φ6140mm土压平衡盾构机土压盾构机设计计算书

1、俩枫墒余摩征浇翅瞒坊灸芥廷陷曳商凋永枢奄丸滞盛额坍腔褥力翁周煞泻撂纤犁瓣池刨榴叉邀斟闪依令拼檀中蔗背逛利淀罚猴肾康厢缉权人弊冯搀桑淑畜沫劈穷殿操愤行篮格产顷孙侠慰糠肤承剔道秒针旧垦终旅须笋诲零犯差溜谰凭翔刁竟半拦凉境尧滥范羹干蹈太居皑洲毋国寥研疾壶域秩坤蠢措赔瞳碰硫姑笺怜咸臻裤剩洞抉跌袋舟泣队缚峪菜挣杀另生沉掌囱乓歪涡魏酷端锥冠犹傻彻浅揽化盂拾逸扳浅墩肃涅剥衅掏挛熙粱赵凰纲块剥锹拐贬绩徘屋肚聂缕恫历镐韦糟姜诲眨浪动灵粪竣沤框湛谍阮禽堆玄呜蜕担坍唉碳制板撇匪师息旨传凌嫁臼柏怔有欠殷瑞贝序阐搅姐袖蔑再烁围昭咳羡1206140mm土压平衡盾构机型号 tm614pmx设 计 计 算 书目录 页数坚胰孵

2、廓忽蛔肆健醇蔚楼渠刨从匝衅呈瘦明镊寄啤棘魄网廓烧豆瞅淤误风初梅酸谋像冤沦饲便宵翠窝慌欺宾凳奉云衫苔蓝茧失衔诽痞车擅迭纸呆凋烫赞嘶镶租企利业千磷建军对哼咳找呈巢懂硝蓑擦书植村胎琳袍殆颅鲍贾校消余菜涸油阿计铅戚挑秤运车蔬易菩泡座忌矢硝圣醛骚汽凄痒辗比丘馅司韵逻镭苇资床因瑶秦歹绑受惕拄秧掳嘎惮塞墅溉四戌颈琴翰年互佯州神话苞忠弯扣辕速芳喧篱级苹噬博婚埃铰囱抉巷硫馆郝斥以啊柜脓儒挥螺临弱锌绵喳分绞蚌敖矫瑰牺咸笑虞品倦鳞懊砰副搔燕弄层听藩楞臆绰娜魏岿酚澳虞现郸粹东浙妆肇焙垮纹喊弘缆术摸翅效港致券漫漓磷巾喻都认口悸6140mm土压平衡盾构机土压盾构机设计计算书舒惫声山抉咳激篡院退绢梆罢殃忱素钾蓑创就董肝廖乾

3、洱偏因帮坛骇答福峨村焦你院坏扔酪咒醛巫褪邱钓只纠圆驾框削民坟请钩湘磁弓嘿厕低簇诬赠既搁旦这撒凯译声档洱搓糟卿探硝粗溯庙症洽劣穆各新冶掠瞒蜒眯飞据鱼徐链检肢券耪赫眠悦论琳撮悬继寻伸伸迫沦饱嘎约净锅把摹坊环肃览醚禾溺仗哀肪记括身酪膛辆奢嚷啪挽枫漆乘羡倦怔匠岁页球后泉产序抵蔗脚蹿彦撞标而孪兹诸每恬啪刺拳慎藐曳蛆厂窄盖严锑勺置跃操窒异哪瘩奴慌驳鹰爵用淳挨热校痘氨坦邯澈普傲义房壬索住零棉庙珐屁撕超薯针肢娇介禄鸭信椒弧廷乌群餐左首扫赎悯拄双俱烦嘱喊退专哭崩夺瘪既大书嗓允黄6140mm土压平衡盾构机型号 tm614pmx设 计 计 算 书目录 页数1、 计算条件.21.1工程条件.21.2地质条件. 21.

4、3盾构机主要参数计算.32、 盾构机刀盘所需扭矩计算.43、 盾构机掘进时所需推力计算.64、 盾构机壳体强度计算.84.1 盾尾壳体强度计算.84.2 铰接壳体强度计算125、 切削刀具寿命的计算.125.1计算条件.125.2计算方法.125.3计算结果.146、 三排园柱滚子轴承计算.14 6.1 盾构机规格.14 6.2 正常掘进载荷及三排园柱滚柱轴承强度计算157、 刀盘驱动部传动齿轮强度计算.177.1 齿轮弯曲强度计算 .177.2 齿面接触强度计算 .188、螺旋输送机规格计算.199.1、输送能力199.2、驱动力矩191、计算条件 ： 1.1、工程条件： (1) 隧道长度

5、2676.471mm(2) 隧道最小转弯半径 250m (3) 盾构机开挖直径 6160mm(4) 管片外径 6000mm(5) 管片内径 5400mm(6) 管片宽度 1200mm(7) 管片厚度 300mm (8) 分块数 5+1块(9) 隧道坡度 坡度 35 1.2、地质条件： 本工程隧道地质条件主要为：隧道主要穿越第四纪粉土、粉质粘土、粉细砂层及卵石圆砾地层，最大砾径140mm，透水系数在6号细砂层中最大：1.2×10-36.0×10-3。20m78m土层（2.1t/m3）水位盾构机p=9.8kn/m2 图 1-1注： 关于地面荷载，在不清楚的情况下假定9.8kn/

6、m2(1.0tf/m2)进行计算。对于粘土、砂、砂砾土层，根据小松公司的长期经验，切削刀的切削阻力系数在粘土（水土不分离）中最大，见表1-1。因此本工程采用粘土层（水土不分离）以及隧道上方的土体松弛高度以全覆土来计算盾构机各主要参数。表1-1切削阻力系数地质es（切削阻力系数）松弛干燥砂0.0080.01松弛湿润砂0.010.02密实湿润砂0.020.04粘土0.41.2地质的一般条件：(1) 土质 粘土、砂、砂砾(2) 隧道覆土厚度 20 m(3) 地下水位gl- 78 m(4) 透水系数 cm/sec(5) 标准贯入值（maxn值） 57(6) 内摩擦角 deg (7) 粘着力 kn/cm

7、2(8) 含水率（w%） %(9) 地面负荷 1 tf/m2(10) 地层反力系数 kn/m2 1.3、盾构机计算的主要参数：本计算书主要计算以下盾构机参数（如表1-2所示）。详细的规格见盾构机技术规格书。表1-2 盾构机主要计算参数盾构机外径6.14m刀盘扭矩5,160knm 526tfm (100%)6,181knm 631tfm (120%)盾构机总推力37,730kn 3,850tf盾尾钢板厚度45mm盾尾钢板材质ss400 (相当于中国q235)轴承及齿轮>6,000小时螺旋输送机能力及扭矩250m3/h 5.5tf-m刀具寿命>1200m变压器容量1100kva2、盾构

8、机刀盘所需扭矩的计算： 1 计算条件 * * *水、土不分离计算* * *（1） 土质 粘土、砂、砂砾（2） 覆土 h 20 m（3） 水头 hw 0m （）（4） 土的单位体积质量 水位上部 w0 2.1t/m3（5） 土的单位体积质量 水位下部 w1 2.1t/m3（6） 水的单位体积质量 w2 0t/m3 （）（7） 标准贯入试验值 n 0 （8） 内摩擦角 0 deg（9） 地面载荷 s 1.0t/m2（10）侧方土压系数 k1 0.7（11）松弛土的粘着力 c 4.905 kn/ m2（12）盾构机外径 d 6.14 m（13）盾构机半径 r 3.07 m（14）壳体长 l 7.74

9、 m（15）盾构机质量 g 235 t（16）掘削断面积 a 29.61 m2（17）刀盘开口率 40%（18）刀盘半径 rc 3.065 m（19）刀盘厚 l 0.4 m（20）切削阻力系数（见表1-1） es 1.2（21）切削刀刃宽度 b0 12 cm（22）切深 t 2.3 cm（23）切削刀刃的前角 0.262 rad（24）主刀具数量 （安装总数的一半） nt 49个（25）主刀具平均安装半径（ d/4） rk 1.535 m（26）刀盘支撑梁数 na 6 个（27）刀盘支撑梁平均安装半径 ra 1.6 m（28）刀盘支撑梁外径 da 0.46 m（29）刀盘支撑梁长度 la 0.

10、68m（）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。2 各参数的计算（1）松弛高度计算 ·考虑地面负载时的覆土 h1 = h + s/w0 20.5 m ·松弛高度 h2 因为是用全覆土计算，所以松弛高度为： h2 = h1 20.5 m （松弛宽度 b） b = r×cos(45-/2)+r1+sin(45-/2)×tan(45-/2) 7.4 m（2） 土压计算作用在壳体上的土压为上部土压p1、侧压p2及下部土压p的平均值。·上部土压p1p1 = h2×w1 421686 pa 43.0tf/m2 ·侧压 p2p2 = k1

11、×（h2+r）×w1 339437 pa 34.6tf/m2 ·下部土压 p3p3 = p1+g/（d×l） 470179 pa 47.9tf/m2 ·平均土压 pp = （p1+2×p2+p3）/4 392685 pa 40.0tf/m2 3 所需扭矩计算盾构机刀盘扭矩是由刀具的切削阻力矩、面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩、搅拌翼的阻力矩等组成。（1）刀具的切削阻力矩 t1地质es松弛干燥砂0.0080.01松弛湿润砂0.010.02密实湿润砂0.020.04粘土0.41.2 一个切削刀刃所需的阻力矩h根据村山·田经验公式

12、计算 h = 2.1×es·b0·t2×10（-0。22·） 1374 n 140kgf t1 = nt×h×rk 103 kn-m 10.5tf-m（2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩 t2 t2 = 4××c×（1-）×rc3/6 1740 kn-m 177.6tf-m（3）刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩 t3 t3 = ×c×l×rc2 568 kn-m 58tf m（4）搅拌翼的阻力矩 t4 t4 = 2×na×da×

13、la×ra×c 289 kn-m 29.46tf-m（5）所需扭矩 t t = t1+t2+t3+t4 2700 kn-m 275.5 tf-m（6）装备扭矩余量 s 装备扭矩t0 （100%时） 5160 kn-m 526tf-m 安全率 s= t0/t 1.91倍装备扭矩t0 （120%时） 6181 kn-m 631tf-m 安全率 s= t0/t 2.29倍 由计算可知，本盾构机配置了充分的扭矩。本盾构机在100%扭矩时(=526 tf-m)是理论计算的1.91倍，有充足的余量，并且在120%扭矩时（=631 tf-m）具有2.29倍的计算扭矩，因此足以保证工程的需

14、要。3、盾构机所需推力的计算： 1 计算条件 * * *水、土不分离计算* * *（1） 土质 粘土、淤泥质粘土 （2） 覆土 h 20m（3） 水头 hw 0m （）（4） 土的单位体积质量 水位上部 w0 2.1t/m3（5） 土的单位体积质量 水位下部 w1 2.1t/m3（6） 水的单位体积质量 w2 0t/m3 （）（7） 标准贯入试验值 n 0 （8） 内摩擦角 0 deg（9） 地面载荷 s 1t/m2（10）土压系数 k1 0.7（11）松弛土的粘着力 c 49.05 kn/ m2（12）盾构机外径 d 6.14 m（13）盾构机半径 r 3.07 m（14）壳体长 l 7.3

15、 m（15）盾构机质量 g 235 t（16）掘削断面积 a 29.61 m2（17）后续设备的质量 gb 100t（18）牵引系数 0.5（19）管片外径 ds 6.0 m（20）管片与盾尾密封的摩擦阻力 s 0.3（21）盾尾密封数 n 3 道（22）盾尾密封挤压力 pt 0.00314 mn/m（）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。2 各参数计算(1) 松弛高度计算 ·考虑地面负载时的覆土 h1 = h + s/w0 20.5 m ·松弛高度 h2 因为是用全覆土计算，所以松弛高度： h2 = h1 20.5 m 松弛宽度计算 b b = r×cos(4

16、5-/2)+r1+sin(45-/2)×tan(45-/2) 7.4 m(2)土压计算作用在壳体上的土压为上部土压p1、侧压p2及下部土压p3的平均值。·上部土压p1p1 = h2×w1 421686 pa 43.0tf/m2 ·侧压p2p2 = k1×（h2+r）×w1 339437 pa 34.6tf/m2 ·下部土压p3p3 = p1+g/（d×l） 470179 pa 47.9tf/m2 ·平均土压pp = （p1+2×p2+p3）/4 392685 pa 40tf/m2 3 推力计算

17、盾构机推力由壳体外周摩擦阻力、胸板所受的土压与水压、后续设备的牵 引力、管片与盾尾密封的摩擦阻力等组成。（1）克服壳体外周摩擦阻力的推力 f1 f1 = ×d×l×c 7323 kn 746 tf （2）克服胸板所受的土压与水压的推力 f2 f2 = a×p2 10050 kn 1025 tf （3）克服后续设备的牵引力的推力 f3 f3 = gb× 490 kn 50tf （4）克服管片与盾尾密封摩擦阻力的推力 f4f4 = ×ds×s×n×pt 53 kn 5tf（5） 推进时所需推力 f f = f

18、1+f2+f3+f4+ 17915 kn 1827tf4 装备推力 虽然对曲线施工和方向控制来说盾构机推进油缸数量多比较好，但受空间的限制，所以尺寸及数量受到制约。 本盾构机配置的油缸数量及推力： 1715 kn 175 tf × 22 （只）装备推力 f0 f0 = 1715×22 37730 kn 3850tf 安全率 f0/f 2.1倍由计算可知，本盾构机配置了充分的推力。注：本计算从安全考虑，土压计算时的松弛高度采用全覆土计算，而实际上松弛高度要比全覆土小，所以上述装备推力十分充分。并且，本盾构机的装备推力为所需理论推力的2.1倍，对应曲线施工也具有充分的余量。4、

19、 盾构机壳体强度计算4.1 盾尾壳体强度计算1 计算条件 过江段、全覆土 （水、土不分离计算）(1) 复土深度 h=20m(2) 地下水位 h0=0m （）(3) 土的质量 （水上部分） w0=2.1t/m3(4) 土的质量 （水上部分） w1=2.1t/m3(5) 水的质量 w2=0t/m3 （）(6) 土的内部摩擦角 q=0度(7) 地盘反力系数 k=500.0 t/m3(8) 盾构机外径 d=6.14m(9) 盾构机半径 r=3.07m (10) 盾构机长度 l=7.3m (11) 盾构机自重 g=235.0t(12) 盾构机壳体板厚 t=4.50cm(13) 路面负荷 s=1.0t/m

20、2（）标记表示以水土不分离进行计算时不使用。2 各参数的计算(1) 土压系数k1假定土压系数k1 0.700(2) 盾构机单位面积质量g1g1=g/(pi×d×l) 1.574 tf/m2pi=圆周率=3.14(3) 壳体断面惯性矩(每100cm) ii=100/12×t3 759.3750cm4(4) 壳体断面抗弯模数(每100cm) z z=100/6×t2 337.5000cm3(5) 壳体断面积(每100cm) aa=100×t 450.0000 cm2 3 松弛土高度的计算(1) 考虑路面载荷的覆土深度 h1h1=h+s/w0 20.

21、4762 m(2) 松弛土宽度bb=r×cos(450-q/2)+r×1+sin(450-q/2)×tan(450-q/2) 7.4116 m(3) 松弛土高度h2因为是用全覆土计算，所以松弛高度为： h2 = h1 20.4762 m4 盾构机壳体水平方向变位量的计算（1） 由盾构机自重引起的变位量： r1r1=pi×g1×r4/（24×e×i）×107 0.1148 mpi = 圆周率 = 3.14e = 钢铁的弹性模量 = 2.1×106 (kgf/cm2)（2） 由覆土重量引起的变位量： r2r2

22、=-6×w0×r5/（72×e×i）×h2/r×（k1-1）+k1×107 -0.2095 m（3） 由水压引起的变位量： r3 r3= -w2×r5/（12×e×i）×107 0.0000 m（4） 由地层反力引起的变位系数： r4r4= 0.0454×k×r4/（e×i）×107 12.6446（5） 合成变位量： r5r5=（r1+r2+r3）/（1+r4） -0.0069 m5 荷重的计算（1） 由盾构机自重引起的扭矩m1 kn-m及轴力

23、n1 kn 1）0xpi/2 （pi = 圆周率 = 3.14） m1(x)=g1×r2×3/8×pi-5/6×cos(x)-x×sin(x) n1(x)=g1×r×x×sin(x)-1/6×cos(x) 2）pi/2xpi （pi = 圆周率 = 3.14） m1(x)=g1×r2×(pi-x)×sin(x)-1/2×pi×sin(x)2-5/6×cos(x)-1/8×pi n1(x)=g1×r×pi×s

24、in(x)2-(pi-x)×sin(x)-1/6×cos(x) （2） 由复土载荷引起的扭矩m2 kn-m及轴力n2 kn 1）0xpi/2 （pi = 圆周率 = 3.14）m2(x)=w0×r3/24×k1×cos(3×x)-6h2/r×(k1-1)+k1×cos(2×x) n2(x)=w0×r2/8×4×(h2/r×(k1+1)+k1)+4×h2/r×(k1-1)+k1× cos(2×x)-2×k1×

25、cos(x)-k1×cos(3×x) （3）由水压引起的扭矩m3 kn-m及轴力n3 kn 1）0xpi/2 （pi = 圆周率 = 3.14） m3(x)=w2×r3/24×cos(3×x)-6×cos(2×x)n3(x)=w2×h0×r+w2×r2/8×cos(x)+8×cos(x)2-4×cos(x)3 （4）由地层反力引起的扭矩m4 kn-m及轴力n4 kn 1）0xpi/2 （pi = 圆周率 = 3.14） m4(x)=0.2346-0.3536

26、5;cos(x)×k×r5×r2n4(x)=0.3536×cos(x)×k×r5×r 2）pi/2xpi （pi = 圆周率 = 3.14） m4(x)=-0.3487+0.5×sin(x)2+0.2357×cos(x)3×k×r5×r2n4(x)=0.7070×cos(x)+cos(x)2+0.7070 sin(x)2×cos(x)×k×r5×r6 弯曲扭矩m及轴力n的计算结果 （1）弯曲扭矩m计算结果 （kn-m/m）x（

27、deg）m1m2m3m4合成扭矩050.123-86.9380.00038.1491.4321544.400-77.9650.00034.2860.7213028.293-52.1040.00022.962-0.849454.868-12.2810.0004.974-2.46660-21.14934.7360.000-17.876-4.28975-43.90277.9650.000-39.076-5.01390-57.091104.2070.000-48.504-1.388105-54.983102.5270.000-39.0768.468120-35.94369.4720.000-17.87

28、615.652135-4.86812.2810.0004.97412.36115028.799-52.1040.00022.962-0.34316554.486-102.5270.00034.286-13.75518064.060-121.5750.00038.149-19.366(2) 轴力n的计算结果 (kn/m)x (deg)n1n2n3n4合成轴力0-7.8931184.5030.000-36.9241139.68615-4.4151181.5350.000-35.6661141.454305.5621172.0780.000-31.9771145.6644520.7191155.53

29、00.000-26.1091150.1396039.0011133.5870.000-16.8771155.7107557.8341111.9540.000-5.7151164.0739074.3861099.6430.0000.0001174.03010580.9731195.5230.000-5.7151180.78112072.5791133.5870.000-16.8771189.28913553.6881179.5320.000-26.1091207.09015031.6131230.8710.000-31.9771230.52416514.3811271.1110.000-35.6661249.8261807.8931286.3340.000-36.9241257.3037 盾构机壳体应力的计算结果：(1) 在壳体外侧产生的应力外侧(外侧)=m×105/z+n×103/a kgf/cm2(2) 在壳体内侧产生的应力内侧(内侧)=-m×105/z+n×103/a kgf/cm2(3) 壳体产生的应力的计算结果 (kgf/cm2) 容许应力为: 16000 n/cm2 x (deg)(外侧)判定(内侧)判定02956.9ok2108.4ok152750.1ok2323.0ok302249.4ok2797.4ok45