盾构关键参数计算.docx
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盾构关键参数计算
第七节关键参数的计算
欧阳光明(2021.03.07)
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
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