盾构机的关键参数计算方法8

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：①5500mm管片外径：①6200mm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：①g=6200mm盾构尾部的外径为：①6390mm盾体直径为：D0=6410mm钢与土的摩擦系数口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：5316kNm脱困扭矩：6934kNm2、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

①Pel=(Y-10)H2+(Y-10)H3+Y*H1=219.3kPa②Pe2=Pe1-64.5=153.8kPa③q1=p1*X=208*0.5=104kPa④q22二((y—10)*6.45+Pe1)*X=12*6.45*0.5+219*0.5④q22p=G/D*L=320*10/(6.45*8.0)=62.02kPa⑤g0=qe1=qe2⑧qfw1=210kpa⑨qf2=275kpai垂直抵抗土压—［自重抵抗土压—1i垂直抵抗土压—［自重抵抗土压—1—水压—图2.1.6-1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p+q+P+q、F二日(兀DLp+攻)二日(兀DLJ—,i,2_e^-+攻)110w1040.3(3.i4*6.4i*9.55+3317=11047.6kN0.3(3.i4*6.4i*9.55+3317=11047.6kN4

3.14*41.0881/19.3+3.14*41.0881/19.3+153.8+210+275*=13839WF—2*f+qf、+f+fF0e1w1e2w2242(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=Mrx%=0.3x2x3.1416-4x(6.2x6.2-5.5x5.5)x1.5x2.5x9.8=141.8kN4CSMC-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FN*G=0.2*1600=320kN521所需最大推力F=F+F+F+F+F=110476+13839+2700+141.8+320=280484kNmax12345安全系数aF/F=42000/280484=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*D3e1200式中：Te一装备扭矩（kNm）；D0—盾构机外径（m）；。1一刀盘支撑方式决定系数，简称为支撑系数（m）；a2—土质系数；。0—稳定掘削扭矩系数。就中心支撑式刀盘而言，al—0.8〜1；对中间支撑方式而言，al—0.9〜1.2,对周边支撑式而言，a1-1.1〜1.4。对密实砂砾、泥岩而言，a2—0.8〜1；对固结粉砂、粘土而言，a2—0.8〜0.9；对松散砂而言，a2—0.7〜0.8；对软粉砂而言，a2—0.6〜0.7。对土压盾构而言，a0-14〜23kN/m3；对泥水盾构而言，a0-9〜18kN/m3；

对开放式盾构而言，a0=8〜15kN/m3。计算可得：T=a*a*a*D3=1.0*0.9*18*6.41*6.41*6.41=4266.7kNme1200计算可得：根据盾构机设计额定扭矩为5316kNm。脱困扭矩为6934kNm,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冗Tn刀盘驱动所需功率2冗Tn602*3.14*4470*1.460=655kwN655N=—1==770.6kwTOC\o"1-5"\h\z电机所需总功率：n0.85实际电机驱动功率945卜孔945

a==1.2安全系数：770.61.1.1.5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*6.452=32.66m24每环开挖量每环开挖吨数V=A*l=32.66*1.5=48.9加3TP=y*V=2.05*48.99=100.4土掘进系统生产率推进平均速度按匕

=40mm/min计算每环掘进时间l-TvD1500=37.5min40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g8h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200kW,在最大扭矩200kN-m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D0=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=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。D<4mi4mWD<6mi6mWD<8mi8WD<11m20mmi25mmi30mm40mmX2—曲线施工和修正盾构机蛇行所需的间隙。按图2.1.6-3所示，可求得：图2.1.6-3管片间隙计算图图2.1.6-3管片间隙计算图2X2=R1-R1Xcos0,R1=R-D/2,sin0=L/R1TOC\o"1-5"\h\zD:D（R一一）_,■（R一一）2—L2

22化简成：X2=2最小转弯半径R=350m,将R,口代入上式，可得：X2=7mmX=X1+X2=30+7=37mm设计值X=（6310—6200）/2=55mm>37mm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一管片外径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=CX3=6.9kW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。1.1.2后续设备及运输列车1.（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、