φ6140mm土壓平衡盾構(gòu)機土壓盾構(gòu)機設(shè)計計算書

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。6140mm土壓平衡盾構(gòu)機土壓盾構(gòu)機設(shè)計計算書土壓盾構(gòu)機計算書6140mm土壓平衡盾構(gòu)機型號 TM614PMX設(shè) 計 計 算 書目錄 頁數(shù)1、 計算條件.21.1工程條件.21.2地質(zhì)條件. 21.3盾構(gòu)機主要參數(shù)計算.32、 盾構(gòu)機刀盤所需扭矩計算.43、 盾構(gòu)機掘進時所需推力計算.64、 盾構(gòu)機殼體強度計算.84.1 盾尾殼體強度計算.84.2 鉸接殼體強度計算125、 切削刀具壽命的計算.125.1計算條件.125.2計算方法.125.3計算結(jié)果.146、 三排園柱滾子軸承計算.14 6.1 盾構(gòu)

2、機規(guī)格.14 6.2 正常掘進載荷及三排園柱滾柱軸承強度計算157、 刀盤驅(qū)動部傳動齒輪強度計算.177.1 齒輪彎曲強度計算 .177.2 齒面接觸強度計算 .188、螺旋輸送機規(guī)格計算.199.1、輸送能力199.2、驅(qū)動力矩191、計算條件 ： 1.1、工程條件： (1) 隧道長度 2676.471mm(2) 隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑 250m (3) 盾構(gòu)機開挖直徑 6160mm(4) 管片外徑 6000mm(5) 管片內(nèi)徑 5400mm(6) 管片寬度 1200mm(7) 管片厚度 300mm (8) 分塊數(shù) 5+1塊(9) 隧道坡度 坡度 35 1.2、地質(zhì)條件： 本工程隧道地質(zhì)條件主要為

3、：隧道主要穿越第四紀(jì)粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂層及卵石圓礫地層，最大礫徑140mm，透水系數(shù)在6號細(xì)砂層中最大：1.210-36.010-3。20m78m土層（2.1t/m3）水位盾構(gòu)機p=9.8kN/m2 圖 1-1注： 關(guān)于地面荷載，在不清楚的情況下假定9.8kN/m2(1.0tf/m2)進行計算。對于粘土、砂、砂礫土層，根據(jù)小松公司的長期經(jīng)驗，切削刀的切削阻力系數(shù)在粘土（水土不分離）中最大，見表1-1。因此本工程采用粘土層（水土不分離）以及隧道上方的土體松弛高度以全覆土來計算盾構(gòu)機各主要參數(shù)。表1-1切削阻力系數(shù)地質(zhì)es（切削阻力系數(shù)）松弛干燥砂0.0080.01松弛濕潤砂0.010.02密

4、實濕潤砂0.020.04粘土0.41.2地質(zhì)的一般條件：(1) 土質(zhì) 粘土、砂、砂礫(2) 隧道覆土厚度 20 m(3) 地下水位GL- 78 m(4) 透水系數(shù) cm/sec(5) 標(biāo)準(zhǔn)貫入值（maxN值） 57(6) 內(nèi)摩擦角 deg (7) 粘著力 kN/cm2(8) 含水率（W%） %(9) 地面負(fù)荷 1 tf/m2(10) 地層反力系數(shù) kN/m2 1.3、盾構(gòu)機計算的主要參數(shù)：本計算書主要計算以下盾構(gòu)機參數(shù)（如表1-2所示）。詳細(xì)的規(guī)格見盾構(gòu)機技術(shù)規(guī)格書。表1-2 盾構(gòu)機主要計算參數(shù)盾構(gòu)機外徑6.14m刀盤扭矩5,160KNm 526tfm (100%)6,181KNm 631tf

5、m (120%)盾構(gòu)機總推力37,730KN 3,850tf盾尾鋼板厚度45mm盾尾鋼板材質(zhì)SS400 (相當(dāng)于中國Q235)軸承及齒輪6,000小時螺旋輸送機能力及扭矩250m3/h 5.5tf-m刀具壽命1200m變壓器容量1100KVA2、盾構(gòu)機刀盤所需扭矩的計算： 1 計算條件 * * *水、土不分離計算* * *（1） 土質(zhì) 粘土、砂、砂礫（2） 覆土 H 20 m（3） 水頭 Hw 0m （）（4） 土的單位體積質(zhì)量 水位上部 W0 2.1t/m3（5） 土的單位體積質(zhì)量 水位下部 W1 2.1t/m3（6） 水的單位體積質(zhì)量 W2 0t/m3 （）（7） 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗值 N 0

6、（8） 內(nèi)摩擦角 0 deg（9） 地面載荷 S 1.0t/m2（10）側(cè)方土壓系數(shù) K1 0.7（11）松弛土的粘著力 c 4.905 KN/ m2（12）盾構(gòu)機外徑 d 6.14 m（13）盾構(gòu)機半徑 r 3.07 m（14）殼體長 L 7.74 m（15）盾構(gòu)機質(zhì)量 G 235 t（16）掘削斷面積 A 29.61 m2（17）刀盤開口率 40%（18）刀盤半徑 rc 3.065 m（19）刀盤厚 l 0.4 m（20）切削阻力系數(shù)（見表1-1） es 1.2（21）切削刀刃寬度 B0 12 cm（22）切深 t 2.3 cm（23）切削刀刃的前角 0.262 rad（24）主刀具數(shù)量

7、（安裝總數(shù)的一半） nt 49個（25）主刀具平均安裝半徑（ d/4） Rk 1.535 m（26）刀盤支撐梁數(shù) na 6 個（27）刀盤支撐梁平均安裝半徑 Ra 1.6 m（28）刀盤支撐梁外徑 da 0.46 m（29）刀盤支撐梁長度 la 0.68m（）標(biāo)記表示以水土不分離進行計算時不使用。2 各參數(shù)的計算（1）松弛高度計算 考慮地面負(fù)載時的覆土 H1 = H + S/W0 20.5 m 松弛高度 H2 因為是用全覆土計算，所以松弛高度為： H2 = H1 20.5 m （松弛寬度 B） B = rcos(45-/2)+r1+sin(45-/2)tan(45-/2) 7.4 m（2） 土

8、壓計算作用在殼體上的土壓為上部土壓P1、側(cè)壓P2及下部土壓P的平均值。上部土壓P1P1 = H2W1 421686 Pa 43.0tf/m2 側(cè)壓 P2P2 = K1（H2+r）W1 339437 Pa 34.6tf/m2 下部土壓 P3P3 = P1+G/（dL） 470179 Pa 47.9tf/m2 平均土壓 PP = （P1+2P2+P3）/4 392685 Pa 40.0tf/m2 3 所需扭矩計算盾構(gòu)機刀盤扭矩是由刀具的切削阻力矩、面板及刀盤外周與地層的摩擦阻力矩、攪拌翼的阻力矩等組成。（1）刀具的切削阻力矩 T1地質(zhì)es松弛干燥砂0.0080.01松弛濕潤砂0.010.02密實濕

9、潤砂0.020.04粘土0.41.2 一個切削刀刃所需的阻力矩H根據(jù)村山田經(jīng)驗公式計算 H = 2.1esB0t210（-0。22） 1374 N 140kgf T1 = ntHRk 103 kN-m 10.5tf-m（2）刀盤面板與地層間的摩擦阻力矩 T2 T2 = 4c（1-）rc3/6 1740 kN-m 177.6tf-m（3）刀盤面板外周與地層間的摩擦阻力矩 T3 T3 = clrc2 568 kN-m 58tf m（4）攪拌翼的阻力矩 T4 T4 = 2nadalarac 289 kN-m 29.46tf-m（5）所需扭矩 T T = T1+T2+T3+T4 2700 kN-m 2

10、75.5 tf-m（6）裝備扭矩余量 S 裝備扭矩T0 （100%時） 5160 kN-m 526tf-m 安全率 S= T0/T 1.91倍裝備扭矩T0 （120%時） 6181 kN-m 631tf-m 安全率 S= T0/T 2.29倍 由計算可知，本盾構(gòu)機配置了充分的扭矩。本盾構(gòu)機在100%扭矩時(=526 tf-m)是理論計算的1.91倍，有充足的余量，并且在120%扭矩時（=631 tf-m）具有2.29倍的計算扭矩，因此足以保證工程的需要。3、盾構(gòu)機所需推力的計算： 1 計算條件 * * *水、土不分離計算* * *（1） 土質(zhì) 粘土、淤泥質(zhì)粘土 （2） 覆土 H 20m（3）

11、水頭 Hw 0m （）（4） 土的單位體積質(zhì)量 水位上部 W0 2.1t/m3（5） 土的單位體積質(zhì)量 水位下部 W1 2.1t/m3（6） 水的單位體積質(zhì)量 W2 0t/m3 （）（7） 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗值 N 0 （8） 內(nèi)摩擦角 0 deg（9） 地面載荷 S 1t/m2（10）土壓系數(shù) K1 0.7（11）松弛土的粘著力 C 49.05 KN/ m2（12）盾構(gòu)機外徑 d 6.14 m（13）盾構(gòu)機半徑 r 3.07 m（14）殼體長 L 7.3 m（15）盾構(gòu)機質(zhì)量 G 235 t（16）掘削斷面積 A 29.61 m2（17）后續(xù)設(shè)備的質(zhì)量 GB 100t（18）牽引系數(shù) 0.5（19

12、）管片外徑 Ds 6.0 m（20）管片與盾尾密封的摩擦阻力 s 0.3（21）盾尾密封數(shù) n 3 道（22）盾尾密封擠壓力 PT 0.00314 MN/m（）標(biāo)記表示以水土不分離進行計算時不使用。2 各參數(shù)計算(1) 松弛高度計算 考慮地面負(fù)載時的覆土 H1 = H + S/W0 20.5 m 松弛高度 H2 因為是用全覆土計算，所以松弛高度： H2 = H1 20.5 m 松弛寬度計算 B B = rcos(45-/2)+r1+sin(45-/2)tan(45-/2) 7.4 m(2)土壓計算作用在殼體上的土壓為上部土壓P1、側(cè)壓P2及下部土壓P3的平均值。上部土壓P1P1 = H2W1

13、421686 Pa 43.0tf/m2 側(cè)壓P2P2 = K1（H2+r）W1 339437 Pa 34.6tf/m2 下部土壓P3P3 = P1+G/（dL） 470179 Pa 47.9tf/m2 平均土壓PP = （P1+2P2+P3）/4 392685 Pa 40tf/m2 3 推力計算 盾構(gòu)機推力由殼體外周摩擦阻力、胸板所受的土壓與水壓、后續(xù)設(shè)備的牽 引力、管片與盾尾密封的摩擦阻力等組成。（1）克服殼體外周摩擦阻力的推力 F1 F1 = dLc 7323 kN 746 tf （2）克服胸板所受的土壓與水壓的推力 F2 F2 = AP2 10050 kN 1025 tf （3）克服后續(xù)

14、設(shè)備的牽引力的推力 F3 F3 = GB 490 kN 50tf （4）克服管片與盾尾密封摩擦阻力的推力 F4F4 = DssnPT 53 kN 5tf（5） 推進時所需推力 F F = F1+F2+F3+F4+ 17915 kN 1827tf4 裝備推力 雖然對曲線施工和方向控制來說盾構(gòu)機推進油缸數(shù)量多比較好，但受空間的限制，所以尺寸及數(shù)量受到制約。 本盾構(gòu)機配置的油缸數(shù)量及推力： 1715 kN 175 tf 22 （只）裝備推力 F0 F0 = 171522 37730 kN 3850tf 安全率 F0/F 2.1倍由計算可知，本盾構(gòu)機配置了充分的推力。注：本計算從安全考慮，土壓計算時的

15、松弛高度采用全覆土計算，而實際上松弛高度要比全覆土小，所以上述裝備推力十分充分。并且，本盾構(gòu)機的裝備推力為所需理論推力的2.1倍，對應(yīng)曲線施工也具有充分的余量。4、 盾構(gòu)機殼體強度計算4.1 盾尾殼體強度計算1 計算條件 過江段、全覆土 （水、土不分離計算）(1) 復(fù)土深度 H=20m(2) 地下水位 H0=0m （）(3) 土的質(zhì)量 （水上部分） W0=2.1t/m3(4) 土的質(zhì)量 （水上部分） W1=2.1t/m3(5) 水的質(zhì)量 W2=0t/m3 （）(6) 土的內(nèi)部摩擦角 Q=0度(7) 地盤反力系數(shù) K=500.0 t/m3(8) 盾構(gòu)機外徑 D=6.14m(9) 盾構(gòu)機半徑 R=

16、3.07m (10) 盾構(gòu)機長度 L=7.3m (11) 盾構(gòu)機自重 G=235.0t(12) 盾構(gòu)機殼體板厚 T=4.50cm(13) 路面負(fù)荷 S=1.0t/m2（）標(biāo)記表示以水土不分離進行計算時不使用。2 各參數(shù)的計算(1) 土壓系數(shù)K1假定土壓系數(shù)K1 0.700(2) 盾構(gòu)機單位面積質(zhì)量G1G1=G/(PIDL) 1.574 tf/m2PI=圓周率=3.14(3) 殼體斷面慣性矩(每100cm) II=100/12T3 759.3750cm4(4) 殼體斷面抗彎模數(shù)(每100cm) Z Z=100/6T2 337.5000cm3(5) 殼體斷面積(每100cm) AA=100T 45

17、0.0000 cm2 3 松弛土高度的計算(1) 考慮路面載荷的覆土深度 H1H1=H+S/W0 20.4762 m(2) 松弛土寬度BB=RCOS(450-Q/2)+R1+SIN(450-Q/2)TAN(450-Q/2) 7.4116 m(3) 松弛土高度H2因為是用全覆土計算，所以松弛高度為： H2 = H1 20.4762 m4 盾構(gòu)機殼體水平方向變位量的計算（1） 由盾構(gòu)機自重引起的變位量： R1R1=PIG1R4/（24EI）107 0.1148 mPI = 圓周率 = 3.14E = 鋼鐵的彈性模量 = 2.1106 (kgf/cm2)（2） 由覆土重量引起的變位量： R2R2=-

18、6W0R5/（72EI）H2/R（K1-1）+K1107 -0.2095 m（3） 由水壓引起的變位量： R3 R3= -W2R5/（12EI）107 0.0000 m（4） 由地層反力引起的變位系數(shù)： R4R4= 0.0454KR4/（EI）107 12.6446（5） 合成變位量： R5R5=（R1+R2+R3）/（1+R4） -0.0069 m5 荷重的計算（1） 由盾構(gòu)機自重引起的扭矩M1 KN-m及軸力N1 KN 1）0XPI/2 （PI = 圓周率 = 3.14） M1(X)=G1R23/8PI-5/6COS(X)-XSIN(X) N1(X)=G1RXSIN(X)-1/6COS(X

19、) 2）PI/2XPI （PI = 圓周率 = 3.14） M1(X)=G1R2(PI-X)SIN(X)-1/2PISIN(X)2-5/6COS(X)-1/8PI N1(X)=G1RPISIN(X)2-(PI-X)SIN(X)-1/6COS(X) （2） 由復(fù)土載荷引起的扭矩M2 KN-m及軸力N2 KN 1）0XPI/2 （PI = 圓周率 = 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）

20、由水壓引起的扭矩M3 KN-m及軸力N3 KN 1）0XPI/2 （PI = 圓周率 = 3.14） M3(X)=W2R3/24COS(3X)-6COS(2X)N3(X)=W2H0R+W2R2/8COS(X)+8COS(X)2-4COS(X)3 （4）由地層反力引起的扭矩M4 KN-m及軸力N4 KN 1）0XPI/2 （PI = 圓周率 = 3.14） M4(X)=0.2346-0.3536COS(X)KR5R2N4(X)=0.3536COS(X)KR5R 2）PI/2XPI （PI = 圓周率 = 3.14） M4(X)=-0.3487+0.5SIN(X)2+0.2357COS(X)3KR

21、5R2N4(X)=0.7070COS(X)+COS(X)2+0.7070 SIN(X)2COS(X)KR5R6 彎曲扭矩M及軸力N的計算結(jié)果 （1）彎曲扭矩M計算結(jié)果 （KN-m/m）X（deg）M1M2M3M4合成扭矩050.123-86.9380.00038.1491.4321544.400-77.9650.00034.2860.7213028.293-52.1040.00022.962-0.849454.868-12.2810.0004.974-2.46660-21.14934.7360.000-17.876-4.28975-43.90277.9650.000-39.076-5.0139

22、0-57.091104.2070.000-48.504-1.388105-54.983102.5270.000-39.0768.468120-35.94369.4720.000-17.87615.652135-4.86812.2810.0004.97412.36115028.799-52.1040.00022.962-0.34316554.486-102.5270.00034.286-13.75518064.060-121.5750.00038.149-19.366(2) 軸力N的計算結(jié)果 (KN/m)X (deg)N1N2N3N4合成軸力0-7.8931184.5030.000-36.924

23、1139.68615-4.4151181.5350.000-35.6661141.454305.5621172.0780.000-31.9771145.6644520.7191155.5300.000-26.1091150.1396039.0011133.5870.000-16.8771155.7107557.8341111.9540.000-5.7151164.0739074.3861099.6430.0000.0001174.03010580.9731195.5230.000-5.7151180.78112072.5791133.5870.000-16.8771189.28913553.6

24、881179.5320.000-26.1091207.09015031.6131230.8710.000-31.9771230.52416514.3811271.1110.000-35.6661249.8261807.8931286.3340.000-36.9241257.3037 盾構(gòu)機殼體應(yīng)力的計算結(jié)果：(1) 在殼體外側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力外側(cè)(外側(cè))=M105/Z+N103/A kgf/cm2(2) 在殼體內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力內(nèi)側(cè)(內(nèi)側(cè))=-M105/Z+N103/A kgf/cm2(3) 殼體產(chǎn)生的應(yīng)力的計算結(jié)果 (kgf/cm2) 容許應(yīng)力為: 16000 N/cm2 X (deg)(外側(cè))判定(

25、內(nèi)側(cè))判定02956.9OK2108.4OK152750.1OK2323.0OK302249.4OK2797.4OK451825.2OK3286.5OK601297.4OK3839.1OK751101.4OK4072.3OK902197.8OK3020.1OK1055133.0OK114.9OK1207280.6OK -1994.9OK1356344.9OK-980.1OK1502632.8OK2836.2OK165-1298.3OK6853.0OK180-2944.1OK8532.1OK結(jié)論:本盾構(gòu)機殼體的計算應(yīng)力8532.1 N/cm2容許應(yīng)力16000N/cm2、容許應(yīng)變具有充足的余量。

26、4.2 鉸接殼體強度計算:在結(jié)構(gòu)上鉸接處就比盾尾要好：1、 鉸接處殼體鋼板厚度與盾尾基本相同。2、 在安裝鉸接油缸處配置了圈板、環(huán)板、加強筋板。3、 由于前述的原因，作為在計算時的懸臂長度比盾尾計算時要短得多。所以說，鉸接殼體強度與剛度比盾尾要高，可以不用計算。5、 切削刀具壽命的計算：本計算是對6.14m土壓平衡式盾構(gòu)機的切削刀具壽命進行計算。本計算是基于所給出的地質(zhì)條件和小松公司許多盾構(gòu)機施工參數(shù)實績上所進行的，計算結(jié)果只是作為參考。根據(jù)實際的掘削土體和掘削狀況，可能與計算推定的結(jié)果有所不一致。5.1計算條件本計算根據(jù)標(biāo)書所提及的地質(zhì)條件，如表5-1。表5-1 地質(zhì)條件地質(zhì)條件粘土、砂、砂礫隧道長度m切削刀的規(guī)格如表5-2所示：表5-2 切削刀規(guī)格切削刀種類主切削刀刮刀刀片高度：t035mm35mm 限定磨損量：t=t0/2.514mm14mm切削刀材質(zhì)E-3E-35.2計算方法：刀具的掘削距離壽命L（m）為：到達刀具限定磨損量時，盾構(gòu)機所能掘削推進的距離。用下式表示： 1000 Pe 5PeL = = .(1) 2r