6140mm土压平衡盾构机土压盾构机设计计算书

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1、6140mm土压平衡盾构机型号 TM614PMX设 计 计 算 书目录 页数1、 计算条件.21.1工程条件.21.2地质条件. 21.3盾构机重要参数计算.32、 盾构机刀盘所需扭矩计算.43、 盾构机掘进时所需推力计算.64、 盾构机壳体强度计算.84.1 盾尾壳体强度计算.84.2 铰接壳体强度计算125、 切削刀具寿命的计算.125.1计算条件.125.2计算措施.125.3计算成果.146、 三排园柱滚子轴承计算.14 6.1 盾构机规格.14 6.2 正常掘进载荷及三排园柱滚柱轴承强度计算157、 刀盘驱动部传动齿轮强度计算.177.1 齿轮弯曲强度计算 .177.2 齿面接触强度

2、计算 .188、螺旋输送机规格计算.199.1、输送能力199.2、驱动力矩191、计算条件 ： 1.1、工程条件： (1) 隧道长度 2676.471mm(2) 隧道最小转弯半径 250m (3) 盾构机开挖直径 6160mm(4) 管片外径 6000mm(5) 管片内径 5400mm(6) 管片宽度 1200mm(7) 管片厚度 300mm (8) 分块数 5+1块(9) 隧道坡度 坡度 35 1.2、地质条件： 本工程隧道地质条件重要为：隧道重要穿越第四纪粉土、粉质粘土、粉细砂层及卵石圆砾地层，最大砾径140mm，透水系数在6号细砂层中最大：1.210-36.010-3。20m78m土层

3、（2.1t/m3）水位盾构机p=9.8kN/m2 图 1-1注： 有关地面荷载，在不清晰的状况下假定9.8kN/m2(1.0tf/m2)进行计算。对于粘土、砂、砂砾土层，根据小松公司的长期经验，切削刀的切削阻力系数在粘土（水土不分离）中最大，见表1-1。因此本工程采用粘土层（水土不分离）以及隧道上方的土体松弛高度以全覆土来计算盾构机各重要参数。表1-1切削阻力系数地质es（切削阻力系数）松弛干燥砂0.0080.01松弛湿润砂0.010.02密实湿润砂0.020.04粘土0.41.2地质的一般条件：(1) 土质 粘土、砂、砂砾(2) 隧道覆土厚度 20 m(3) 地下水位GL- 78 m(4)

4、透水系数 cm/sec(5) 原则贯入值（maxN值） 57(6) 内摩擦角 deg (7) 粘着力 kN/cm2(8) 含水率（W%） %(9) 地面负荷 1 tf/m2(10) 地层反力系数 kN/m2 1.3、盾构机计算的重要参数：本计算书重要计算如下盾构机参数（如表1-2所示）。具体的规格见盾构机技术规格书。表1-2 盾构机重要计算参数盾构机外径6.14m刀盘扭矩5,160KNm 526tfm (100%)6,181KNm 631tfm (120%)盾构机总推力37,730KN 3,850tf盾尾钢板厚度45mm盾尾钢板材质SS400 (相称于中国Q235)轴承及齿轮6,000小时螺旋

5、输送机能力及扭矩250m3/h 5.5tf-m刀具寿命1200m变压器容量1100KVA2、盾构机刀盘所需扭矩的计算： 1 计算条件 * * *水、土不分离计算* * *（1） 土质 粘土、砂、砂砾（2） 覆土 H 20 m（3） 水头 Hw 0m （）（4） 土的单位体积质量 水位上部 W0 2.1t/m3（5） 土的单位体积质量 水位下部 W1 2.1t/m3（6） 水的单位体积质量 W2 0t/m3 （）（7） 原则贯入实验值 N 0 （8） 内摩擦角 0 deg（9） 地面载荷 S 1.0t/m2（10）侧方土压系数 K1 0.7（11）松弛土的粘着力 c 4.905 KN/ m2（1

6、2）盾构机外径 d 6.14 m（13）盾构机半径 r 3.07 m（14）壳体长 L 7.74 m（15）盾构机质量 G 235 t（16）掘削断面积 A 29.61 m2（17）刀盘开口率 40%（18）刀盘半径 rc 3.065 m（19）刀盘厚 l 0.4 m（20）切削阻力系数（见表1-1） es 1.2（21）切削刀刃宽度 B0 12 cm（22）切深 t 2.3 cm（23）切削刀刃的前角 0.262 rad（24）主刀具数量 （安装总数的一半） nt 49个（25）主刀具平均安装半径（ d/4） Rk 1.535 m（26）刀盘支撑梁数 na 6 个（27）刀盘支撑梁平均安装半

7、径 Ra 1.6 m（28）刀盘支撑梁外径 da 0.46 m（29）刀盘支撑梁长度 la 0.68m（）标记表达以水土不分离进行计算时不使用。2 各参数的计算（1）松弛高度计算 考虑地面负载时的覆土 H1 = H + S/W0 20.5 m 松弛高度 H2 由于是用全覆土计算，因此松弛高度为： H2 = H1 20.5 m （松弛宽度 B） B = rcos(45-/2)+r1+sin(45-/2)tan(45-/2) 7.4 m（2） 土压计算作用在壳体上的土压为上部土压P1、侧压P2及下部土压P的平均值。上部土压P1P1 = H2W1 421686 Pa 43.0tf/m2 侧压 P2P

8、2 = K1（H2+r）W1 339437 Pa 34.6tf/m2 下部土压 P3P3 = P1+G/（dL） 470179 Pa 47.9tf/m2 平均土压 PP = （P1+2P2+P3）/4 392685 Pa 40.0tf/m2 3 所需扭矩计算盾构机刀盘扭矩是由刀具的切削阻力矩、面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩、搅拌翼的阻力矩等构成。（1）刀具的切削阻力矩 T1地质es松弛干燥砂0.0080.01松弛湿润砂0.010.02密实湿润砂0.020.04粘土0.41.2 一种切削刀刃所需的阻力矩H根据村山田经验公式计算 H = 2.1esB0t210（-0。22） 1374 N 140

9、kgf T1 = ntHRk 103 kN-m 10.5tf-m（2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩 T2 T2 = 4c（1-）rc3/6 1740 kN-m 177.6tf-m（3）刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩 T3 T3 = clrc2 568 kN-m 58tf m（4）搅拌翼的阻力矩 T4 T4 = 2nadalarac 289 kN-m 29.46tf-m（5）所需扭矩 T T = T1+T2+T3+T4 2700 kN-m 275.5 tf-m（6）装备扭矩余量 S 装备扭矩T0 （100%时） 5160 kN-m 526tf-m 安全率 S= T0/T 1.91倍装备扭矩T0

10、 （120%时） 6181 kN-m 631tf-m 安全率 S= T0/T 2.29倍 由计算可知，本盾构机配备了充足的扭矩。本盾构机在100%扭矩时(=526 tf-m)是理论计算的1.91倍，有充足的余量，并且在120%扭矩时（=631 tf-m）具有2.29倍的计算扭矩，因此足以保证工程的需要。3、盾构机所需推力的计算： 1 计算条件 * * *水、土不分离计算* * *（1） 土质 粘土、淤泥质粘土 （2） 覆土 H 20m（3） 水头 Hw 0m （）（4） 土的单位体积质量 水位上部 W0 2.1t/m3（5） 土的单位体积质量 水位下部 W1 2.1t/m3（6） 水的单位体积

11、质量 W2 0t/m3 （）（7） 原则贯入实验值 N 0 （8） 内摩擦角 0 deg（9） 地面载荷 S 1t/m2（10）土压系数 K1 0.7（11）松弛土的粘着力 C 49.05 KN/ m2（12）盾构机外径 d 6.14 m（13）盾构机半径 r 3.07 m（14）壳体长 L 7.3 m（15）盾构机质量 G 235 t（16）掘削断面积 A 29.61 m2（17）后续设备的质量 GB 100t（18）牵引系数 0.5（19）管片外径 Ds 6.0 m（20）管片与盾尾密封的摩擦阻力 s 0.3（21）盾尾密封数 n 3 道（22）盾尾密封挤压力 PT 0.00314 MN/

12、m（）标记表达以水土不分离进行计算时不使用。2 各参数计算(1) 松弛高度计算 考虑地面负载时的覆土 H1 = H + S/W0 20.5 m 松弛高度 H2 由于是用全覆土计算，因此松弛高度： H2 = H1 20.5 m 松弛宽度计算 B B = rcos(45-/2)+r1+sin(45-/2)tan(45-/2) 7.4 m(2)土压计算作用在壳体上的土压为上部土压P1、侧压P2及下部土压P3的平均值。上部土压P1P1 = H2W1 421686 Pa 43.0tf/m2 侧压P2P2 = K1（H2+r）W1 339437 Pa 34.6tf/m2 下部土压P3P3 = P1+G/（

13、dL） 470179 Pa 47.9tf/m2 平均土压PP = （P1+2P2+P3）/4 392685 Pa 40tf/m2 3 推力计算 盾构机推力由壳体外周摩擦阻力、胸板所受的土压与水压、后续设备的牵 引力、管片与盾尾密封的摩擦阻力等构成。（1）克服壳体外周摩擦阻力的推力 F1 F1 = dLc 7323 kN 746 tf （2）克服胸板所受的土压与水压的推力 F2 F2 = AP2 10050 kN 1025 tf （3）克服后续设备的牵引力的推力 F3 F3 = GB 490 kN 50tf （4）克服管片与盾尾密封摩擦阻力的推力 F4F4 = DssnPT 53 kN 5tf（

14、5） 推动时所需推力 F F = F1+F2+F3+F4+ 17915 kN 1827tf4 装备推力 虽然对曲线施工和方向控制来说盾构机推动油缸数量多比较好，但受空间的限制，因此尺寸及数量受到制约。 本盾构机配备的油缸数量及推力： 1715 kN 175 tf 22 （只）装备推力 F0 F0 = 171522 37730 kN 3850tf 安全率 F0/F 2.1倍由计算可知，本盾构机配备了充足的推力。注：本计算从安全考虑，土压计算时的松弛高度采用全覆土计算，而事实上松弛高度要比全覆土小，因此上述装备推力十分充足。并且，本盾构机的装备推力为所需理论推力的2.1倍，相应曲线施工也具有充足的

15、余量。4、 盾构机壳体强度计算4.1 盾尾壳体强度计算1 计算条件 过江段、全覆土 （水、土不分离计算）(1) 复土深度 H=20m(2) 地下水位 H0=0m （）(3) 土的质量 （水上部分） W0=2.1t/m3(4) 土的质量 （水上部分） W1=2.1t/m3(5) 水的质量 W2=0t/m3 （）(6) 土的内部摩擦角 Q=0度(7) 地盘反力系数 K=500.0 t/m3(8) 盾构机外径 D=6.14m(9) 盾构机半径 R=3.07m (10) 盾构机长度 L=7.3m (11) 盾构机自重 G=235.0t(12) 盾构机壳体板厚 T=4.50cm(13) 路面负荷 S=1

16、.0t/m2（）标记表达以水土不分离进行计算时不使用。2 各参数的计算(1) 土压系数K1假定土压系数K1 0.700(2) 盾构机单位面积质量G1G1=G/(PIDL) 1.574 tf/m2PI=圆周率=3.14(3) 壳体断面惯性矩(每100cm) II=100/12T3 759.3750cm4(4) 壳体断面抗弯模数(每100cm) Z Z=100/6T2 337.5000cm3(5) 壳体断面积(每100cm) AA=100T 450.0000 cm2 3 松弛土高度的计算(1) 考虑路面载荷的覆土深度 H1H1=H+S/W0 20.4762 m(2) 松弛土宽度BB=RCOS(45

17、0-Q/2)+R1+SIN(450-Q/2)TAN(450-Q/2) 7.4116 m(3) 松弛土高度H2由于是用全覆土计算，因此松弛高度为： H2 = H1 20.4762 m4 盾构机壳体水平方向变位量的计算（1） 由盾构机自重引起的变位量： R1R1=PIG1R4/（24EI）107 0.1148 mPI = 圆周率 = 3.14E = 钢铁的弹性模量 = 2.1106 (kgf/cm2)（2） 由覆土重量引起的变位量： R2R2=-6W0R5/（72EI）H2/R（K1-1）+K1107 -0.2095 m（3） 由水压引起的变位量： R3 R3= -W2R5/（12EI）107 0

18、.0000 m（4） 由地层反力引起的变位系数： R4R4= 0.0454KR4/（EI）107 12.6446（5） 合成变位量： R5R5=（R1+R2+R3）/（1+R4） -0.0069 m5 荷重的计算（1） 由盾构机自重引起的扭矩M1 KN-m及轴力N1 KN 1）0XPI/2 （PI = 圆周率 = 3.14） M1(X)=G1R23/8PI-5/6COS(X)-XSIN(X) N1(X)=G1RXSIN(X)-1/6COS(X) 2）PI/2XPI （PI = 圆周率 = 3.14） M1(X)=G1R2(PI-X)SIN(X)-1/2PISIN(X)2-5/6COS(X)-1

19、/8PI N1(X)=G1RPISIN(X)2-(PI-X)SIN(X)-1/6COS(X) （2） 由复土载荷引起的扭矩M2 KN-m及轴力N2 KN 1）0XPI/2 （PI = 圆周率 = 3.14）M2(X)=W0R3/24K1COS(3X)-6H2/R(K1-1)+K1COS(2X) N2(X)=W0R2/84(H2/R(K1+1)+K1)+4H2/R(K1-1)+K1 COS(2X)-2K1COS(X)-K1COS(3X) （3）由水压引起的扭矩M3 KN-m及轴力N3 KN 1）0XPI/2 （PI = 圆周率 = 3.14） M3(X)=W2R3/24COS(3X)-6COS(

20、2X)N3(X)=W2H0R+W2R2/8COS(X)+8COS(X)2-4COS(X)3 （4）由地层反力引起的扭矩M4 KN-m及轴力N4 KN 1）0XPI/2 （PI = 圆周率 = 3.14） M4(X)=0.2346-0.3536COS(X)KR5R2N4(X)=0.3536COS(X)KR5R 2）PI/2XPI （PI = 圆周率 = 3.14） M4(X)=-0.3487+0.5SIN(X)2+0.2357COS(X)3KR5R2N4(X)=0.7070COS(X)+COS(X)2+0.7070 SIN(X)2COS(X)KR5R6 弯曲扭矩M及轴力N的计算成果 （1）弯曲扭

21、矩M计算成果 （KN-m/m）X（deg）M1M2M3M4合成扭矩050.123-86.9380.00038.1491.4321544.400-77.9650.00034.2860.7213028.293-52.1040.00022.962-0.849454.868-12.2810.0004.974-2.46660-21.14934.7360.000-17.876-4.28975-43.90277.9650.000-39.076-5.01390-57.091104.2070.000-48.504-1.388105-54.983102.5270.000-39.0768.468120-35.943

22、69.4720.000-17.87615.652135-4.86812.2810.0004.97412.36115028.799-52.1040.00022.962-0.34316554.486-102.5270.00034.286-13.75518064.060-121.5750.00038.149-19.366(2) 轴力N的计算成果 (KN/m)X (deg)N1N2N3N4合成轴力0-7.8931184.5030.000-36.9241139.68615-4.4151181.5350.000-35.6661141.454305.5621172.0780.000-31.9771145.6

23、644520.7191155.5300.000-26.1091150.1396039.0011133.5870.000-16.8771155.7107557.8341111.9540.000-5.7151164.0739074.3861099.6430.0000.0001174.03010580.9731195.5230.000-5.7151180.78112072.5791133.5870.000-16.8771189.28913553.6881179.5320.000-26.1091207.09015031.6131230.8710.000-31.9771230.52416514.3811

24、271.1110.000-35.6661249.8261807.8931286.3340.000-36.9241257.3037 盾构机壳体应力的计算成果：(1) 在壳体外侧产生的应力外侧(外侧)=M105/Z+N103/A kgf/cm2(2) 在壳体内侧产生的应力内侧(内侧)=-M105/Z+N103/A kgf/cm2(3) 壳体产生的应力的计算成果 (kgf/cm2) 容许应力为: 16000 N/cm2 X (deg)(外侧)鉴定(内侧)鉴定02956.9OK2108.4OK152750.1OK2323.0OK302249.4OK2797.4OK451825.2OK3286.5OK6

25、01297.4OK3839.1OK751101.4OK4072.3OK902197.8OK3020.1OK1055133.0OK114.9OK1207280.6OK -1994.9OK1356344.9OK-980.1OK1502632.8OK2836.2OK165-1298.3OK6853.0OK180-2944.1OK8532.1OK结论:本盾构机壳体的计算应力8532.1 N/cm2容许应力16000N/cm2、容许应变具有充足的余量。4.2 铰接壳体强度计算:在构造上铰接处就比盾尾要好：1、 铰接处壳体钢板厚度与盾尾基本相似。2、 在安装铰接油缸处配备了圈板、环板、加强筋板。3、 由于

26、前述的因素，作为在计算时的悬臂长度比盾尾计算时要短得多。因此说，铰接壳体强度与刚度比盾尾要高，可以不用计算。5、 切削刀具寿命的计算：本计算是对6.14m土压平衡式盾构机的切削刀具寿命进行计算。本计算是基于所给出的地质条件和小松公司许多盾构机施工参数实绩上所进行的，计算成果只是作为参照。根据实际的掘削土体和掘削状况，也许与计算推定的成果有所不一致。5.1计算条件本计算根据标书所提及的地质条件，如表5-1。表5-1 地质条件地质条件粘土、砂、砂砾隧道长度m切削刀的规格如表5-2所示：表5-2 切削刀规格切削刀种类主切削刀刮刀刀片高度：t035mm35mm 限定磨损量：t=t0/2.514mm14

27、mm切削刀材质E-3E-35.2计算措施：刀具的掘削距离寿命L（m）为：达到刀具限定磨损量时，盾构机所能掘削推动的距离。用下式表达： 1000 Pe 5PeL = = .(1) 2r 100 r其中： Pe （cm/rev）： 刀具的切入量 （km） ： 刀具转动距离寿命r （m） ： 刀具安装半径（1） 刀具切入量Pe刀具切入量Pe采用2.3 cm/rev进行计算。（如掘进速度V=3.0cm/min，刀盘回转速度N=1.3rpm，则Pe=V/N=2.3cm/min）（2） 刀具安装半径r刀具安装半径r，采用刀具各组合中最容易磨损的最外周刀具安装半径，如表5-3所示。表5-3 各刀具安装半径刀

28、具种类安装半径刀具种类备 注切削刀具（内周部）1.5m主切削刀1条轨迹1把切削刀切削刀具（中间部）2.2m主切削刀1条轨迹2把切削刀切削刀具（外周部）3.1m主切削刀刮刀1条轨迹3把切削刀（3）刀具转动距离寿命刀具转动距离寿命是达到刀具限定磨损量时，边掘削开挖面边转动的也许距离。刀具转动距离寿命，用下式计算： 1000t = .(2) K 其中：t （mm）： 限定磨损量 K： 根据切削刀具材质和地质条件所决定的摩擦系数限定磨损量t，如表5-2所示。摩擦系数K根据小松公司的许多业绩，如表5-4所示。表5-4 摩擦系数K土压平衡式盾构机粘土砂砂砾刀头材质(硬质合金)41515252545E-52

29、7.57.512.512.522.5E-31.33558.338.3315E-2本计算中的摩擦系数，由于工程地质为粘土、砂、砂砾，所觉得安全考虑，采用在砂层中能安全掘削的E-3材质的摩擦系数K最大值12.5。 并且本盾构机的中间部及外周部切削刀具的配备为1条轨迹配备2把切削刀以上（见表5-3备注），可减少刀具磨损。根据小松公司的实绩，1条轨迹n把切削刀的场合，与1条轨迹1把切削刀相比，摩擦系数K为n-0.333倍。例如，n=3的场合，摩擦系数K= n-0.333=0.69倍，刀具寿命为1/0.69=1.45倍。本计算中考虑了这些因素而进行推定。5.3计算成果：根据以上措施所进行计算的成果，如表5-5所示：表5-5 刀具寿命计算成果刀具种类切削刀具（内周部）切削刀具（中间部）切削刀具（外周部） 限定磨损量 t 14mm14mm14mm 摩擦系数 K12.512.512.5每条轨迹切削刀数 n123考虑n的K值 K n-0.33312.59.928.67刀具转动距离寿命 11