第七节 关键参数的计算1．地质力学参数选取MCZ3-HG-063A 7-7-1，作为该标段盾32.5m ，盾构机壳体计算38.75m ，地下稳定水位2.5m 。
地质要素表 表7-7-1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F 1、刀盘正面推进阻力F 2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力F 3组成，即按公式F=( F 1+F 2+F 3).K c式中：K c ——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*CC —凝聚力，单位kN/m 2 ，查表7-7-1，取C= 30.6kN/m2L—盾壳长度，9.150mD—盾体外径，D=6.25m得： F1=π*D*L*⋅C=3.14159⨯6.25⨯9.15⨯30.6＝ 5498 kN2.2 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×pe1pe2——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×pe2qfw1——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qfe1 qfe2qfw1qfw2pe1＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8 ＝609.2kN/m2pe2＝609.2 ＋6.25×1.91×9.8＝726.2 kN/m2qfe1＝0.37×609.2＝225.4 kN/m2qfe2＝0.37×726.2＝268.7 kN/m2qfW1＝(32.5-2.5) ×9.8＝294 kN/m2qfW2＝294+6.25×9.8=355.3 kN/m22.3 盾构机前方的推进阻力F 2作用于盾构外周和正面的水压和土压见图7-7-2所示。
按水压和土压分算公式计算，将以上各项代入公式得：F 2 = 17539.5kN2.4 盾尾内部与管片之间的摩阻力F 3F 3=μc .ωsμc ——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F 3=0.3×2×(3.1416/4)(62－5.42)×1.5×2.5×9.8 =118.46 kN 计算盾构机的总推力FF=( F 1+F 2+F 3).K c K c 取1.8 F=(5498 +17539.5+118.46) ×1.8 = 32770.7 kN2.5 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：F j =1000 kN/m 2～1300 kN/m 2 则选型盾构机的总推力F 应为图7-7-2盾构机受力示意图44221122w e w e D F ⋅=π 2F=(π/4)×6.252(1000～1300)=(30679.69～39883.60) kN2.6 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= 500 kN/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/m23.1.2 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= 0.23.1.3 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%= 1.65m径向滚柱的半径 R1= 1.7m推力滚柱的半径 R2= 2.2m刀环的内直径 d1= 3.4m刀环的外直径 d23.1.4 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. 1 2 3 4密封装置的数量 ns 3 3 1 1密封装置的半径 Rs 1.05 1.7 1.1 1.7 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*Rc2h:切削深度=V/Nc、r0=Rc×100T1=(1/2)×500.0×(4/1.15)×(3.14×100)2/105=857.4 kNm3.2.2 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=3.23kNm3.2.3 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 =4115.4kNT3=4115.4×1.7×0.004=28kNm3.2.4 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)=29.4kNm3.2.5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=753.8kNm3.2.6滚刀盘外沿所承受的摩擦阻力扭矩(T6)T6=Rc*2π*Rc*lk*μ*PrPr: 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/m2T6=3.14×2π×3.14×0.544×0.3×193.9=1960.4 kN-m3.2.7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-m3.2.8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=10.0 kN/m2、内摩擦角φs=5.0°,σ=Pdτ=C+σtanφs=10.0+107.7×tan5°=18.5kN/m2T8=2/3×π×18.5×3.14×3.14×3.14×(1-72/100)=335.9 kNm3.2.9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=239.8kNm3.3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4962.1 kN.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。