盾构机推力扭矩计算依据

6.34m土压平衡d1型地铁盾构

（液压系统）

计

算

书

Ф6340土压平衡d1型盾构推力扭矩计算书

2．设计依据

Φ6.34m土压平衡盾构掘进机的设计根据上海地区的软土地质条件和工程条件进行，土质主要包括灰色淤泥质粘土层、灰色粘土层、粉质粘土、砂质粉土等。

2.1 地质条件

隧道需穿越的地层主要是灰色淤泥质粘土层、灰色粘土层、灰色粉质土层，其特点：饱和、流塑，属高压缩性土，受扰动后沉降大，易发生流砂。（见图一）其主要力学指标：

a．平均值：N＝2～8

b．内摩擦角：Φ＝7.5°～19.5°

c．凝聚力：C＝4.0～25.0kpa

d．渗透系数：K V20＝1.77×10－5～1.58×10－4cm/sec

K H20＝2.02×10－5～2.49×10－4cm/sec

3.2 推进系统

3.2.1盾构的载荷条件及盾构总推力

3.2.1.1盾构的载荷条件

盾构在地下推进时，盾构壳体所受荷载基本有以下几种：垂直土压、水平土压、地下水压、土体抗力、自重、地面荷载、施工荷载、其它荷载。

图四给出了盾构外周以及正面受力情况，盾构受力主要由土压和水压构成。地面荷载由实际情况来定，计算时一般取20kN/m3。

g w1

P w2—底部垂直水压(kN/m2)； q e1—顶部土体侧压(kN/m2)；

q e2—底部土体侧压(kN/m2)； q w1—顶部侧向水压(kN/m2)；

q w2—底部侧向水压(kN/m2)； q fe1—顶部水平土压(kN/m2)；

q fe2—底部水平土压(kN/m2)； q fw1—顶部水平水压(kN/m2)；

q fw2—底部水平水压(kN/m2)。

其中q fe1=q e1，q fe2=q e2，q fw1=q w1，q fw2=q w2。

垂直土压： P e1=W0+γt H0+γ'H w（1）式中： W0—地面荷载(kN/m2)； H0—地下水位高度(m)；

H w—H-H0； H—覆土厚度(m)；

γt—地下水位上部的土体容重(kN/m2)；

γ'—地下水位下部的土体容重(kN/m2)。

土体抗力的计算与垂直土压的计算相似。

水平土压（土体侧压）的计算可把垂直土压乘上侧压系数λ求出，即

q e=λP e（2）

水压通常指地下水位以下的静止水压，即

P w=γw H w（3）依据上述情况可以计算盾构在推进过程中的受力进而可以计算盾构推进所需推力。

3.2.1.2盾构施工中所需总推力

决定盾构的推力主要有下面几个因素：盾构外围（壳体）与土体之间的摩擦力、工作面推进阻力（作用在盾构刀盘的正面阻力）、推进中切口插入土中的阻力、管片与盾尾之间的摩擦力、方台车的牵引阻力、变向阻力等。

根据具体机械及施工情况选取以上因素进行相加，再考虑一定的安全系数即可求出盾构所需的总推力。下面针对实际情况对盾构所需总推力进行计算： 1)、盾构外围（壳体）与土体之间的摩擦力F 1 (参见盾构受力示意图四)

(a)在砂性土中

（4）

(b)在粘性土中

F 1=πD L C (5) 式中 D —盾构壳体外径(m)； L —盾构壳体长度(m)；

W —盾构自重(kN)；

μ1—盾构壳体与土体之间的摩擦系数（一般取0.3-0.5）； C —土体内聚力(kN/m 2)；

由式（1）、（2）、（3）进行计算，结果见下表。

表1 盾构外周及正面作用的土压及水压（kN/m 2）

2)、工作面推进阻力（作用在盾构刀盘的正面阻力）

该阻力是盾构推进中作用在盾构正面的土压和水压，考虑到阻力最大值的情况，即盾构推进中受到的阻力是被动土压。

（6）

（7）

式中 D 0—盾构刀盘最大外径（m ）； k p —被动土压力系数； θ—盾构开口率； φ—土的内摩擦角（度）。 3)、管片与盾尾之间的摩擦力

()

θπ-??+++?

=

14

4

2

2112

02p fw fe fw fe k q q q q D F ?

??

?

?

+=2452φοtg k p 1

212114μπ??

?

??++++=W q q P P DL F e e e e

管片在脱出盾尾过程中产生的摩擦力，由下式计算：

（8）

式中 W p —盾尾内管片的重量（kN ）；

μ2—盾尾与管片之间的摩擦系数（一般取0.3-0.5）。 4)、后方台车的牵引阻力

（9）

式中 G 1—后方台车重量；

μ3—台车车轮与钢轨之间的摩擦系数。

综合考虑以上各阻力，可得出盾构推进总推力计算式：

F=F 1+F 2+F 3+F 4 (10)

由式（4）、（6）、（7）、（8）计算各F 值，计算结果见表2。

表2 盾构所受阻力

×1.55=35200kN 。

综上所述，盾构推进采用双联油缸共16组，每组2只油缸，每只油缸1100kN 推力，总推力为35200kN 。

5〕 主要参数（计算结果）

a 、刀盘切削直径 DD ＝6.21 m

b 、刀盘转速 n ≤3 r/min

c 、推进速度 V ＝2.7 m/h

d 、总推力 F ＝1225 t

e 、总扭矩 M ＝222.8 t.m

软土和砂土地质的盾构，切削刀盘扭矩的计算主要考虑以下几方面的扭矩：

1)、由土体阻力产生的扭矩

a 、由土体的抗剪力产生的扭矩：

2

3μ?=p W F 3

14μ?=G F

T1=πD3/12((Q fe1+Q fe2)tgΦ/2+C) （t?m）

b、切削刀头的切削扭矩：

T2=d2×Vs×q u（t?m）

c、与土体之间的摩擦阻力扭矩：

T3=πD3/12×Qθμθ/360 （t?m）

d、其他的如刀盘外圈部位的磨擦阻力、土的搅拌阻力等。

2)、机械阻力的扭矩：

a、轴向荷载的扭矩：

T4 = F t r t μt（t?m）

b、径向荷载的扭矩：

T5 = F r r r μr（t?m）

确定盾构装备扭矩应综合考虑以上各扭矩的作用，而T1和T3为主要因素，且T1和T3均与盾构直径的三次方（D3）成正比，因此，惯用的计算式为：

T = α?D3(α为扭矩系数)

=1.6×6.143

= 370.4 t?m

此类型盾构α扭矩系数一般取α =1.6