(完整word版)盾构机推力计算.doc
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盾构主要参数的计算和确定1、盾构外径:盾构外径D=管片外径D S+2(盾尾间隙δ+盾尾壳体厚度t)盾尾间隙δ--为保证管片安装和修复蛇行,以及其他因素的最小富余量,一般取25—40mm;结合五标地质取多少?2、刀盘开挖直径:软土地层,一般大于前盾0—10mm,砂卵石地层或硬岩地层,一般大于前顿外径30mm,五标刀盘开挖直径如何确定的?3、盾壳长度盾壳长度L=盾构灵敏度ξx盾构外径D小型盾构D≤3.5M,ξ=1.2—1.5;中型3.5M<D≤9M,ξ=0.8—1.2;大型盾构D>9M;ξ=0.7—0.8;4、盾构重量泥水盾构重量=(45---65)D2,由于本线路存在线下溶土洞的可能,再掘进中能否通过此核算,盾构主机是否沉陷?5、盾构推力盾构总推力F e=安全储备系数AX盾构推进总阻力F d安全储备系数A---一般取1.5---2.0。
盾构推进总阻力F d=盾壳与周边地层间阻力F1+刀盘面板推进阻力F2+管片与盾尾间摩擦力F3+切口环贯入地层阻力F4+转向阻力F5+牵引后配套拖车阻力F6盾壳与周边地层间阻力F1计算中,静止土压力系数或土的粘聚力取盾体范围内的何点的?刀盘面板推进阻力F2,对于泥水盾构或土压盾构土仓压力如何确定的?管片与盾尾间摩擦力F3中,盾尾刷与管片的摩擦系数取偏大好吗?盾尾刷内的油脂压力如何定?计算中土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算?6、刀盘扭矩刀盘设计扭矩T=刀盘切削扭矩T1+刀盘自重形成的轴承旋转反力矩T2+刀盘轴向推力形成的旋转反力矩T3+主轴承密封装置摩擦力矩T4+刀盘前面摩擦扭矩T5+刀盘圆周摩擦反力矩T6+刀盘背面摩擦力矩T7+刀盘开口槽的剪切力矩T8刀盘切削扭矩T1中的切削土的抗压强度q u如何确定?刀盘轴向推力形成的旋转反力矩T3计算中土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算?,刀盘圆周摩擦反力矩T6计算中,土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算?刀盘背面摩擦力矩T7中土仓压力P W如何确定?7、主驱动功率主驱动工率储备系数一般为1.2---1.5,主驱动系统的效率η如何确定?8、推进系统功率推进系统功率W f=功率储备系数A W X最大推力FX最大推进速度VX推进系统功率ηW功率储备系数A W一般取1.2---1.5, 最大推力F、最大推进速度V如何定?推进系统功率ηW=推进泵的机械效率X推进泵的容积率X连轴器的效率9、同步注浆能力每环管片理论注浆量Q=0.25X(刀盘开挖直径D2—管片外径D S2)X管片长度L推进一环的最短时间t=管片长度L/最大推进速度v理论注浆能力q=每环管片理论注浆量Q/推进一环的最短时间t额定注浆能力q p=地层的注浆系数λX理论注浆能力q/注浆泵效率η地层的注浆系数λ因地层而变一般取1.5---1.8。
TBM力的计算范文TBM(Thrust and Boring Machine)力的计算是指在盾构工程中,计算盾构机在推进过程中所需的推力大小。
推力是盾构机推进的核心参数之一,它直接影响到盾构机的推进速度和施工效率。
在盾构机推进过程中,推力的计算一般依据以下几个因素:2.导轨的摩擦力:盾构机在推进过程中,会沿着导轨前进。
导轨与盾构机之间的接触面会产生一定的摩擦力,阻碍盾构机的前进。
通过计算摩擦力的大小,可以确定所需的推力。
3.土层的摩擦力:盾构机推进时,还要克服土层的摩擦力。
土层的摩擦力取决于土壤的抗剪强度和土与盾构机之间的接触面积。
通过计算土层的摩擦力,可以确定所需的推力。
以上三个因素是影响推力计算的关键因素。
下面以一个实际的案例来进行详细说明。
假设盾构隧道的里程为1000米,隧道直径为8米,地层深度为50米。
根据地质勘探资料得知,该隧道区间土层主要由黏土组成,抗剪强度为100kPa。
已知导轨与盾构机之间的摩擦系数为0.05、根据勘探资料,地层应力为20MPa。
首先,计算径向压力:地层自重压力=地层面积×地层单位体积质量地层单位体积质量=23.5kN/m^3(假设)地层应力压力=地层面积×地层应力其次,计算导轨摩擦力:导轨摩擦力=导轨接触面积×摩擦系数×地层单位体积质量最后,计算土层摩擦力:土层接触面积=2×π×(8÷2)×50≈1256.64平方米土层摩擦力=土层接触面积×抗剪强度综上所述,推力大小计算结果为:推力=径向压力+导轨摩擦力+土层摩擦力以上就是盾构机推力计算的一个简单案例。
实际中,在进行推力计算时,需要考虑更多的因素和参数,如地层的变化情况、不同地层的摩擦系数和抗剪强度等。
同时,也需要结合盾构机的技术性能和工程项目的实际情况来确定最终的推力大小,确保施工的顺利进行。
软土地区地铁盾构隧道课程设计说明书(共00页)姓名杨均学号 070849导师丁文琪土木工程学院地下建筑与工程系2010年7月1. 设计荷载计算1.1 结构尺寸及地层示意图ϕ=7.2ϕ=8.92q=20kN/m图1-1 结构尺寸及地层示意图如图,按照要求,对灰色淤泥质粉质粘土上层厚度进行调整:mm 43800 50*849+1350h ==灰。
按照课程设计题目,以下只进行基本使用阶段的荷载计算。
1.2 隧道外围荷载标准值计算 (1) 自重2/75.835.025m kN g h =⨯==δγ(2)竖向土压若按一般公式:21/95.44688.485.37.80.11.90.185.018q m KN h ni i i =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑=γ 由于h=1.5+1.0+3.5+43.8=48.8m>D=6.55m ,属深埋隧道。
应按照太沙基公式或普氏公式计算竖向土压:a 太沙基公式:)tan ()tan (0010]1[tan )/(p ϕϕϕγB hB he q e B c B --⋅+--= 其中:m R B c 83.6)4/7.75.22tan(/1.3)4/5.22tan(/0000=+=+=ϕ(加权平均值0007.785.5205.42.7645.19.8=⨯+⨯=ϕ) 则:2)9.8tan 83.68.48()9.8tan 83.68.48(11/02.18920]1[9.8tan )83.6/2.128(83.6p m KN e e =⋅+--=-- b 普氏公式:2012/73.2699.8tan 92.7832tan 32p mKN B =⨯⨯==ϕγ 取竖向土压为太沙基公式计算值,即:21/02.189p m KN e =。
(3) 拱背土压mkN R c /72.286.7925.2)41(2)41(2G 22=⨯⨯-⨯=⋅-=πγπ。
其中:3/6.728.1645.11.728.10.8645.1m KN =+⨯+⨯=γ。
φ6340mm隧道掘进机型号TM634 PMX设计计算书株式会社小松制作所地下建机事业本部小松(中国)投资有限公司2010年4月目录页数1、计算条件 (3)1.1工程条件 (3)1.2地质条件 (3)1.3计算模型 (4)1.4盾构机规格 (5)2、盾构机刀盘所需扭矩计算 (5)2.1 计算条件 (5)2.2 各参数的计算 (6)2.3 所需扭矩计算 (7)3、盾构机掘进时所需推力计算 (8)3.1 计算条件 (8)3.2 各参数的计算 (9)3.3 推力计算 (10)4、盾构机壳体强度计算 (11)4.1 计算条件 (11)4.2 各参数的计算 (11)4.3 土荷载计算 (12)4.4 盾构机壳体水平方向变位量的计算 (13)4.5 载荷的计算 (13)4.6 弯曲扭矩[M]及轴力[N]的计算结果 (14)4.7 盾构机壳体应力σ的计算结果 (15)5、切削刀具寿命的计算 (19)5.1 地质概况 (19)5.2 地质计算模型化 (19)5.3 主切削刀计算 (19)5.3.1 磨损高度与运转距离的关系 (19)5.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数 (20)5.3.3刀具磨损计算公式 (21)5.3.4刀具磨损计算结果 (22)6、三排园柱滚子轴承计算 (23)6.1 盾构机规格 (23)6.2 载荷计算 (24)6.2.1土载荷的计算 (24)6.2.2 作用与三排园柱滚柱轴承上的载荷的计算 (24)6.3、三排园柱滚柱轴承寿命计算: (25)6.3.1三排园柱滚柱轴承规格 (25)6.3.2 三排园柱滚柱轴承寿命计算 (25)1、计算条件:1.1、工程条件:(1) 隧道长度 m(2) 隧道最小转弯半径 250m(3) 盾构机开挖直径φ6340m m(4) 管片外径φ6200m m(5)管片内径φ5500m m(6)管片宽度 1200mm(7)管片厚度 350mm(8)分块数 5+1块(9)管片重量 4.5t / 块(10)隧道坡度‰1.2、地质条件:(1)土质淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、中粗砂(2)隧道覆土厚度 5~30 m(3)地下水位GL- 0.5 m(4)间隙水压 MPa(5)透水系数 cm/sec(6)标准贯入值(N值)(7)内摩擦角 deg(8)粘着力 kN/cm2(9)含水率(W%)(10)地面负荷 6 tf/m2(11)地层反力系数 kN/m21.3、计算模型说明:由于整个计算全部采用在埋深30m ,承受最大水压力,因此计算偏与安全。
第七节 关键参数的计算1.地质力学参数选取MCZ3-HG-063A 7-7-1,作为该标段盾32.5m ,盾构机壳体计算38.75m ,地下稳定水位2.5m 。
地质要素表 表7-7-1隧道基本上在<4-1>、<5Z-2>和<6Z-2>地层中穿过,为相对的隔水地层。
按上述条件对选用盾构的推力、扭矩校核计算如下:2.盾构机的总推力校核计算:土压平衡式盾构机的掘进总推力F ,由盾构与地层之间的摩擦阻力F 1、刀盘正面推进阻力F 2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力F 3组成,即按公式F=( F 1+F 2+F 3).K c式中:K c ——安全系数, 2.1 盾构地层之间的摩擦阻力F1计算可按公式 F1= *D*L*CC —凝聚力,单位kN/m 2 ,查表7-7-1,取C= 30.6kN/m2L—盾壳长度,9.150mD—盾体外径,D=6.25m得: F1=π*D*L*⋅C=3.14159⨯6.25⨯9.15⨯30.6= 5498 kN2.2 水土压力计算D——盾构壳体计算外径,取6.25m;L——盾构壳体长度,9.15m;pe1——盾构顶部的垂直土压。
按全覆土柱计算,为校核计算安全,采用岩土的天然密度ρ值计算。
qfe1——盾构机拱顶受的水平土压;qfe1=λ×pe1pe2——盾构底部的垂直土压。
按全覆土柱计算,为校核计算安全,采用岩土的天然密度ρ值计算。
qfe2——盾构底部的水平土压。
qfe2=λ×pe2qfw1——盾构顶部的水压qfw2——盾构底部的水压λ——侧压系数,取0.37;计算qfe1 qfe2qfw1qfw2pe1=12×1.95×9.8+13×1.88×9.8+(32.5-12-13)×1.91×9.8 =609.2kN/m2pe2=609.2 +6.25×1.91×9.8=726.2 kN/m2qfe1=0.37×609.2=225.4 kN/m2qfe2=0.37×726.2=268.7 kN/m2qfW1=(32.5-2.5) ×9.8=294 kN/m2qfW2=294+6.25×9.8=355.3 kN/m22.3 盾构机前方的推进阻力F 2作用于盾构外周和正面的水压和土压见图7-7-2所示。
盾构机主要参数:1、粘土2、覆土H 15米3、土体单位体积质量W1 2.1 t/m³4、内摩擦角φ 0 deg5、地面荷载 1.0t/㎡6、侧方土压系数 K1 0.77、松弛土的粘着力 c 4.905KN/㎡8、盾构机外径d 8.83m9、盾构机内径 r 4.44m10、盾构机长度 L 9.9m11、盾构机质量G 750吨12、掘削断面积A 61.9㎡13、刀盘半径4.415m14、后配套质量GB 155.7 t15、牵引系数μ 0.516、管片外径 Ds 8.5m17、盾尾密封数 n 4道18、盾尾密封挤压力 PT 0.00314MN/m19、管片与盾尾密封的摩擦阻力μs 0.3重要参数计算:(1)松弛高度计算松弛高度:考虑地面负载: H1=H+S/WO 15.5m考虑全覆土,松弛高度:H2=H1= 15.5m松弛宽度:B=r*cos(45-φ/2)+ r{1+sin(45-φ/2})*tan(45-φ/2) 10.84m(2) 土压计算作用在盾体的土压为上部土压P1、侧压P2、及下部土压P的平均值P1=H2*W1=325500paP2=K1*(H2+r)*W1=293100paP3=P1+G/(d*L)=409100pa平均土压P=(P1+P2+P3+P2)/4=330200pa=3.302bar(3)推力计算盾构机由盾体外周摩擦阻力、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组成。
a.克服盾体外周摩擦阻力的推力F1=ňdLc =13463KNb.克服胸板所受的土压与水压F2=A*P2=181400KNc.克服后续设备的牵引力F3=μ*GB=1278.5KNd.克服管片与盾尾密封的摩擦阻力F4=ňDs*μs*n*PT=100.48KN推进时所需的推力F=F1+F2+F3+F4=32922KN=3292.2t。
机车牵引计算一、机车牵引曲线1、机车粘着系数的经验公式:μ=0.04+24/(100+4.1V)2、机车粘着牵引力及机车牵引力的计算:(1)、机车粘着牵引力计算:Fμ=μ×P(P为机车粘着重量)(2)、机车牵引力按机车动轮轮周牵引力计算:FK =3.6ηNK/V (NK为机车标称功率;η为机车车轮驱动装置传动效率)。
(3)、机车起动牵引力按速度为零时的粘着牵引力计算。
二、机车牵引吨位1、机车单位基本阻力计算(1)、电传动机车的计算单位基本阻力的经验公式:WO/=1.64+0.014V+0.00026V2(N/KN)(2)、计算货车运行单位基本阻力的经验公式:WO//=1.07+0.0011V+0.000236V2(N/KN)(3)、单位起动阻力的计算:根据《牵规》,电传动车、内燃机车的单位起动阻力Wq /均取5 N/KN;货车的单位起动阻力Wq//按式Wq//=3+0.4iq(N/KN)计算,式中iq为起动地段的加算坡度(‰),且当货车单位起动阻力的计算结果小于5 N/KN时,规定按5 N/KN计算。
2、机车在不同坡道、不同速度运行的牵引重量计算公式起动时:GQ =( Fμ-P(Wq/+ iq))/( Wq//+ iq)运行时:G=( FK -P(WO/+ iq))/(WO//+ iq)三、45t机车27.04‰坡道牵引吨位GQ =(Fμ-P(Wq/+ iq))/( Wq//+ iq)粘着牵引力Fμ=μ×p=0.28x450=126KNμ:机车粘着系数 0.28P :机车粘重 450KNWq/:机车单位起动阻力5N/KN(根据机车《牵规》取值) iq: 坡道阻力系数27.04‰//=3+0.4igWq=273.1tGQ15T管片车重量:3t(自重)+15t(管片重量)=18x2辆=36t6m3砂浆车重量:7.5t(自重)+15t=22.5t18m3渣土车重量:11t(自重)+40t=51 x4辆=204t总牵引重量:262.5t45T机车即可满足牵引结论:经过计算满足招标要求。
1.1 盾尾间隙的计算盾尾间隙包括以下几部分:理论最小间隙、管片允许拚装误差、盾尾制造误差、盾尾结构变形、以及盾尾密封的结构要求等。
(1)理论最小间隙 管片外径D=6000mm ; 盾尾端至第一环管片前端的距离L=2600mm ;R o —隧道曲线半径,考虑到盾构蛇行的因素取R o =350m ;则隧道管片内侧曲线半径:0/2347R R D m =-=盾尾端部至第一环管片前端对应的圆心角:-1-1 = sin (L/R)= sin (2.6/347)=0.429φ︒ 则理论间隙为:b1 =R(1-cos )=347(1-cos0.429)=0.0097m =9.7mm φ⨯︒取b1=10mm(2)管片精度及管片拚装误差: b2=5mm(3)盾尾制造误差: b3=5mm (4)盾尾变形: b4=5mm (5)其它因素:图3-9-1 盾尾结构图φ1500图3-9-2 盾尾理论间隙计算示意图b5=5mm(6)盾尾密封刷安装尺寸: b6=45mm 所以盾尾间隙为1234561055554575b b b b b b b mm=+++++=+++++= b=9.7mm 是曲线半径350m 时,管片在盾尾内的最小极限间隙值,考虑到管片本身的尺寸误差、拼装的精度、盾尾的偏移等因素,同时考虑到盾尾还要安装同步注浆管道和盾尾密封,根据经验实际选取盾的间隙为75mm 。
1.2 推力计算1.2.1 盾构外荷载的确定由于盾构工程沿线的隧道埋深差别很大,在ZCK17+000处的隧道顶部的覆土厚度约为37m ,而在较浅处的隧道顶部距地面不足6m 。
由于盾构从洞中通过时的时间相对较短,根据常用算法,盾构的外部荷载将按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压计算,并取两都中的最大值作为盾构计算的外部荷载。
在大石—汉溪区间最大埋深位置在ZCK17+000处,但此处围岩为7号地层,稳定性较好。
而YCK17+020处隧道顶部为6号地层,埋深约35m ,所以对盾构计算取此断面埋深为最大埋深值。
固定墩和固定支架承受的推力计算首先,需要了解什么是推力。
推力是指物体受到的外力,使其朝一个特定方向运动或倾斜的力。
在固定墩和固定支架设计中,推力是指由结构或设备对墩或支架施加的向外的力。
这些力通常是由结构或设备的重量、动力或其他外部因素引起的。
在计算固定墩和固定支架承受的推力时,需要考虑以下几个因素:1.结构或设备的重量:首先需计算结构或设备的重量,包括所有的组成部分和附属设备的重量。
重量可以通过进行重量估算或使用测力计等设备进行实际测量来获取。
2.施加在结构或设备上的外力:外力可以是静力或动力。
静力是指由于重量、压力或由其他因素引起的固定力;而动力则是指由于运动或作用力导致的力。
对于静力,可以通过掌握结构或设备受力的原理,计算得出。
而对于动力,需要考虑结构或设备运行时的最大力,并进行估算。
3.结构或设备的运动和振动:结构或设备的运动和振动会产生额外的推力。
在计算固定墩和固定支架的推力时,需要考虑这些运动和振动,并进行适当的估算。
在得出结构或设备的总推力后,可以应用牛顿第三定律,计算出固定墩和固定支架所承受的推力。
牛顿第三定律表明,任何施加给物体的力都会引起另一物体对其施加同样大小但方向相反的力。
因此,结构或设备对墩或支架施加的推力将会以相等且反向的力作用于墩或支架上。
在进行推力计算时,需要考虑墩或支架的几何形状、材料的强度和刚度等因素。
这些因素会影响墩或支架的受力分布和承载能力。
此外,还需要对墩或支架进行合理的设计和选择,以保证其能够承受计算出的推力。
设计时应考虑到材料的强度、刚度和安全系数,以确保墩或支架在使用过程中不会发生破坏或失效。
综上所述,计算固定墩和固定支架承受的推力是一个复杂而关键的工程问题。
只有充分考虑结构或设备的重量、施加在其上的外力以及运动和振动等因素,并进行合理的设计和选择,才能保证固定墩和固定支架的安全运行。
土压力计算方法二公式说明一、 计算公式根据土压平衡盾构的工作原理,土仓压力需要与开挖面的正面水土压力平衡以维持开挖面土体的稳定,减少对土层的扰动。
基于力学原理,正面水土压力的理论值为:H q H K P P P w w w c γγ++=+=)('0 (式1)式中c P 为土压力,w P 为水压力。
)('q H K P w c +=γ (式2)式中w K 为静止土压力系数,一般通过试验确定,无试验资料时,可按参考值选取;砂土取0.35~0.45;粘性土取0.5~0.7,也可利用半经验公式'sin 1ϕ-=w K 计算,式中,'ϕ为土体的有效内摩擦角。
'γ为土的有效重度,单位3/m KNH 为计算点土层厚度。
q 为连续均布荷载。
H P w w γ= (式3)式中w γ为水的重度,H 为计算点土层厚度。
二、 星会区间湖底掘进计算模型考虑2.1. 计算模型盾构机掘进穿越金鸡湖底施工,从地质纵断面图看盾构机主要通过④2粉砂层及⑤粉质粘土层,开挖面的正面水土压力考虑分为三部分,一为金鸡湖水;二为①1淤泥层,三为其他土层(包括①2素填土、③1粘土、③2粉质粘土、④1粉土、④2粉砂、⑤粉质粘土)。
2.2. 竖向分层计算原则静止土压力分层计算模式为:第一层按照均质土方法计算,计算第二层土土压力时,将第一层土换算成与第二层的性质指标相同的当量土层厚度'1h ,即211'1γγh h =,然后按换算后第二层土的厚度计算第二层范围的土压力,依此类推。
在本计算实例中,第一层金鸡湖水视为连续均布荷载)(Pa *10*3^101h q =;式中1h 为水深。
第二层为①1淤泥层,该层厚度为2h ,根据地质勘察报告,该层湿密度为3/38.1cm g =ρ,则重度为342/1038.1m KN ⨯=γ。
第三层为其他土层,该层厚度为3h ,计算该层范围土压时土层厚度32'393.138.1h h h +⨯=,根据地质勘察报告,该层平均湿密度为3/93.1cm g =ρ,则重度为343/1093.1m KN ⨯=γ。
附 录 A(资料性附录)刀盘扭矩计算方法A.1 理论扭矩计算方法理论扭矩计算方法按公式(A.1):()i i m T f F R T =⨯⨯+∑∑ …………………………(A.1)式中:T ——刀盘扭矩,单位为千牛米(kN ·m );f ——滚刀滚 动阻力系数, 一般取值0.1~0.15;F i ——滚刀额定承载能力,单位为千牛(kN );R i ——每把滚刀在刀盘上的回转半径,单位为米(m );T m——摩擦扭矩,单位为千牛米(kN ·m )。
A.2 经验计算方法经验计算方法按公式(A.2):2T S D =⨯ …………………………(A.2)式中:D ——刀盘直径,单位为米(m );S ——扭矩系数。
扭矩系数S 根据掘进机直径、围岩条件而异,一般取S ≈60。
附 录 B(资料性附录)掘进机推力计算方法B.1 掘进机推力理论计算方法B.1.1 掘进机辅推进系统推力掘进机辅推进系统推力理论计算方法按公式(B.1):FT 11234()F K F F F F =⨯+++ …………………………(B.1)式中:F FT ——掘进机辅推进系统推力, 单位为千牛(kN );K 1——储备系数,一般取K 1 =1.1~1.5;F 1 ——岩石和护盾间的摩擦阻力,单位为千牛(kN );F 2 ——拖动后配套系统产生的阻力, 单位为千牛(kN );F 3 ——刀盘推进反力,单位为千牛(kN );F 4 ——盾尾刷与管片之间摩擦阻力,单位为千牛(kN )。
B.1.2 掘进机主推进系统推力掘进机主推进系统推力理论计算方法按公式(B.2):()ZT 135F K F F =⨯+ …………………………(B.2)式中:F ZT ——掘进机主推进系统推力, 单位为千牛(kN );F 5 —— 前护盾和外伸缩护盾受到的摩擦阻力之和,单位为千牛(kN )。
B.1.3 岩石和护盾间的摩擦阻力岩石和护盾间的摩擦阻力F 1按公式(B.3)计算:111W F ⨯=μ …………………………(B.3)式中:μ1 ——围岩与护盾间的摩擦系数,一般取0.3~0.5;W 1——护盾作用在围岩上的全部竖直压力,单位为千牛(kN )。
盾构关键参数的计算1.1 说明盾构工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题,由于地质因素、土层改良方法、掘进参数等一系列因素的影响,在盾构参数计算方法上存在很多不确定因素。
至今应用的盾构参数计算方法在很大程度上只是处于研究、探索阶段,甚至很大程度上是一些经验性的计算方法。
以下的计算在参考盾构生产厂家提供的有关计算资料及其它相关文献资料的基础上,根据南京地铁三号线地质勘察报告,结合我单位南京地铁二号线盾构施工经验,按照盾构厂商提供的设计方案来进行关键参数的校核计算。
1.2 推力计算1.2.1 盾构外荷载的确定由于盾构工程沿线的隧道埋深差别很大,在埋深最深处的隧道顶部的覆土厚度约为33m ,而在较浅处的隧道顶部距地面约为9.3m 。
根据常用算法,盾构的外部荷载将按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压计算,并取两者中的最大值作为盾构计算的外部荷载。
在新庄站—市政府站区间最大埋深位置在K19+342处,此处隧道处于全断面岩层中,上部覆土为②-1b2-3、②-1c2-3、②-2b4、③-1h1-2、③-2b2、③-3e1、③-3a1-2地层,埋深约33m ,所以对盾构计算取此断面埋深为最大埋深值。
软土计算中地质参数均按照此断面的③-3a1-2号地层选取如下:岩土容重:3/9.18m KN =γ 岩土的内摩擦角:φ=17.60土的粘结力: c=47KN/m2覆盖层厚度: mH 33max =地面荷载:2020/P KN m =水平侧压力系数:45.0=λ盾构外径:m D 4.6= 盾构主机长度: m L 38.7= 盾构主机重量: W=350t 经验土压力系数:01K =松动土压(泰沙基公式)计算:()()()()1010/0/0111/B H tg K B H tg K s e P e tg K B c B P φφφγ--⨯+-⨯⨯-⨯=其中B1=R ×ctg[(45°+φ/2)/2] =3.2×ctg[(45°+17.6°/2)/2] =6.3m代入上式得 P5=︒⨯.617)3.6/319.18(3.6tg -×[1-e -1×tg17.6°×(33/6.3)]+20×e -1×tg17.6°×(33/6.3)=228.7(KN/m 2)计算两倍掘进机直径的全土柱土压: Pq=γ×2×D=18.9×2×6.4=242(KN/m2)q sP P >qP ∴取作为计算的数据。
盾构关键参数的计算1.1 说明盾构工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题,由于地质因素、土层改良方法、掘进参数等一系列因素的影响,在盾构参数计算方法上存在很多不确定因素。
至今应用的盾构参数计算方法在很大程度上只是处于研究、探索阶段,甚至很大程度上是一些经验性的计算方法。
以下的计算在参考盾构生产厂家提供的有关计算资料及其它相关文献资料的基础上,根据南京地铁三号线地质勘察报告,结合我单位南京地铁二号线盾构施工经验,按照盾构厂商提供的设计方案来进行关键参数的校核计算。
1.2 推力计算1.2.1 盾构外荷载的确定由于盾构工程沿线的隧道埋深差别很大,在埋深最深处的隧道顶部的覆土厚度约为33m ,而在较浅处的隧道顶部距地面约为9.3m 。
根据常用算法,盾构的外部荷载将按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压计算,并取两者中的最大值作为盾构计算的外部荷载。
在新庄站—市政府站区间最大埋深位置在K19+342处,此处隧道处于全断面岩层中,上部覆土为②-1b2-3、②-1c2-3、②-2b4、③-1h1-2、③-2b2、③-3e1、③-3a1-2地层,埋深约33m ,所以对盾构计算取此断面埋深为最大埋深值。
软土计算中地质参数均按照此断面的③-3a1-2号地层选取如下:岩土容重:3/9.18m KN =γ 岩土的内摩擦角:φ=17.60土的粘结力: c=47KN/m2覆盖层厚度: mH 33max =地面荷载:2020/P KN m =水平侧压力系数:45.0=λ盾构外径:m D 4.6= 盾构主机长度: m L 38.7= 盾构主机重量: W=350t 经验土压力系数:01K =松动土压(泰沙基公式)计算:()()()()1010/0/0111/B H tg K B H tg K s e P e tg K B c B P φφφγ--⨯+-⨯⨯-⨯=其中B1=R ×ctg[(45°+φ/2)/2] =3.2×ctg[(45°+17.6°/2)/2] =6.3m代入上式得 P5=︒⨯.617)3.6/319.18(3.6tg -×[1-e -1×tg17.6°×(33/6.3)]+20×e -1×tg17.6°×(33/6.3)=228.7(KN/m 2)计算两倍掘进机直径的全土柱土压: Pq=γ×2×D=18.9×2×6.4=242(KN/m2)q sP P >qP ∴取作为计算的数据。
目录1、纵坡 (2)2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法 (3)2.1深埋隧道土压计算 (4)2.2浅埋隧道的土压计算 (5)2.2.1主动土压力与被动土压力 (5)2.2.2主动土压力与被动土压力计算: (5)2.3地下水压力计算 (6)2.4案例题 (8)2.4.1施工实例1 (8)2.4.2施工实例2 (11)3、盾构推力计算 (12)4、盾构的扭矩计算 (13)1、纵坡隧道纵坡:隧道底板两点间数值距离除以水平距离如图所示:隧道纵坡=(200-100)/500=2‰注:规范要求长达隧道最小纵坡>=0.3%,最大纵坡=<3.0% 2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析,笔者总结出在土压平衡盾构的施工过程中,土仓内的土压力设置方法为:a、根据隧道所处的位置以及隧道的埋深情况,对隧道进行分类,判断出隧道是属于深埋隧道还是浅埋隧道(一般来说埋深在2倍洞径以下时,算作是浅埋段,2倍以上算深埋);b、根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力;c、根据隧道所处的地层以及隧道周边地地表环境状况的复杂程度,计算水平侧向力;d、根据隧道所处的地层以及施工状态,确定地层水压力;e、根据不同的施工环境、施工条件及施工经验,考虑0.010~0.020Mpa的压力值作为调整值来修正施工土压力;f、根据确定的水平侧向力、地层的水压力以及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值为:σ初步设定=σ水平侧向力+σ水压力+σ调整式中,σ初步设定-初步确定的盾构土仓土压力;σ水平侧向力-水平侧向力;σ水压力-地层水压力;σ调整--修正施工土压力。
g、根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较,无误时应用施工之中;h、根据地表的沉降监测结果,对施工土压力进行及时调整,得出比较合理的施工土压力值。
2.1深埋隧道土压计算深埋隧道σ水平侧向力= q×0.41×1.79Sωq—水平侧向力系数见表1ω—宽度影响系数,且ω=1+i(B-5),i—以B=5m为基准,当B<5m时,取i=0.2,当B>5m,取i=0.1;S—围岩级别,如Ⅲ级围岩,则S=32.2浅埋隧道的土压计算 2.2.1主动土压力与被动土压力盾构隧道施工过程中,刀盘扰动改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态,从而使刀盘附近的土体产生主动土压力或被动土压力。
盾构机刀盘扭矩及盾体推力计算方法研究*邓立营** 刘春光 党军锋北方重工沈阳重型机械集团设计研究院 辽宁沈阳 110025摘要:盾构机刀盘驱动扭矩及盾体推力,是盾构机设计的 2 个最重要的根本参数。
在分析了土压平衡 盾构机刀盘扭矩及盾体推力组成局部的根底上,结合相关土体力学的根底知识,对其各组成局部进展 了建模和求解,从而建立了盾构机刀盘驱动扭矩及盾体推力的计算公式,并通过实例进展了计算验证 和分析。
关键词:盾构机;刀盘扭矩;盾体推力;土压平衡;土体侧压力系数;土体重力密度文献标识码:A论文编号:1001-3954(2021)17-0013-04Research on method of calculating torque of cutter headof shield machine and thrust of shieldDENG Liying LIU Chunguang DANG JunfengDesign Institute, Northern Heavy Shenyang Heavy Machinery Group Co., Ltd., Shenyang 110025, Liaoning, ChinaAbstract :The driving torque of cutter head of shield machine and the thrust of shield are two important parameters during the design of shield machine . Based on the analysis of the composition of cutter head torque and the thrust of shield, the modeling and solving of each component were conducted in combination with basic knowledge of soil mechanics . Then the formula for calculating the driving torque of cutter head of shield machine and the thrust of shield were established, and the actual calculation and analysis with these formulas were carried out also .Keywords :shield machine; torque of cutter header; pressure coefficient of earth; gravity density of earththrust of shield; earth pressurebalance ( EPB ) ; lateral 年来,随着城市地铁建立规模的不断扩大,土 1 刀盘构造及扭矩的构成土压平衡盾构机刀盘构造及安装如图 1 所示。
右线始发推力及扭矩计算一、计算条件盾构机受力分析:图1项目符号单位覆土厚度H m地下水位(从水面至盾构机顶部为止) H w m泥土天然容重γt/m3水的容重γw t/m3土内部摩擦角φdegree 静土压系数k0--- 土的粘聚力 c kN/m2盾构机外径 D m盾构机总长L m盾体长度Ls m盾体总重量Gs t后配套台车总重量Gt t推进油缸推力 F kN/根油缸装备数量m 根刀盘扭矩Tr kN-m 管片外径Ds m刀盘开口率ξ%刀盘幅宽l m标准刀刀刃宽度B0 cm如图1所示,盾构机在土体中,覆土厚度H ,其间含有H W 高的水头,此时盾构机上下左右均受到水和土体对它的作用力,如图2所示: 1)、盾构机顶部所受的垂直负荷:P1P 1=H ·γ×10 2)、盾构机顶部侧向负荷: Q 1101P k Q ⨯=3)、盾构机底部侧向负荷: Q 2()102⨯⨯+=γD H k Q4)、盾构机底部所受的垂直负荷:3Pg P P +=13盾构机自重引起的压力:LsD Gs g ⋅⨯=10图2 图3DP1P3二、盾构掘进刀盘扭矩和所需推力计算1、掘进时刀盘扭矩 理论刀盘扭矩:TT = T 1 + T 2 + T 3 + T 4其中 T 1:刀具的切削阻力扭矩T 2:大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩 T 3:大刀盘外周部与地层的摩擦阻力扭矩 T 4:中间支撑梁的阻力矩 1)、刀具的切削阻力扭矩:T 1H α=10×2.1×ec ・B0・t ・10(-0.22θ)/1000 T 1=n t ×H α×R k其中 e c :切削阻力系数 B 0:切削刀刃宽度 t :切入深度 θ:切削刀刃的前角 n t :刀盘刀具装备数R k :刀盘刀具平均安装半径2)、大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩:T 2()322132⎪⎭⎫⎝⎛⋅-⋅⋅=D c T ξπ其中:ξ为大刀盘开口率3)、大刀盘外周部与地层的摩擦阻力扭矩;T 32322⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=D l c T π其中 l :为大刀盘外周板的宽度 4)、中间支撑梁的阻力矩 T 4c r ld n T a a a a ⨯⨯⨯⨯⨯=242、盾构掘进推力 盾构机所需推力:FF = F 1 + F 2 + F 3 + F 4其中 F 1:外壳板外周面与坑壁的摩擦阻力的推力 F 2:盾构机前方的水土压力的推力 F 3:管片与盾尾密封的摩擦阻力的推力 F 4:后配套设备的牵引阻力的推力1)、盾体外壳板外周面与坑壁的摩擦抵抗的推力:F 1 Ls D C F ⋅⋅⋅=π1 2)、盾构机前方的土水压力的推力:F 2()422212D Q Q F ⋅⋅+=π 3)、管片与盾尾密封的摩擦阻力的推力:F 3F 3=μs ×n s ×π×D s ×(P s +P x )其中:μs :管片与盾尾密封的摩擦系数(=0.3) P s :盾尾密封的紧迫力 (=3.1kN/m)P x :水压引起的紧迫力 (43.00.13211P Q Q P +++⨯⨯=)4)、后配套设备的牵引阻力的推力:F 4 F 4=G t ×μt ×9.8其中μt :牵引阻力系数(=0.2)。
第 1 页 共 11 页 7.8.2 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。 7.8.2.1 在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算 地层参数按〈 6〉岩石全风化带选取,由于岩土体中基本无水,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 =γ h+ P0
P01= Pe + G/DL P1=Pe×λ P2=(P+γ .D) λ 式中: λ 为水平侧压力系数, λ =0.47 h 为上覆土厚度, h=12.8m γ 为土容重, γ =1.94 t/m3
G 为盾构机重, G=340 t D 为盾构机外径, D=6.25 m ; L 为盾构机长度, L=8.32 m ; P0 为地面上置荷载, P0=2 t/m2; P01 为盾构机底部的均布压力; P1 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; Pe=1.94×12.8+2=26.83 t/m2
P01=26.83+340/(6.25× 8.32)=33.37t/m2 P1=26.83×0.47=14.89t/m2
P2 =(26.83+1.94×6.25)× 0.47=18.3t/m2
7.8.2.1.1 盾构推力计算 盾构的推力主要由以下五部分组成: F F1 F2 F3 F4 F
5
式中: F1
为盾构外壳与土体之间的摩擦力 ; F
2 为刀盘上的水平推力引起的推力
F3 为切土所需要的推力; F4 为盾尾与管片之间的摩阻力 F5 为后方台车的阻力 F1
1 ( Pe P01 P1 P2 ) DL .
4 式中: :土与钢之间的摩擦系 数,计算时取 0.3 第 2 页 共 11 页 F1
1 (26.83 33.37 14.89 18.3) 6.25 8.32 0.3 1144.23t
4
F2 ( 2 ) 4 D Pd
式中: Pd 为水平土压力 , Pd
(h
D )
D 6.28 15.93m 2
h 12.8 2 2 P 0.47 1.94 15.93 14.52t / m2
d
F2 / 4(6.28
2
14.52) 445.48t
F 3 ( D
2C)
/ 4 式中: C 为土的粘结力, C=4.5t/m2
F3 (6.25
2 4.5) 138.06t
4 F4 Wc c
式中:WC 、μC
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 2.5t/m3,管片宽度按 1.5m 计时,每环管片的重量为 24.12t),两环管片的重量为 48.24t 考虑。 μC=0.3
F4 48.24 0.3 14.47t F5 G h sin g G h cos
式中: Gh 为盾尾台车的重量, Gh≈160t; θ为坡度, tgθ=0.025 μg 为滚动摩阻, μg=0.05 F5 160 0.025 0.05 160 1 12.00t
盾构总推力: F 1144.23 445.48 138.06 14.47 12.00 1754.24t
7.8.2.1.2 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 M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M 8 M 9
式中: M 1 为刀具的切削扭矩; M 2 为刀盘自重产生的旋转力矩 M 3 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 第 3 页 共 11 页 M 5 为刀盘前表面上的摩擦力矩 ; M 6 为刀盘圆周面上的摩擦力矩
M 7 为刀盘背面的摩擦力矩 ;M 8 为刀盘开口槽的剪切力矩 M 9
为刀盘土腔室内的搅动力矩
a.刀具的切削扭矩 M
1
M R0 M 1 2 )
1 Chrdr 1 (C hm a R
0 2
式中: Cг:土的抗剪应力,
Cг =C+Pd×tgφ=4.5+14.52× tg20°=9.78t/m
2
hmax:刀盘每转的最大切削深度, hmax=8cm/转
R0:最外圈刀具的半径, R0=3.14m 1 2 2
M 1 (9.78 8 10 3.14 ) 3.83t m
b.刀盘自重产生的旋转力矩 M
2
M 2=GRμg
式中: G:刀盘自重,计算时取刀盘的自重为 G=55t
R:轴承的接触半径,计算时取为 R=2.6m μ g:滚动摩擦系数,计算时取为 μg=0.004 M 2=55×2.6×0.004=0.57t﹒m
c.刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩 M
3
M 3=WpRgμ z Wp=απ Rc2P
d
式中: Wp:推力荷载 ; α:刀盘封闭系数, α=0.70
Rg:轴承推力滚子接触半径, Rg=1.25m ; Rc:刀盘半径, Rc=3.14 μ z:滚动摩擦系数, μz=0.004 ;Pd:水平土压力, Pd=14.52t/m
2
Wp=0.70π×3.142×14.52=312.83t;M 3=312.83× 1.25×0.004=1.56 t﹒m
d.密封装置产生的摩擦力矩 M
4
M 4=2πμ mF(n1Rm12+n2Rm2
2)
式中:μm:密封与钢之间的摩擦系数, μ m
=0.2;F:密封的推力, F=0.15t/m
1 2 1 2 =3; R m1、 Rm2:密封的安装半径, Rm1
n 、 n :密封数, n =3 n =1.84m
Rm2=2.26m; M 4= 2π× 0.2× 0.15×( 3×1.842+3×2.262)=4.80 t·m
e.刀盘前表面上的摩擦力矩 M
5 第 4 页 共 11 页 M 5 2 ( P R3 Pd ) 3 式中:α :刀盘开口率, α =0.30;μ P:土层与刀盘之间的摩擦系数, μP=0.15
R:刀盘半径, R=3.14m M 5 2 (0.30 0.15 3.143 14.52) 41.96t m
3 f.刀盘圆周面上的摩擦力矩 M
6
M 6=2πR2BPZμP
式中: R:刀盘半径, R=3.14m ;B:刀盘宽度, B=0.775m PZ:刀盘圆周土压力 PZ=(Pe+P01+P1+P2) /4=( 26.83+33.37+14.89+18.3)/4=23.35t/m
2
M 6=2π× 3.142× 0.775×23.35×0.15=167.09t·m
g.刀盘背面的摩擦力矩 M
7
M 7=2/3[( 1-α)π R3μP×0.8Pd]
M 7=2/3(0.70×π×3.143× 0.15×0.8×14.52)=78.33t· m
h.刀盘开口槽的剪切力矩 M
8
M 8 2 C R3 3 式中: Cτ: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 C=0.01Mpa=1 t/m2,φ=5°; Cτ =C+Pd× tgφ=1+14.52× tg5=2.27 t/m2 M 8 2 2.27 3.143 0.30 45.88t m
3 i.刀盘土腔室内的搅动力矩 M
9
9 1 2- R2 2) LCτ
M =2π( R
式中: d1 :刀盘支撑梁外径, 1 ; 2 :刀盘支撑梁内径, 2 d =4.8m d d =3.84 m
L:支撑梁长度, L=0.8 m
M 9=2π( 2.4 2-1.922)× 0.8× 2.06=21.46 t· m
刀盘扭矩 M 为 M 1~M 9
之和
M=3.83+0.57+1.56+4.80+41.96+167.09+78.33+45.88+21.46 =365.48t·m 7.8.2.2 在硬岩中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算 地质参数按照 <9>层选取 ,<9>层为岩石微风化带 .