盾构施工关键参数的计算

3.195245°+27°2B1=2+R45°2-K0φHBe·у0+BH-K0φ·B1·уC1-eφ5.71φ°盾构施工关键参数的计算1）计算依据盾构掘进机选型主要性能参数的计算，根据工程和水文地质情况、盾构机厂商提供的结构和性能参数，参考有关资料进行。2）计算内容盾构机的主要参数计算主要为土压平衡工况下盾构机推力和扭矩的计算。⑴在软土中推进时，盾构机所需推力的计算地质参数选取：岩土容重γ=2.0t/m3岩土内摩擦角φ=27°土的粘聚力C=30Kpa=3.0t/m2覆盖层厚度最大：Hmax=20.3m；最小Hmin=10.0m地面上置荷载Po=2t/m2水平侧压力系数λ=0.62盾构掘进机外径D=6.39m盾构掘进机总长L=7.755m盾构掘进机总重W=300t管片每环的重量Wg=19.29t水平垂直土压之比Ko=1由于隧道沿线的埋深差别不大，最大处为20.3m，最小为10.0m，因此，计算最大埋深处的松动土压和两倍盾构掘进机直径的全土柱高产生的土压，并取其中的较大值作为作用于盾构掘进机上的土压计算：松动高度计算：1×tg27°0-1×tg27°×5.71)(20.32.002+e20.3()5.71-1×tg27°××1-e3.05.71×2.0.5.71(1-)h==7.08m)(.式中：松动土压PSPS=γh0=2×7.08=14.16t/m2两倍盾构掘进机直径的全土柱土压：Pq=γh0式中：h0=2D=2×6.39=12.78mPq=γh0=2×12.78=25.56t/m2由于Pq＞PS所以，取Pq计算。Po=Pq+2=25.56+2=27.56t/m2Po1=Po+W/（D·L）=27.56+300/（6.39×7.755）=33.61t/m2侧压力计算：P1=Po1λ=33.61×0.62=20.84t/m2P2=（Po+γD）λ=（27.56+2.0×6.39）×0.62=25.01t/m2盾构掘进机的推力由盾构掘进机的外壳与土体之间的摩擦阻力F1、刀盘承受的主动水平压力引起的推力F2、土的粘接力引起的刀盘推力F3以及盾尾与管片之间的摩擦阻力F4几部分组成。盾构掘进机外壳与土体之间的摩擦阻力F1：F1=1/4×（Po+Po1+P1+P2）·πDLu式中：u—土与钢之间的摩擦系数，u=0.3L—盾构掘进机长度，L=7.755mF1=1/4×（27.56+33.61+20.84+25.01）×π×6.39×7.755×0.3=1249.6t刀盘水平压力引起的推力F2：F2=π/4×（D2·Pd）式中：Pd—水平主动土压力Pd=γH0tg2（450-φ/2）H0=h0+R=12.78+3.195=15.975mPd=2.0×15.975×tg2（450-270/2）=11.998t/m2F2=π/4×（6.392×11.998）=384.8t土的粘接力引起的刀盘推力F3F3=π/4×（D2·C）=π/4×（6.392×3.0）=96.16t盾尾与管片之间的摩擦阻力F4F4=Wcμc式中：Wc—作用于盾尾和管片的重量（假定作用于盾尾的重量为两环管片的重量，Wc=19.29×2=38.58t）μc—管片与盾尾之间的摩擦系数，μc=0.3F4=38.58×0.3=11.57t盾构所掘进机需要的总推力F：F=F1+F2+F3+F4=1249.6+384.8+96.16+11.57=1742.13t在曲线段推进，盾构掘进机的推力为正常推进时的120%，因此，盾构掘进机实际应备的推力为：F推=1.2F=1.2×1742.13t=2090.6t取F推为2091t，盾构机提供的动力为F推=2950t所以，盾构机所配备的推力能够满足软土推进施工的需要。⑵软土推进时盾构掘进机扭矩计算盾构掘进机在软土中推进时的扭矩包含切削扭矩、刀盘的旋转阻力矩、刀盘所受推力荷载产生的反力矩、密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土压腔内的搅动力矩。①切削扭矩T1计算参数：推进速度v：一般情况下v=1.8m/h，vmax=3m/h刀盘转速n：n=1rpm刀盘每转切深h：h=v/n=3cm，hmax=vmax/n=5cm土的抗压强度：qu=12.2t/m2刀盘直径：Dd=6.40m，半径Rd=3.2mT1=1/2（quhmaxR2）=1/2×（12.2×0.05×3.142）=3.0t.m②刀盘自重产生的旋转反力矩T2T2=G·R1·ug式中：G—刀盘自重，G=64.5t；R1—滚动接触半径，R1=2.05；ug—滚动摩擦系数，ug=0.004；T2=64.5×2.05×0.004=0.53t·m③刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩T3T3=PtR1ug式中：Pt—推力荷载Pt=aπR2Pd+π/4·（d22-d12）C式中：a—刀盘开口率，a=0.65d2—刀盘支撑梁外径，d2=4.8md1—刀盘支撑梁内径，d1=3.84mPt=0.65×π×3.1952×11.998+π/4×（4.82-3.842）×3.0=269.6tT3=269.6×2.05×0.004=2.2t.m④密封装置摩擦力矩T4T4=2πumFm（n1Rm12+n2Rm22）式中：um—密封与钢之间的摩擦系数，um=0.2Fm—密封的推力，Fm=0.15t/m2n—密封数，n1=n2=3Rm1、Rm2—密封的安装半径，Rm1=1.84m，Rm2=2.26mT4=2×π×0.2×0.15×（3×1.842+3×2.262）=4.8t.m⑤刀盘前表面上的摩擦力矩T5T5=2/3（απupR3Pd）式中：up—土层和刀盘之间的摩擦系数，up=0.15；α—刀盘开口率，α=0.65Pd—刀盘中心的土压力，由前面的计算，Pd=11.998t/m2T5=2/3×（0.65×π×0.15×3.1953×11.998）=79.9t·m⑥刀盘圆周的摩擦反力矩T6T6=2πDBPzUp式中：D—盾构掘进机直径，D=6.39mB—刀盘宽度，B=0.45Pz—刀盘圆周土压力，Pz=（P0+P01+P1+P2）/4=（27.56+33.61+20.84+25.01）/4=26.8t/m2T6=2×π×6.39×0.45×26.8×0.15=72.6t·m⑦刀盘背面的摩擦力矩T7刀盘背面的摩擦力矩由土腔室内的压力所产生，假定土腔室内的土压力为0.8Pd。T7=2/3×（απR3up×0.8Pd）=2/3×（0.65×π×3.1953×0.15×0.8×11.998）=63.9t·m⑧刀盘开口槽的剪切力矩T8T8=2/3·πCτR3（1-α）式中：Cτ—土的抗剪应力，Cτ=C+Pdtgφ在切割腔中，由于碴土含有水，因此取：C=1.0t/m2，内摩擦角取为φ=50Cτ=1+11.998×tg50=2.0t/m2T8=2/3×π×2.3×3.1953×（1-0.65）=47.8t·m⑨刀盘土腔室内的搅动力矩T9T9=2π（r22–-r12）LCτ式中：r1—刀盘支撑梁的内径，r1=d1/2=1.92m；r2—刀盘支撑梁的外径，r2=d2/2=2.4m；L—刀盘支撑梁的长度，假定L=0.8m；T9=2×π×（2.42-1.922）×0.8×2.0=20.8t·m⑩刀盘扭矩T为T1-T9之和91TiTT=3.0+0.53+2.2+4.8+79.9+72.6+63.9+47.8+20.8=295.5t·m取T=296t·m盾构机提供的扭矩力：额定=437.5t·m，最大Tmax=525t·m。所以盾构所配备的扭矩足够。