Φ6250复合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。

一、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P e 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 =γh+ P 0P 01= P e + G/DLP 1=P e ×λP 2=(P+γ.D) λ式中：λh γ为土容重，γG 为盾构机重，D 为盾构机外径，D=6.25 m ； L 为盾构机长度，L=8.32 m ； P 0为地面上置荷载，P 0=2 t/m 2； P 01为盾构机底部的均布压力；P 1为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P 2为盾构机底部的侧向水土压力；P e =1.94×12.8+2=26.83 t/m 2 P 01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m 2 P 1=26.83×0.47=14.89t/m 2P 2 =(26.83+1.94×6.25)×0.47=18.3t/m 21、盾构推力计算盾构的推力主要由以下五部分组成：54321F F F F F F ++++=式中：F 1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F 3为切土所需要的推力；F 4为盾尾与管片之间的摩阻力F5为后方台车的阻力πμ.)(4121011DL P P P P F e +++=3.0=μμ数，计算时取：土与钢之间的摩擦系式中：t F 23.11443.032.825.63.1889.1437.3383.26411=⨯⨯⨯+++⨯=π）（ ）（d P D F 224π= 为水平土压力式中：d P ，）（2D h P d +=λγ m D h 93.15228.68.122=+=+ 2/52.1493.1594.147.0m t P d =⨯⨯=t F 48.44552.1428.64/22=⨯=）（π）（C D F 234/π= 式中：C 为土的粘结力，C=4.5t/m 2t F 06.1385.425.6423=⨯⨯=）（πc c W F μ=4式中：W C 、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/m 3，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 =0.3t F 47.143.024.484=⨯=θμθcos sin 5h g h G G F +⋅=式中：G h 为盾尾台车的重量，G h ≈160t ；θ为坡度，tg θ=0.025μg 为滚动摩阻，μg =0.05t F 00.12116005.0025.01605=⨯⨯+⨯≈盾构总推力：t F 24.175400.1247.1406.13848.44523.1144=++++=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：987654321M M M M M M M M M M ++++++++=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 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⎰=001R Chrdr M )(2120m a x 1R h C M Γ= 式中：C г：土的抗剪应力，C г=C+P d ×tg φ=4.5+14.52×tg20°=9.78t/m 2h max ：刀盘每转的最大切削深度，h max =8cm/转R 0：最外圈刀具的半径，R 0=3.14mm t M ⋅=⨯⨯⨯=-83.3)14.310878.9(21221 b ．刀盘自重产生的旋转力矩M 2M 2=GR μg式中：G ：刀盘自重，计算时取刀盘的自重为G=55tR ：轴承的接触半径，计算时取为R=2.6mμg ：滚动摩擦系数，计算时取为μg =0.004M 2=55×2.6×0.004=0.57t ﹒mc ．刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M 3M 3=W p R g μz W p =απR c 2P d式中：W p ：推力荷载 ；α：刀盘封闭系数，α=0.70R g ：轴承推力滚子接触半径，R g =1.25m；R c ：刀盘半径，R c =3.14 μz ：滚动摩擦系数，μz =0.004 ；P d ：水平土压力，P d =14.52t/m 2W p =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 4M 4=2πμm F （n 1R m12+n 2R m22）式中：μm ：密封与钢之间的摩擦系数，μm =0.2；F ：密封的推力，F=0.15t/m n 1 、n 2 ：密封数，n 1=3 n 2=3；R m1、R m2：密封的安装半径，R m1=1.84m R m2=2.26m ；M 4= 2π×0.2×0.15×（3×1.842+3×2.262）=4.80 t ·me ．刀盘前表面上的摩擦力矩M 5)(3235d P P R M απμ= 式中：α：刀盘开口率，α=0.30；μP ：土层与刀盘之间的摩擦系数，μP =0.15 R ：刀盘半径，R=3.14mm t M ⋅=⨯⨯⨯=96.41)52.1414.315.030.0(3235π f ．刀盘圆周面上的摩擦力矩M 6M 6=2πR 2BP Z μP式中：R ：刀盘半径，R=3.14m ；B ：刀盘宽度，B=0.775mP Z ：刀盘圆周土压力P Z =（P e +P 01+P 1+P 2）/4=（26.83+33.37+14.89+18.3）/4=23.35t/m 2M 6=2π×3.142×0.775×23.35×0.15=167.09t ·mg ．刀盘背面的摩擦力矩M 7M 7=2/3[（1-α）πR 3μP ×0.8P d ]M 7=2/3（0.70×π×3.143×0.15×0.8×14.52）=78.33t ·mh ．刀盘开口槽的剪切力矩M 8απτ3832R C M ⋅= 式中：C τ：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/m 2，φ=5°；C τ=C+P d ×tg φ=1+14.52×tg5=2.27 t/m 2 m t M ⋅=⨯⨯⨯⨯=88.4530.014.327.23238π i ．刀盘土腔室内的搅动力矩M 9M 9=2π（R 12－R 22）LC τ式中：d 1 ：刀盘支撑梁外径，d 1=4.8m ； d 2 ：刀盘支撑梁内径，d 2=3.84 m L ：支撑梁长度， L=0.8 mM 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 ·m7.8.2.2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.盘形单刃滚刀的参数如下:直径 d=43.2cm(17英寸)，R=21.6cm刃角 α=60°每转切深 h=1 cm刀盘直径 D=6.28m盘形滚刀刀间距， B m =2htg φ/2式中：φ为岩石的自然破碎角，查表选取φ=155°B m =2×1×tg155/2=9.5cm ≈10cm7.8.2.2.1盾构推力的计算硬岩具有完全自稳能力。

在硬岩中掘进时，盾构机的拱顶、两侧、底部所受的压力均很小，对盾构机的推进影响不大，盾构机的推力主要消耗在滚刀贯入岩石所需要的推力上，所以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，其它在选取盾构机推力的富裕量时进行统筹考虑。

根据力平衡原理和能量守恒原理计算盘形滚刀的滚压推力，每个盘形滚刀的推力F 总=mF 力式中： F 力为单个滚刀贯入岩石所需要的力m 为刀盘上安装的盘形滚刀(单刃)的数量22)35()5.13424.15.0φθtg h Rh h r R K F i i d -=（压力 式中：K d 为岩石的滚压系数，查表取K d =0.55R 压为岩石的抗压强度，R 压=62.3Mpa=623kg/cm 2r i 为盘形滚刀的刃角半径；r i =8cmθi 为盘形滚刀的半刃角；θi =30°φ为岩石的自然破碎角，φ=155°t tg F 64.242155116.2121)3530()5.1862355.03424.15.0=-⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=（力 m= D /(2×B m )式中：D 为刀盘的外径，D= 6.28mB m 为滚刀的刀间距，B m =10cmm = 6.28/(2×10×10-2)=31本盾构机设计双刃滚刀19把，合计单刃滚刀38把，满足需要。

盾构机的总推力：F 总=mF 力=38×24.64=936.32t7.8.2.2.2盾构扭矩的计算硬岩掘进的扭矩主要由以下三部分组成：321T T T T ++=式中：T 1为刀盘滚动阻力矩计算T 2为石碴提升所需要的扭矩T 3为克服刀盘自重所需要的扭矩a ．刀盘滚动阻力矩计算T 1∑==mi i m m FB T 11式中：F 为单刃滚刀的滚动力力P hR h F -=243ξ 式中：ξ为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数，ξ=0.8P 力=F 压=24.64h 为每转切深，h =1cmR 为盘形滚刀的半径，R=6.21 mm27.264.2416.21218.043=⨯-⨯⨯⨯=F B m 为盘形滚刀刀间距，B m =10cm=0.1mm t m T i i ⋅=⨯⨯=∑=99.2041.027.24211b ．石碴提升所需要的扭矩T 2T 2=q πR 2h μ1R式中：q 为石碴容重，q=2.59t/m 3R=3.14 mH=1 mm/nμ1为刀盘系数，μ1=0.70T2=2.59×π×3.142×0.01×0.70×3.14=1.75tc．克服刀盘自重所需要的扭矩T3T3=W1μ1R式中：W1为刀盘自重，W1=55 tμ1=0.70R=3.14mT3=55×0.70×3.14=120.51t·m硬岩掘进所需要的力矩T= 204.99+1.75 +120.51= 327.25t·m7.8.2.3推力和扭矩的选取及验证软土中掘进：推力F=1754.24t，扭矩T=365.48t·m硬岩中掘进：推力F=936.32t，扭矩T=327.25 t·m由于盾构在施工中经常需要纠偏、转向，因此盾构的推力实际上要比计算出来的大，按照经验数据，盾构实际配备的推力为计算值的1.5倍。