第 1 页 共 11 页 7.8.2 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。 7.8.2.1 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 Pe 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 =γ h+ P0
P01= Pe + G/DL P1=Pe×λ P2=(P+γ .D) λ 式中： λ 为水平侧压力系数， λ =0.47 h 为上覆土厚度， h=12.8m γ 为土容重， γ =1.94 t/m3
G 为盾构机重， G=340 t D 为盾构机外径， D=6.25 m ； L 为盾构机长度， L=8.32 m ； P0 为地面上置荷载， P0=2 t/m2； P01 为盾构机底部的均布压力； P1 为盾构机拱顶处的侧向水土压力； P2 为盾构机底部的侧向水土压力； Pe=1.94×12.8+2=26.83 t/m2
P01=26.83+340/（6.25× 8.32）=33.37t/m2 P1=26.83×0.47=14.89t/m2
P2 =(26.83+1.94×6.25)× 0.47=18.3t/m2
7.8.2.1.1 盾构推力计算 盾构的推力主要由以下五部分组成： F F1 F2 F3 F4 F
5
式中： F1
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
F3 为切土所需要的推力； F4 为盾尾与管片之间的摩阻力 F5 为后方台车的阻力 F1
1 ( Pe P01 P1 P2 ) DL .
4 式中： ：土与钢之间的摩擦系 数，计算时取 0.3 第 2 页 共 11 页 F1
1 （26.83 33.37 14.89 18.3） 6.25 8.32 0.3 1144.23t
4
F2 （ 2 ） 4 D Pd
式中： Pd 为水平土压力 ， Pd
（h
D ）
D 6.28 15.93m 2
h 12.8 2 2 P 0.47 1.94 15.93 14.52t / m2
d
F2 / 4（6.28
2
14.52） 445.48t
F 3 （ D
2C）
/ 4 式中： C 为土的粘结力， C=4.5t/m2
F3 （6.25
2 4.5） 138.06t
4 F4 Wc c
式中：WC 、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/m3，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=0.3
F4 48.24 0.3 14.47t F5 G h sin g G h cos
式中： Gh 为盾尾台车的重量， Gh≈160t； θ为坡度， tgθ=0.025 μg 为滚动摩阻， μg=0.05 F5 160 0.025 0.05 160 1 12.00t
盾构总推力： F 1144.23 445.48 138.06 14.47 12.00 1754.24t
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： M M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M 8 M 9
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 第 3 页 共 11 页 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
M R0 M 1 2 )
1 Chrdr 1 (C hm a R
0 2
式中： Cг：土的抗剪应力，
Cг =C+Pd×tgφ=4.5+14.52× tg20°=9.78t/m
2
hmax：刀盘每转的最大切削深度， hmax=8cm/转
R0：最外圈刀具的半径， R0=3.14m 1 2 2
M 1 (9.78 8 10 3.14 ) 3.83t m
b．刀盘自重产生的旋转力矩 M
2
M 2=GRμg
式中： G：刀盘自重，计算时取刀盘的自重为 G=55t
R：轴承的接触半径，计算时取为 R=2.6m μ g：滚动摩擦系数，计算时取为 μg=0.004 M 2=55×2.6×0.004=0.57t﹒m
c．刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩 M
3
M 3=WpRgμ z Wp=απ Rc2P
d
式中： Wp：推力荷载 ； α：刀盘封闭系数， α=0.70
Rg：轴承推力滚子接触半径， Rg=1.25m ； Rc：刀盘半径， Rc=3.14 μ z：滚动摩擦系数， μz=0.004 ；Pd：水平土压力， Pd=14.52t/m
2
Wp=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
4
M 4=2πμ mF（n1Rm12+n2Rm2
2）
式中：μm：密封与钢之间的摩擦系数， μ m
=0.2；F：密封的推力， F=0.15t/m
1 2 1 2 =3； R m1、 Rm2：密封的安装半径， Rm1
n 、 n ：密封数， n =3 n =1.84m
Rm2=2.26m； M 4= 2π× 0.2× 0.15×（ 3×1.842+3×2.262）=4.80 t·m
e．刀盘前表面上的摩擦力矩 M
5 第 4 页 共 11 页 M 5 2 ( P R3 Pd ) 3 式中：α ：刀盘开口率， α =0.30；μ P：土层与刀盘之间的摩擦系数， μP=0.15
R：刀盘半径， R=3.14m M 5 2 (0.30 0.15 3.143 14.52) 41.96t m
3 f．刀盘圆周面上的摩擦力矩 M
6
M 6=2πR2BPZμP
式中： R：刀盘半径， R=3.14m ；B：刀盘宽度， B=0.775m PZ：刀盘圆周土压力 PZ=（Pe+P01+P1+P2） /4=（ 26.83+33.37+14.89+18.3）/4=23.35t/m
2
M 6=2π× 3.142× 0.775×23.35×0.15=167.09t·m
g．刀盘背面的摩擦力矩 M
7
M 7=2/3[（ 1-α）π R3μP×0.8Pd]
M 7=2/3（0.70×π×3.143× 0.15×0.8×14.52）=78.33t· m
h．刀盘开口槽的剪切力矩 M
8
M 8 2 C R3 3 式中： Cτ：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/m2，φ=5°； Cτ =C+Pd× tgφ=1+14.52× tg5=2.27 t/m2 M 8 2 2.27 3.143 0.30 45.88t m
3 i．刀盘土腔室内的搅动力矩 M
9
9 1 2－ R2 2） LCτ
M =2π（ R
式中： d1 ：刀盘支撑梁外径， 1 ； 2 ：刀盘支撑梁内径， 2 d =4.8m d d =3.84 m
L：支撑梁长度， L=0.8 m
M 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·m 7.8.2.2 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 .