盾构关键参数计算之欧阳与创编.docx
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盾构关键参数计算之欧阳与创编
第七节关键参数的计算
时间：
2021.03.08
创作：
欧阳与
1．地质力学参数选取
根据广州市轨道交通三号线详勘阶段汉溪～市桥盾构段Ⅱ段的岩土工程勘察报告，汉溪站南～市桥站北区间隧道中，左线及右线的工程地质纵断面图，选择右线里程YCK21+037.233处地质钻孔编号为MCZ3-HG-063A的相关地层数据，见地质剖面图7-7-1，作为该标段盾构机选型关键参数设计和校核计算的依据。
该段面地表标高为27.41m，隧道拱顶埋深32.5m，盾构机壳体计算外径6.25m，盾壳底部埋深38.75m，地下稳定水位2.5m。
其它地质要素如表7-7-1所示。
地质要素表表7-7-1
代号
地层
厚度S
（m）
天然密度ρ（g/cm3）
凝聚力C（KPa）
底层深度H（m）
<4－1>
粉质粘性土
12.0
1.95
20.3
12.0
<5Z-2>
硬塑状残积土
13.0
1.88
26.0
25.0
<6Z-2>
全风化混合岩、块石土
14.0
1.91
30.6
39.0
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F1、刀盘正面推进阻力F2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力F3组成，即按公式
F=（F1+F2+F3）.Kc
式中：
Kc——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*C
C—凝聚力，单位kN/m2，查表7-7-1，
取C=30.6kN/m2
L—盾壳长度，9.150m
D—盾体外径，D=6.25m
得：
F1=*D*L*C=3.141596.259.1530.6
＝5498kN
2.2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×pe1
pe2——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×pe2
qfw1——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qfe1qfe2qfw1qfw2
pe1＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8
＝609.2kN/m2
pe2＝609.2＋6.25×1.91×9.8
＝726.2kN/m2
qfe1＝0.37×609.2
＝225.4kN/m2
qfe2＝0.37×726.2
＝268.7kN/m2
qfW1＝（32.5-2.5）×9.8
＝294kN/m2
qfW2＝294+6.25×9.8
=355.3kN/m2
2.3盾构机前方的推进阻力F2
作用于盾构外周和正面的水压和土压见图7-7-2所示。
2
按水压和土压分算公式计算，将以上各项代入公式得：
F2=17539.5kN
2.4盾尾内部与管片之间的摩阻力F3
F3=μc.ωs
μc——管片与钢板之间的摩擦阻力，取0.3
ωs——压在盾尾内的2环管片的自重
F3=0.3×2×（3.1416/4）（62－5.42）×1.5×2.5×9.8
=118.46kN
计算盾构机的总推力F
F=（F1+F2+F3）.KcKc取1.8
F=（5498+17539.5+118.46）×1.8
=32770.7kN
2.5盾构机总推力的经验计算
《日本隧道标准规范<盾构篇>》，根据大量工程实践的统计资料，推荐单位面积上的推力值为：
Fj=1000kN/m2～1300kN/m2
则选型盾构机的总推力F应为
F=（π/4）×6.252（1000～1300）
=（30679.69～39883.60）kN
2.6结论
选型盾构机的推力为36000kN，它大于校核计算值32770.7kN，又控制在经验值范围内，说明该盾构机的推力值合理。
3盾构机刀盘扭矩校核计算
3.1．计算条件
选取地质条件同前，由于该地段埋深较大，考虑土体的自成拱效应，土压力计算按2倍的盾构直径按水土分算进行。
3.1.1天然地基的强度、地压、水压
天然地基的抗压强度（查表）P=500kN/m2
盾构中心的水平土压Pd=107.7kN/m2
盾构中心的水压Pw=324.7kN/m2
上部垂直土压P0=232.5kN/m2
盾构上部的水平土压P2=86.0kN/m2
盾构下部的水平土压P3=129.3kN/m2
下部垂直土压P0'=349.5kN/m2
3.1.2摩擦系数
滚刀盘和天然地基之间的摩擦系数μ=0.3
刀面和天然地基之间的摩擦系数μ1=0.15
滚动摩擦系数μ2=0.004
滚刀密封装置和钢板之间的摩擦系数μ3=0.2
3.1.3滚刀盘
装备的扭矩Tn=7340kN-m
开挖速度V=4.0cm/min
刀盘的旋转Nc=1.15r/min
刀盘的外半径Rc=3.14m
刀盘的宽度lk=0.544m
刀盘的重量G=50t（assumed）
刀盘与工作面的接触率ξ=72%
径向滚柱的半径R1=1.65m
推力滚柱的半径R2=1.7m
刀环的内直径d1=2.2m
刀环的外直径d2=3.4m
3.1.4滚刀密封装置
密封装置的推力Fs=1.5kN/m
密封装置的附件No.1234
密封装置的数量ns3311
密封装置的半径Rs1.051.71.11.7
3.2滚刀盘的阻力扭矩
T1:
切削扭矩
T2:
旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩
T3:
旋转枢纽轴承所承受的、以对应滚刀推力负荷的阻力扭矩
T4:
密封装置的摩擦扭矩
T5:
滚刀盘的正面摩擦扭矩
T6:
滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩
T7:
滚刀盘的背面摩擦扭矩
T8:
滚刀驱动部位的剪切扭矩
T9:
滚刀轴的搅拌扭矩
3.2.1切削扭矩（T1）
=（1/2）P*h*Rc2
h:
切削深度=V/Nc、r0=Rc×100
T1=（1/2）×500.0×（4/1.15）×（3.14×100）2/105=857.4kNm
3.2.2旋转枢纽轴承所承受的、与滚刀重量成比例的阻力扭矩（T2）
T2=G*ｇ*R1*μ2
=50×9.8×1.65×0.004
=3.23kNm
3.2.3旋转枢纽轴承所承受的、以对应滚刀推力负荷的阻力扭矩（T3）
T3=Wr*R2*μ2
推力负荷“Wr”应该如下表示
Wr=ξ*π*Rc2*Pd+（π/4）（d22-d12）Pw=72/100×π×3.14×3.14×107.7+
（π/4）（3.40×3.40-2.20×2.20）×324.65
=4115.4kN
T3=4115.4×1.7×0.004
=28kNm
3.2.4密封装置的摩擦扭矩（T4）
T4=2π*μ3*Fs（ns1*Rs12+ns2*Rs22+ns3*Rs32+ns4*Rs42）
=2π×0.2×1.50×（3×1.05×1.05+3×1.65×1.65
+1×1.10×1.10+1×1.70×1.70）
=29.4kNm
3.2.5滚刀盘的正面摩擦扭矩（T5）
T5=2/3*ξ*π*μ1*Rc3*Pd
=2/3×72/100×π×0.15×3.14×3.14×3.14×107.7
=753.8kNm
3.2.6滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩（T6）
T6=Rc*2π*Rc*lk*μ*Pr
Pr:
滚刀盘周围的平均地压
Pr=（P0+P0'+P2+P3）/4
=（232.5+349.5+86+107.7）/4
=193.9kN/m2
T6=3.14×2π×3.14×0.544×0.3×193.9
=1960.4kN-m
3.2.7滚刀盘的背面摩擦扭矩（T7）
当滚刀盘旋转、而腔地压同时作用于滚刀盘的背面时，进行滚刀盘的背面摩擦扭矩的计算。
T7=2/3*ξ*π*μ1*Rc3*1.0*Pd
=2/3×72/100×π×0.15×3.14×3.14×3.14×1.0×107.7
=754.2kN-m
3.2.8滚刀驱动部位的剪切扭矩（T8）
T8=2/3*π*τ*Rc3（1-ξ）
τ:
土层切削时的剪切阻力（kN/m2）
利用滚刀盘在滚刀腔搅拌含水的出碴，使之和淤泥混合起来。
然后就获得了“改性粘土”
此时，“改性粘土”可以大致如下进行规定为：
C=10.0kN/m2、内摩擦角φs=5.0°,σ=Pd
τ=C+σtanφs
=10.0+107.7×tan5°
=18.5kN/m2
T8=2/3×π×18.5×3.14×3.14×3.14×（1-72/100）
=335.9kNm
3.2.9滚刀轴的搅拌扭矩（T9）
T9=2Rcb*Bcb*lcb*τ*Ncb
=2×3.00×0.60×0.90×18.5×4
=239.8kNm
3.3需要的扭矩（T）和装备的扭矩
T=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9
=857.4+3.23+28+29.4+753.8+1960.4+754.2+335.9+239.8
=4962.1kNm
实际装备的扭矩应该是
Tn=7340kNm
而且其安全系数是
Tn/T=1.48
因此，盾构机具备足够的扭矩
另外，盾构刀盘扭矩也可按如下常用的经验公式计算求得：
3.4扭矩较核
按《日本隧道标准规范<盾构篇>》，根据大量工程实践的统计资料，推荐扭矩的控制标准为：
T=α.D3（kN－m）
式中α—刀盘扭矩系数，土压平衡盾构机α=14～23；
D—盾构计算外径6.25m。
选用盾构的扭矩的经验值范围是：
T=（14～23）×6.253=（3417.97～5616.23）KN.m
制造商提供的计算扭矩在经验值范围内。
3.5结论
选用盾构的最大工作扭矩值为7340KN.m>计算值4962.1kN.m，处于经验值范围且是计算值的1.48倍。
故该盾构机刀盘扭矩满足该段盾构工程的施工需要。
4.刀盘驱动功率验算
a：
刀盘功率P按下式计算
P=Tc*N/9555
式中：
TC—刀盘驱动最大工作扭矩7340（kN•m）
N—刀盘最大扭矩时的转速1.15（r/min）
与该盾构机设计的最大扭矩相对应的转速为1.15r/min，则刀盘执行机构实际功率为：
P=Tc*N/9555=1.15*7340000/9555=883kN
该盾构机的刀盘驱动电机功率设计取值为900kW，满足上述计算要求。
5.刀盘推进功率验算
盾构机最大推进功率（PT）可按
PT=F•V
式中F—总推力（kN）
V—最大推进速度（m/s）
盾构机的设计总推力为34210kN，最大推进速度按60mm/min计，则
PT=F•V=36000×60×10-3/60=36kW
盾构机推进功率的设计取值为50kW,满足上述计算要求。
6.螺旋输送机功率验算
螺旋输送机功率为160kW情况下，最大扭矩105kN.m工况下，其理论转速可达14.5r/min，因输送机在22r/min时的最大排土量，为270m3/h，则在14.5r/min的排土量约178m3/h，完全可以满足施工要求。
7.盾尾内径与管片外径间隙验算（按300m曲线半径）
曲线开挖时要求的盾尾间隙计算如下：
a：
设计参数
盾尾内径D0=6130mm管片外径D=6000mm
管片宽度W=1500mm曲线半径R=250m
盾尾覆盖管片的长度L=3.0m
b：
盾尾间隙
理论值X=X1+X2
其中：
X1—为拼装管片方便并考虑到管片安装误差及偏移所取的间隙裕量。
通常，X1的按下表选择,取X1=30mm。
X2-曲线施工和修正盾构机蛇行所需的间隙。
D＜4m
4m≤D＜6m
6m≤D＜8m
8≤D＜11m
20mm
25mm
30mm
40mm
按下图所示，可求得：
2X2=R1-R1·COSθ，
R1=R-D/2，sinθ=L/R1，
化简成：
假设最小转弯半径R=250m，
将R,D代入上式，得
X2≈9mm
X=X1+X2=30+9=39mm
设计值X=（6080－6000）/2=40mm
这个结果说明在选定的直径和设定的250m转弯半径条件下，只要能保证有39mm的盾尾间隙即可满足施工要求。
而所选盾构机的盾尾间隙设计为40mm，大于计算值。
很显然，同样亦能满足施工要求的转弯半径2000m。
8.管片安装器扭矩和功率的计算：
假设前提
管片重量：
40kN
管片密封处压缩负载：
50kN/m
计算
动态扭矩C等于：
40x（De+Di）/4=114kNm
De：
管片外径，6.0m
Di：
管片内径，5.4m
在转速为2r/min（输送管片时的速度）
功率=Cxω/9555=24kw
ω：
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：
0.2r/min（安装管片时的转速）
功率=Cxω/9555=6.9kW
管片安装器所选功率为：
30kW,满足旋转和安装时的需要。
9、盾构机的运行参数计算
隧道开挖设备所能达到的掘进速度取决于很多因素，其中有些因素在设备设计者的控制范畴之外。
然而，根据经验，可以使用以下方法得到近似的运行数据。
此方法建立在设备平均运行数据基础之上：
平均掘进速度40mm/min
平均衬砌环安装时间30min
管片长度1500mm
掘进与管片安装的转换时间1.5min
循环时间69min
为了包含循环挖掘停机时间以及对沉降的特殊处理，我们估计使用系数为0.6，每个循环约120min，这样我们每个班次工作时间12小时，其中2个小时维修保养，10小时掘进，7.5m/12hours，根据经验判断，第二班掘进速率与第一班差不多。
两个班次工作时间内最高掘进速率为15m/24hours。
第八节盾构机的运转
1.挖掘开始
挖掘开始于启动刀盘旋转和盾构机推进，用挖出的碴土充填土仓以产生限定压力，然后螺旋输送机开始旋转与掘进速率匹配并保持限定压力。
由于很多因素影响盾构机的运行，如实际排碴效率、当时的地层条件，螺旋输送机的旋转速度等，要依据前一挖掘阶段采集的数据优化而定。
挖掘开始时的设备运行模式如下：
1.1刀盘开始旋转，确定旋转速度，推进油缸和螺旋输送机停止运转。
1.2开始推进，并通过控制室里的电位计逐渐提高盾构机的掘进速度。
1.3一旦土仓里的土压达到限定土压要求，即可旋转螺旋输送机，并调整其旋转速度以保持土仓中的限定压力。
2.挖掘过程中
在挖掘过程中，使土仓的进土量和出土量保持平衡，即土仓里填满了被挖掘的碴土。
螺旋输送机要送出和土仓进土量同样数量的碴土，所以就必须仔细监控土仓中的土压和螺旋输送机的排土量。
采取以下措施：
2.1盾构机掘进速度根据保持刀盘前方稳定所需的限定压力而设定。
刀盘上还要储备足够的动力，以处理突然发生的问题。
2.2螺旋输送机的转速设定为可以排出和被挖掘泥土与注入物质相等的弃土量。
在选定转速之前，要了解螺旋输送机在实际地层条件下的排碴效率。
2.3当限定压力因为地层条件、螺旋输送机排碴效率或土仓里的混合条件发生变化而变化时，就必须再次优化螺旋输送机的转速。
2.4如果调整螺旋输送机的转速不能使限定压力达到要求的数值时，就改变盾构机掘进速度。
以上描述，可用以帮助理解土压平衡的基本原理，但更重要的是经验，是工程特定地层条件下的盾构机的运行性能与掘进参数优化，例如：
有高含量粘土的粘质地层可能会闭合刀盘开口、粘附于搅拌部件、堵住螺旋输送机，增加了刀盘扭矩和推力，最后就会大大限制了盾构机的掘进速度，此时应认真观察添加剂向刀盘前方或土仓内的注入；不管以任何方式向前推进盾构机，如果土仓里碴土的流动性条件不好，不仅会降低掘进速率，而且会导致严重的机械异常，
更不准在螺旋输送机停止时推进盾构机。
3.开挖监控
3.1限定压力
限定压力有三种效果：
3.1.1与地下水静压保持平衡，防止盾构机周围的地下水循环以及大量地下水涌入土仓干扰刀盘前方的稳定。
3.1.2平衡水平压力，防止刀盘前方坍塌。
3.1.3分担洞顶的稳定性，防止其坍塌而导致沉降，甚至危及地面。
3.2选择以下参数的最大值可以确定限定压力的数值：
3.2.1由地下水位和隧道的相关位置给出的静水压力；
3.2.2地层平衡应力。
一般说来，完全平衡没有必要。
在过高压力下操作盾构机会导致土仓严重发热，设备结构与切削刀具的严重磨损，以及刀盘和土仓卡壳的危险。
为了使盾构机正常运行而有效工作，应尽可能保持低压。
3.2.3根据承压隔板上土压传感器压力显示，设定螺旋输送机的转速和推力油缸的前进速率以调整限定压力。
土压传感器测出的压力比刀盘前面实际支承压力低，其差异来源于渣土通过刀盘开口时产生的压降，刀具室里混合物密度的变化以及刀盘旋转的动力效应。
潮湿粘土的影响比较低，但是颗粒很大的干土影响就变得很大。
3.3土压控制
所选用的盾构机的承压隔板在不同位置上安装了4个土压传感器。
在控制室里的监视屏上显示其压力，可帮助操作人员选择必需的限定压力；另外一个土压传感器安装在螺旋输送机外壳里，可向操作人员显示螺旋输送机沿途的压降，检测“栓塞”和弃土流动性的变化。
如果有必要，要改变盾构机的掘进参数（泡沫或注水量，限定压力等）
●
1个位于上部（顶部压力）
●2个位于水平轴（平均压力）
●1个位于下面（最大压力）
3.4挖方量的控制
开挖隧道时，尤其是在市区地下，重要的一点是严格限制地面的异常。
然后，在整个工程进展中，操作人员必须检查盾构机是否按开挖路径排出泥土而没有超量。
检查出土量的一般方法是清点一个挖掘行程内装满泥土的矿车数量，可在一个行程结束之际得出结果。
为了在掘进过程中及时检查弃土量并使操作人员参与，该盾构机安装了弃土称量系统，操作人员观察其中一个监视屏上显示的该行程的开挖弃土量，并与上一校准理论重量作比较验证排土量。
当弃土量过大或过小时，弃土称量系统会发出警报，提醒操作人员改变掘进参数，以避免地面发生过大的沉陷或隆起。
第九节盾构机附图
787PE16012：
盾构机主机图
787PE16006:
后配套系统图
787PE16066:
刀盘间距图
787PE16008：
刀盘，用于混合地层
787PE16076：
刀具结构图
787PE16011：
刀盘，用于软土
787PE16036：
片式刮刀图
787PE16009/A：
管片安装器
787PE16010/A：
驱动装置
787PE16078：
螺旋输送机液压系统图
804SHCZ002：
推进与铰接液压图
999SHGB001/A：
同步注浆系统原理图
787SH160EO泡沫注入系统原理图
第十节管模加工精度和保证措施及相关图纸
1、管片模具
本工程使用6套管片环模具。
其中4套为标准环，1套左弯环，1套右弯，每环管片模具中由6副模具组成，有3副是标准管片模具，2副邻接管片模具，1副封顶管片模具。
这样，6环管模中共计36副模具在车间生产线上参与管片生产。
管片钢模具制造拟选上海隧道工程股份有限公司机械厂制造，意大利CIFA公司作为管模备选供应商。
上海隧道机械厂的钢模尺寸的允许偏差见表10-1-1：
表10-1-1管模加工精度表
项目
单位
允许偏差
检验频率
检查方法
范围
点数
宽度
mm
＋0.2~－0.4
每只
6
左中右三个断面各测一点
弦长
mm
±0.5
每只
2
两侧各测一点
底座夹角
秒
±0.6
每只
4
四角各测一点
纵环向芯
棒中心距
mm
±0.5
每只
2
抽查
内腔高度
mm
±1
每只
2
抽查
2、管模加工保证措施及相关图纸
2.1底模
1）底模以10mm厚的钢板通过在冷弯板上形成轮廓，并以重型钢框架承托。
2）依据混凝土自重和震动力产生的荷载计算钢结构构件的厚度。
3）底模的外边缘用一台数控机床加工，所有的部件被安装在固定架上。
4）固定架用于固定机械构件，并将这些构件焊到钢结构上。
2.2侧挡板及顶盖板
2.2.1侧挡板及顶盖板在特厚的钢板上进行加工，以便适合接缝形状（依据图纸）,构件加工后最终厚度不低于15mm。
2.2.2侧板上设有重型铰链，螺杆式锁杆和锥形导向定位孔，可快速准确地运动。
2.2.3钢板通过一台数控式氧气割枪进行切割。
2.2.4所有部件均固定在台架上，点焊临时固定。
2.2.5装配件喷砂并最终焊接。
2.2.6然后所有的部件被送去热处理去除一切焊接应力，防止在最后精细加工时，模板出现变形。
2.2.7精密机床用于加工接缝，例如密封带坑槽和斜倾角等。
2.3装配
2.3.1模具在工厂通过专用台架装配。
2.3.2在侧挡板与顶盖板之间以及他们与底板之间的铰链和轴承，在装配时定位并焊接，以便这些构件正确就位。
2.3.3每个装配工作完成后，采用专用模片用于检测达到的精度
2.3.42套检测模片同模具一起提供，以确保在生产期间，模具在容许偏差内。
2.4选择试验环测试
在工厂内进行一个混凝土环的组装试验，并进行检测，以便检查模具是否在期望的偏差内。
2.5管模的性能和特征
2.5.1适用于2000件管片生产，无损其精度。
2.5.2适宜于加速蒸气养护系统（最大75度）。
2.5.3适宜于在底部装上震动器，每台钢模下部设有两个震动器接合底座。
2.5.4每个标准模具带有12个螺栓和手孔。
2.5.5在拱部的密封带坑槽。
2.5.6每个模具在中部带有注浆孔。
2.6模具尺寸检查
2.12.1每一种类型模具配有检测仪器，用于常规尺寸检查。
1.12.2通过在模板上的插入薄垫片或直接读取检查尺寸。
2.13检测仪器清单
.一套模板
.一套薄垫片
.一个10米口径检测器
.一套角模板
2.7交付
2.15.1首先2套模具
2003年6月15日交付前两套模具
2.15.2后4套模具
2003年7月15日交付后四套模具，详见《第十一节》。
2.8附图
标准块管模总图MG/6.2D-01
3、钢模制作质量控制计划
3.1目的
通过编制本质量计划，达到落实资源、进度和措施并对质量进行严格的控制，从而使钢模的质量满足规定的要求。
3.2适用范围
本质量计划适用于广州地铁钢模的图纸设计、工艺制定、加工过程、质量检验等环节的指导，本产品生产结束，本质量计划即告失效。
3.3质量目标
3.3.1产品质量满足设计图纸的要求。
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