盾构机受力计算及始发结构设计

1、湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】盾构机受力计算及始发结构设计【 内容提要 】本文重点从分析盾构机在始发阶段的受力入手， 设计盾构机的始发设施 （始发托架、 反力架）及其固定，提出对盾构机掘进参数的控制要求。【关 键 词】 隧道、盾构、始发、始发托架、反力架前言随着技术进步、综合国力的增强，盾构法越来越多地被国内地铁界 所接受，上海、广州、南京、北京、深圳、天津、西安、成都、沈阳、 杭州、青岛等城市都使用这种方法。上海地铁是国内最早采用盾构施工 的，且大部分工程都是利用盾构完成的。虽然盾构有许多成功的工程实 例，但是使用这种方法也有较大的风险。而且使用盾构，在对洞口进行 加固处理的始

2、发阶段出问题的概率很高，即使是非常有经验的承包商也 常会发生类似事故。本文从盾构机在始发阶段的受力入手，设计盾构机的始发设施（始 发托架、反力架）及其固定，提出对盾构机掘进参数的控制要求。1 工程地质情况简介成都地铁 1 号线一期工程盾构施工 2 标，人民北路站至天府广场站 盾构区间，第一台盾构机从始发井（右线）南端向南始发掘进，到达天 府广场站调头至左线，再从左线向北始发，到达骡马市站后盾构机过站， 到达文武路站后盾构机转场，到人民北路站吊出完成左线盾构掘进；第 二台盾构机从始发井（右线）北端始发到达骡马市站过站，到文武路站 转场，到人民北路站吊出完成右线盾构掘进，见图 1 线路平面示意图。

3、 整个盾构区间左、右线盾构吊装与拆除 4次、调头 1次、过站 2 次、转第 1 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】场 2 次。成都地铁人 - 天区间两台盾构机在右线始发井各有一次盾构始发 起点，总共 7 次始发，根据每次各 100m的始发掘进地段的地质条件和线 路平、纵断面设计，分析盾构机的掘进受力，对于正确设计、固定盾构 机的始发设施，合理提出始发阶段盾构机掘进参数的控制是十分必要的。图 1 线路平面示意图2 盾构机始发阶段的受力2.1 盾构机始发前的受力始发前盾构机处于 +0.6845%变坡点附近，整个盾体支承在始发托架 上，盾构主机仅有重力 G 约 3200kN

4、 作用在始发托架上，重心距刀盘面 约 2.7m，刀盘悬臂置于托架前端，托架前端离始发掘进面（围护结构外 侧面）约 1.8m。始发井盾构始发设计负 7 环始发，负 7 环端面靠紧反力 架的反力环面，负 7 环另一端成为 30 个推力油缸的支撑面，提供掘进支 撑反力，盾构机始发前受到始发托架两个导轨的支撑反力。2.2 盾构机的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。本标段选择的计算断面位置为 YCK6+200 处。根据招标文件第 2 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】和地质堪察报告按盾顶埋深 20 m，地下水位埋深按 2m，盾构穿

5、越地层按 卵石土地层进行核定。2.2.1计算参数管片内径： 5400mm管片外径： 6000mm管片厚度： 300mm管片宽度： 1500mm覆土厚度： 20m水头压力： 180kPa土容重： 23kN/m3土的侧压力系数： 0.2盾构机重量： 320t盾构机盾壳长度： 8.16m管片外径： g=6000mm盾构尾部的外径为： 6230mm盾构刀盘直径为： D 0 6250mm钢与土的摩擦系数 1 0.3车轮与钢轨之间的摩擦系数 2 0.15每一滚刀的容许负荷 pr 250kN后配套系统 G1200t最大推力 F： 34210kN额定扭矩： 4300 kNm第 3 页 共 17 页湖北省路桥集

6、团盾构机受力计算及始发结构设计】脱困扭矩： 5200 kNm2.2.2盾构荷载计算松动圈土压，见图 2 荷载计算简图按覆土厚度 H0=20m 计算Pe1=(-10)H0=(23-10)*20=260kPaPe2=Pe1-60=200 kPa qe1 pe1 *162* 0.2 32.4kPa qe2 ( 10)* (20 6.25) * 13* 26.25* 0.2 68.25kPa pg G/D0 * L 320*10/(6.25* 8.16) 62.75kPa qfe1 qe1 qfe2 qe2 qfw1 180kpa qfw2 242kpa水水 压平 土 压水压垂直土压垂直抵抗土压自重抵

7、抗土压水压第 4 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】图 2 荷载计算简图2.2.3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) 、由滚刀 挤压破岩力、管片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力。 2.2.3.1盾构外壳与土的摩擦力F1 1( D0Lpw w) 1( D0L pe1 qe1 pe2 qe2 w)4260 32.4 200 68.250.3(3.14 * 6.25* 8.163200) 7693.7kN42.2.3.2盾构推进阻力(正面阻力)2D0 qfe1 qfw1

8、qfe2 qfw2 3.14* 39.0625 32.4 180 68.25 242F2* * 8013.3kN4 2 4 22.2.3.3由滚刀挤压产生的阻力F3 pr * n 250* 35 8750kNn-滚刀数量按正面有 35 把计算2.2.3.4管片与盾尾的密封阻力F4 MC WS 0.3 2 3.1416 4 (6 6-5.4 5.4) 1.5 2.5 9.8 118.5kN MC-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2.2.3.5后方台车的牵引阻力F5 2 *G1 0.15* 2000 300kN所需最大推力Fmax F1 F2 F3 F4

9、F5 7693.7 8013.3 8750 118.5 300 24875.5kN第 5 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】安全系数F /Fmax 34210/ 24875.5 1.37结论：根据分项计算推力的安全系数达到 1.37，可以满足掘进的需 要；始发时每一个滚刀挤压产生的负荷按 150kN 计算，则 F3=150*35=5250kN，盾构机在始发井的反力架的承载能力应大于 F2+F3+F4+F5=8013.3+5250+118.5+300=13681.8 kN，反力架按承载 15000 kN 设计。3 始发托架的设计3.1 始发托架的用途及受力3.1.1始发

10、托架的用途 始发托架用于组装盾构机主体和支撑组装好的盾构机主体，并且可 使盾构机处于理想的预定进发位置（高度、方向）上，确保盾构机始发 时掘进稳定，同时始发托架还可以用于盾构机到达吊出井时的接收托架 和过站时的横移、纵移托架。3.1.2始发托架的受力 始发托架受到盾构机的重力、掘进扭矩和管片固定及管片重力。3.2 始发托架设计及固定3.2.1 始发托架高度的确定盾构中心线与轨面线的距离为 1860mm，轨面线与始发井底板的距离第 6 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】为 1590mm，故盾构中心线与始发井底板的距离为 1860+1590=3450mm， 预留 20mm

11、 找平高度，设计盾构中心线与始发托架底面的距离(含以后 调头、过站时在托架底部焊接 20 mm 厚的钢板)为 3450-20-=3430mm。 3.2.2始发托架长度的确定设计零环管片进入盾构隧道洞门 600mm(在 400-800mm 范围内 )，反 力架的反力环端面距零环管片进入隧道洞门端面的距离为 15003 7+(1500-600)=11400mm,这中间安装了 7 环负环管片。 始发托架的长度 = 反力环端面距零环管片进入隧道洞门端面的距离 (11400mm)-洞门前排水 沟的宽度 (1000mm)-托架距反力环端面的距离 (200mm)=10200mm。 3.2.3始发托架导轨的确

12、定盾体支撑采用 43kg/m 重轨，重轨截面中心线过盾体中心 ,并且垂直于 轨面,轨面距盾体中心 R3125(即前盾外径尺寸 6250的一半 ),中盾安装时用 铝板或铜板垫平 ,垫平厚度为 3125-62402=5mm；后盾安装时也用铝板 或铜板垫平 ,垫平厚度为 3125-6230 2=10mm。3.2.4 两重轨之间夹角的确定设盾构机重量为 G ，重轨给盾体的支撑力为 N1,N2,截面受力分析如 下，设两重轨界面中心线过圆心的夹角为 ?G= N1 Cos?/2+ N2 Cos?/2=2 N1 Cos?/2N1 Sin ?/2= N2 Sin?/2故 N1 =G/ 2 Cos?/2 为了使

13、N1 小，Cos?/2 就取大， ? 角就越小越 好。选 ? 角为 50。 G= 320t, 于是 N1 =320/ 2 CoS25=177t第 7 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】如图 3 盾构机静载受力所示：图 3 盾构机静载受力图3.2.5始发托架结构的确定盾体 (前盾)外径距始发托架底面的距离为 3430-3125=305mm,故始发 托架底部支撑采用热轧 H 型钢(GB/T 11263-1998)H 2503 250 材料。两 侧的重轨支撑采用 3个30mm厚钢板与 H 2503 250型钢一起焊接的方式。 3个30mm厚钢板焊接成的工字形支架横向焊两个

14、30mm厚的加强筋板 , 筋板纵向间隔 890mm(即 H 2503 250 型钢的中心线上 );纵向焊两个 20mm 厚钢板形成箱形结构。重轨焊接到连接板的表面 ,连接板通过高强度螺栓 与工字形支架连接， 在重轨纵向的方向上每隔 500mm焊两个 20mm 的三 角形加强筋板。 管片支撑架采用 H 型钢 1503 150 材料，焊成三角形与底 部支撑(H2503 250)一起与盾体底部支架通过两个 30mm 厚的法兰板用 M24 的高强度螺栓相连。 管片支撑架的支撑面与管片之间有 200mm 的距 离，中间通过木楔子撑紧。始发托架主体分为 10 个部分，纵向从中间一分为二，由两个 30mm

15、厚的钢板用高强度螺旋连接。横向分为 5个部分，中间由两个 30mm 的第 8 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】法兰板用高强度螺栓相连。等主体连接好后，将重轨及连接板与主体栓 接。管片支架安装时，先把支撑三角架分别与底座端头用两个 30mm 厚 钢板相连，然后把管片垫板用高强度螺栓连到支撑三角架上。始发架底 架 H2503 250 型钢之间，中间连接板两侧用 14a 槽钢焊接加强，用两个 14a 槽钢斜撑焊接在重轨支架底部与中间槽钢下方， 斜撑纵向夹角 55。 盾体组装时用千斤顶顶推来实现，盾体总重按 320t 设计，重轨表面涂抹 黄油润滑，有润滑钢对钢的摩擦系数为

16、0.1,所需要的推力 3203 0.1=32t。 利用两台 85t 千斤顶可实现盾体平移组装。 千斤顶挡板采用 30mm 厚钢板 焊接成 L 型，后面加一支撑的方式。千斤顶挡板支架采用 H 型钢 2503 250材料，与底部支撑 H 型钢栓接在一起。千斤挡板与挡板支架间用 M24 高强度螺栓固定。3.2.6洞口始发导轨的安装 在围护结构破除后，盾构始发架端部距离洞口围岩必然会产生一定 的空隙，为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构“叩头”现 象，需要在始发洞内安设洞口始发导轨。安设始发导轨时应在导轨的末 端预留足够的空间，以保证盾构在始发时，不致因安设始发导轨而影响 刀盘旋转。3.2.7

17、 重轨支撑强度校核支撑架的工字型支架按 H2503 250 型钢简化成简支梁计算 因为每个重轨承受盾体的力为 177t。所以支撑架中的承重加上重轨及其他部件的总量约为 200t。支撑架长度以 10m 来计算第 9 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】每米支承架的承受力 P=200t/10=20t=200kN(1t=10kN)受力见图 4 支撑架的剪力图弯矩图：支反力 RA=RB=P/2=200kN/2=100kN 最大变距在距两端 500m 处。Mmax=R A 3 0.5=1003 0.5=50kN.m惯性矩 I Z=Ay2dA =1/33 A 3 y3=1/33 9

18、2.183 12.53 =60013cm4 最大弯应力 max = Mmax2 y/ I Z=50kN.m3 1.25m/600133 10-8 m4 =503 103N.m3 1.25m/600133 10-8 m4=104MPa 故满足要求图 4 支撑架的剪力和弯矩图3.2.8根据以上分析设计的始发托架见图 5 始发托架主视图和图 6始发托架俯视图第 10 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】钢轨焊接板连接螺栓 41R3125296589010=8900140 140390技术说明：1、本图长度单位为毫米，重量单位为千克。2、图中所有孔的直径均为 26，用M24的高

19、强度螺栓 (性能等级为 8.8S) 连接，所有连接板间的螺栓孔配钻。3、始发托架整体在横向上一分为二，在纵向上分为五块，共 计分为十个部分，这十个部分用螺栓连接。将钢轨及筋板焊接 到钢轨连接板上，将钢轨连接板、千斤支撑架和管片水平支撑 架用螺栓连接到相应位置。4、图中焊接处均按现行国家( GB324-88)进行。线过圆心且垂钢轨焊接板13)底架4)管片支架底撑底架水平支撑43kg 重轨10900-01-09钢轨支架加强板800-01-08980.2GB/T700-1988连接板400-01-04管片支架底撑1754.4管片支架竖撑2管片支架斜撑100-01-01管片水平支撑325.4650.8

20、序号代号名 称数 量材 料备 注中铁十三局成始发架主视图都地铁项目部标记处数分区更改文件号设计标准化重量比例209411:1审核SFJ00-01工艺批准共 4 张第 1 张图 5 始发托架主视图第 11 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】图 6 始发托架俯视图3.2.9始发托架的固定始发托架的水平位置固定原则：在设计隧道转弯半径较大时，始发托架的中心在设计隧道中心线盾 构机始发点的切线反向延长线上；在设计隧道转弯半径较小时，始发托 架的中心在盾构机始发点和前八米的设计隧道中心线两点的反向延长线 上。始发托架的中心要与隧道纵曲线平行。始发托架支撑盾构机的两纵梁（导轨）

21、，托架底部需要与始发井底面 的预埋钢板焊接在一起第 12 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】防止盾构机始发时托架的移动。4 反力架的设计4.1 反力架的用途反力架是用来提供盾构机始发时的反力的。4.2 横梁校核反力架的主体结构是采用 30mm厚的钢板焊接成 H 型钢，截面尺寸 为 10003 300 ，四根承压梁之间用高强度螺栓连接，反力架总推力按 1500t(15000kN)设计，每根梁承受压力为 375t，以上部横梁简化成简支梁 计算：因为横梁每隔 1000mm间距焊两个 30mm 厚钢板增加强度，取中间 一段，承受均布载荷 P=375t 计算，求出反支力 RA=

22、RB=1/2P=375t/2=187.5t=1875kN最大弯矩 Mmax=18753 0.5=937.5kN.m横梁截面面积 A=3003 303 2+303 (1000-60) =46200mm2 =462cm2惯性矩 I Z=Ay2dA =498000cm4最大弯应力 max = Mmax3 y/ I Z=937.53 103 N.m3 0.5m /4980003 10-8 m4=943 106 N/m2=94MPa 故满足要求第 13 页 共 17 页湖北省路桥集团盾构机受力计算及始发结构设计】4.3 反力架结构的确定反力架竖梁下方部位用 M24 的高强度螺栓通过法兰盘连接，横梁竖 梁

23、斜梁之间通过 M24 螺栓连接。反力架竖梁底部钢板与始发底面预埋钢 板焊接,并在底部钢板后面焊上 20mm 厚的钢板(或三角形立筋)消除剪 切力。同时也降低反力架提供反力时上窜的力。基准环采用两个 30mm 厚的环型面板 ,面板之间焊接两个环型立板 ,在两立板之间的圆周上每隔 18均匀焊接 30mm 厚的筋板。基准环从中间一分为二 ,分别焊接到两个 20mm厚的钢板上，焊接板通过 M24 的高强度螺栓连接到反力架上 ,反力 环与反力架的中间部位通过八个 30mm 厚的钢板用螺栓压紧。反力环内 圈设有 K 孔，用于管片纵向螺栓经过 ,管片的螺栓连接数量为 10 个，通 过反力环上的 K 孔(20

24、03 180)连接到钢环板上， 10 个螺栓孔均布在反力 环面板直径为 =5640mm 的圆上。4.4 反力架的安装及固定反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长 度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定。在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架的安装。安装时反 力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗 压强度。由于反力架和始发托架为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空 间姿态，在安装反力架和始发托架时， 反力架左右偏差控制在 10mm 之 内，高程偏差控制在 5mm 之内，上下偏差控制在 10mm 之内。始发第 14 页 共 17 页湖北省路桥集

25、团盾构机受力计算及始发结构设计】托架水平轴线的垂直方向与反力架的夹角 2，盾构姿态与设计轴线 竖直趋势偏差 2，水平趋势偏差 3。反力架竖梁后面留有 48个螺栓孔 ,用于支撑连接。 支撑采用钢管材 料，钢管外径 600mm，壁厚 14mm。钢管中间部位焊接环形钢板增加抗 弯强度,在环形钢板与钢管之间焊接三角形筋板加强，焊接管纵向焊缝为 V 形坡口 ,钢管两头焊接 30mm 厚钢板，与反力架竖梁和车站边墙的预埋 钢板连接,钢管纵向对接焊缝为 II 级，端头手腿部分角焊，焊缝为 II 级， 其余为 III 级。焊接钢管的加工精度为椭圆度不应大于 2D/1000（D 为钢管 直径）。4.5根据以上分析设计的反力架见图 7 反力架总图和图 8 反力架钢环板图100032010毫米厚加强筋