.5352式中：Kd为岩石的滚压系数，查表取Kd =0.55R压为岩石的抗

28、压强度；R压=62.3Mpa=623kgri为盘形滚刀的刃脚半径；ri =8cmi为盘形滚刀的半刃脚；i =30 为岩石的自然破碎角；=155 4 0.55 623 Q8 ）0.5（|0）1.4 12 21.6 1 12tg 1|5=24.64tm=D/(2 x Bm)式中：D为刀盘的外径，D=6.24mBm为滚刀的刀间距，Bm =10cm2m=6.24/(2 X 10X 10)=31.2本盾构机设计双刃滚刀19把，合计单刃滚刀38把，满足需要。盾构机总推力：F总mF力 31.2 24.64 768.768t2盾构扭矩的计算硬岩掘进的扭矩主要由以下三个部分组成：T Ti T2 T3式中：T1为

29、刀盘滚动阻力矩计算T2为石碴提升所需的扭矩T3为克服刀盘自重所需要的扭矩a.刀盘滚动阻力矩计算TimTiFBm i 1 mi式中：F为盘形滚刀的滚动力F - . h P力42R h=0.8式中：为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数,F力 =卩力=24.64h为每转切深，h=1cmR为盘形滚刀的半径，R=21.6mm3 1F 0.8 24.64 =2.274 2 21.6 1Bm为盘形滚刀刀间距，Bm =10cm=0.1m42T12.27 0.1 mi 204.99t* mi 1b.石碴提升所需要的扭矩 T22T2=q n R h 1R式中：q为石碴容重，q=2.59t/m3R=3.14mH=1mm/n1 为刀盘系数，1 =0.702T2=2.59 XnX 3.1410.7 3.14176.24t* mC.克服刀盘自重所需要的扭矩TaT3 W1 1R1式中：W1为刀盘自重，W1 =55t1=0.70R=3.14mT3 =55 X 0.70 X 3.14=120