液压缸
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1、计算条件 ：
1.1、工程条件：
序号 项目 数值/单位
（1） 隧道长度 2676.471m
（2） 隧道最小转弯半径 250m
（3） 盾构机开挖直径 φ5000mm
（4）
管片外径 φ6000mm
（5） 管片内径 φ5400mm
（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 20~25°
[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。
注： 关于地面荷载，在不清楚的情况下假定9.8kN/m2(1.0tf/m2)进行计算。
（1） 刀具的切削阻力矩 T1
地质 es
松弛干燥砂 0.008~0.01
松弛湿润砂 0.01~0.02
密实湿润砂 0.02~0.04
粘土 0.4~1.2
地质的一般条件：
序号 项目 数值/单位
（1） 土质 粘土、淤泥质粘土
（2） 隧道覆土厚度 50m
（3） 地下水位 GL- 7~8 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/cm2
（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 Ф5.0m
刀盘扭矩 1402 kN-m {143tf-m} (100%)
2800 kN-m {286tf-m } (200%)
盾构机总推力 7551kN{770tf} (100%)
11326.5 kN {1541tf}(200%)
盾尾钢板厚度 45mm
盾尾钢板材质 Q235
轴承及齿轮 >6000h
螺旋输送机能力及尺寸 250m3/h 5.5tf-m
刀盘寿命 >1200m
变压器容量 1100KVA
2、盾构机刀盘所需扭矩的计算：
[1] 计算条件
* * *水、土不分离计算* * *
序号 项目 符号 数值
（1） 土质 粘土、淤泥质粘土
（2） 覆土 H 50m
（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 φ 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 4.905 KN/ m2
（12） 盾构机外径 d 5 m
（13） 盾构机半径 r 2. 5m
（14） 壳体长 L 10.0m
（15） 盾构机质量 G 20 t
（16） 掘削断面积 A 19.635 m2
（17） 刀盘开口率 ξ 40%
（18） 刀盘半径 rc 2.500 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 θ 0.262 rad
（24） 主刀具数量（安装总数的一半） nt 40 把 （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 0.68m
（※）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 50.5 m
·松弛高度 H2
因为是用全覆土计算，所以松弛高度为：
H2 = H1 50.5 m
（松弛宽度 B）
B = r×cos(45-φ/2)+r{1+sin(45-φ/2)}×tan(45-φ/2) 6.036 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P1
P1 = H2×W1 1039290 Pa { 106tf/m2 }
·侧压 P2
P2 = K1×（H2+r）×W1 763518 Pa { 78tf/m2 }
·下部土压 P3
P3 = P1+G/（d×L） 1042720 Pa { 106.4tf/m2 }
·平均土压 P
P = （P1+2×P2+P3）/4 902580 Pa { 92.1tf/m2 }
[3] 所需扭矩计算
（1）刀具的切削阻力矩 T1
一个切削刀刃所需的阻力矩Hα根据村山·田经验公式计算
Hα = 2.1×es·B0·t2×10（-0.22·θ） 1373 N { 140kgf }
T1 = nt×Hα×Rk 84 kN-m {8.6tf-m}
（2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩 T2
T2 = 4×π×c×（1-ξ）×rc3/6 944 kN-m {96tf-m}
（3）刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩 T3
T3 = π×c×l×rc2 377 kN-m {38.5tf –m}
（5）所需扭矩 T
T = T1+T2+T3 1402. kN-m {143 tf-m}
（6）装备扭矩余量 S
装备扭矩T0 （100%时） 2800 kN-m {286tf-m}
安全率 S= T0/T 2 倍
装备扭矩T0 （120%时） kN-m {tf-m}
安全率 S= T0/T 倍
[4]确定刀盘驱动电机型号
计算理论公率P=Tn/9.55 1466kW
根据机械设计手册第五版第四卷17-121，防爆异步电动机的参数选择电机型号。
若单个电机功率为200KW，则需要8台电机
方案一：8个，200KW电机 1600kW
安全系数为 S= T0/T 2.18
方案二：6个，250KW电机 1500kW
安全系数为 S= T0/T 2.04
型号 额定功率
/kW 额定电流（380V时）
/A 额定转速
r·min-1 效率
（满负载时）
/% 功率因数cosФ
（满负载时） 堵转转矩
额定转速 堵转电流
额定电流 最大转矩
额定转矩 噪声
/dB(A) 振动等级
/mm·s-1 转动惯量
/kg·m2 质量
/kg
YB2-315S2-2 8*200 348.4 2980 94.8 0.92 1.8 7.0 2.3 99 3.50 4.82 1690
YB2-355M2-2 6*250 433.2 2980 95.3 0.92 1.8 7.0 2.4 103 3.50 6.22 2100
3、盾构机所需推力的计算：
[1] 计算条件
* * *水、土不分离计算* * *
序号 项目 符号 数值
（1） 土质 粘土、淤泥质粘土
（2） 覆土 H 50m
（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 φ 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 4.905 KN/ m2
（12） 盾构机外径 d 5.0 m
（13） 盾构机半径 r 2. 5m
（14） 壳体长 L 10m
（15） 盾构机质量 G 20 t
（16） 掘削断面积 A 19.635 m2 （17） 后续设备的质量 GB 0t
（18） 牵引系数 μ 0.5
（19） 管片外径 Ds 4.86 m
（20） 管片与盾尾密封的摩擦阻力 μs 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 50.5 m
·松弛高度 H2
因为是用全覆土计算，所以松弛高度：
H2 = H1 50.5 m
松弛宽度计算 B
B = r×cos(45-φ/2)+r{1+sin(45-φ/2)}×tan(45-φ/2) 6.035 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P1
P1 = H2×W1 1039290 Pa { 106tf/m2 }
·侧压P2
P2 = K1×（H2+r）×W1 763518 Pa { 78tf/m2 }
·下部土压P3
P3 = P1+G/（d×L） 1042720 Pa { 106.4tf/m2 }
·平均土压P
P = （P1+2×P2+P3）/4 902580 Pa { 92tf/m2 }
[3] 推力计算
（1）克服壳体外周摩擦阻力的推力 F1
F1 = π×d×L×c 7551 kN { 770 tf }
（5） 推进时所需推力 F
F = F1 7551 kN { 770 tf }
[4] 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：
1527 kN {260 tf } × 8 （只）
装备推力 F0
F0 = 1527×8 11326.5 kN {1541tf}
安全率 F0/F 1.5倍
[5] 推进液压缸选型
