Pg----自重反压；

qe1----盾构顶部水平土压； qe2----盾构底部水平土压；

图6-13荷载分布图

本标段盾构区间地层由上至下依次以杂填土、古土壤以及粉质粘土为主，且地层厚度分别为2m、5m、5m左右，本次计算按照隧道埋深最深考虑。

Pe1=γ

杂

H杂+γ

古

H古+γ

粉

H粉+P′=17.5×2+18.7×5+19.9×5+20=216KN/m2；

Pe2=Pe1+γD=216+19.9×6.25=341KN/m2 ；

Pg＝4W/(πDL)=4×4840÷(3.14×6.25×7.4)=132KN/m2； qe1=KPe1=0.45×216=97KN/m2； qe2=KPe2=0.45×341=71KN/m2。 6.3.2.5 盾构掘进所需最小推力计算

盾构最小推力由壳体外摩擦阻力、克服胸板所受的土压与水压的推力、后续设备的牵引力、管片与盾尾密封的摩擦阻力等组成。

（1）盾构与地层之间的摩擦阻力F1

F1=πDLc=3.14×6.25×8.68×35=5082.9KN μ1---盾构外壳与地层的摩擦系数，μ1＝0.15 D---盾构外径,D=6140mm L---盾构长度,L=7600mm c---掘削面上的粘聚力,c=35KPa （2）刀盘正面土压力F2 F2=π(D2Pd)/4

25

Pd---刀盘中心处侧向土压力

Pd=K（Pe1+γR）=0.45×(216+19.9×6.25/2)=125KN/m2 F2=π(6.252×125)/4=3842KN K---静止土压系数，K＝0.45 （3）盾尾密封与管片之间的摩阻力F3 F3=n1W2μ2+πD0bPTn2μ2

=2×25×π×1.5×（62-5.42）/4+π×6×0.6×3×0.3=402.7+10.2=413KN n1---盾尾内的管片环数，n＝2 W2---一节管片的自重（KN） D0---管片外径，D0=6.0m

b---盾尾刷与管环的接触长度，取值0.6m n2---盾尾刷的层数，取值3

μ2---盾尾封刷与管环的摩擦系数，取值0.3 （4）切口环贯入地层的贯入阻力F4

F4=πDZc=3.14×6.14×0.4×35=274.8KN

Z---切口环插入地层的深度， 取刀盘的厚度0.4m （5）后接台车的牵引阻力F5 F5=W3×μ3=1650×0.1=165KN W3---后接台车总重，W3=1650KN μ3---钢与钢之间的摩擦系数，μ3=0.1 （6）盾构掘进时的最小总推力F

F=F1＋F2＋F3＋F4＋F5=5082.9+3842+413+274.8+165=9777.7KN （7）盾构配备推力为37730kN，为经过计算所需推力的3.8倍。 6.3.2.6盾构掘进所需最小扭矩计算

盾构配备的扭矩由刀盘的切削扭矩、刀盘自重产生的旋转反力矩、刀盘的推力荷载产生的旋转阻力矩、密封装置产生的摩擦力矩、刀盘前表面上的摩擦力矩、刀盘圆周面上的摩擦反力矩、刀盘背面的摩擦力矩、刀盘开口槽的剪切力矩等八部分组成。

主轴承的直径为φz=2.6m （1）刀具切削土体扭矩M1 M1??quhrdr0R0 26

M1=0.5quhmax R02=0.5×70×0.1×3.082=34.3KNm qu—无侧限抗压强度qu=70Kpa

hmax—刀盘每转的最大切削深度hmax=10cm/转 R0 —最外圈刀具的半径 R0=3.08m （2）刀盘自重产生的旋转阻力矩M2 M2=Gμg=500×1.3×0.004=2.6KNm G—刀盘自重，G=500KN R—轴承的接触半径， R=1.3m μg—滚动摩擦系数，μg =0.004

（3）刀盘的推力荷载产生的旋转阻力矩M3 M3=WpRgμg Wp =απRc2Pd Wp—推力荷载；

α—刀盘密闭率，α=0.7

Rg—轴承推力滚子接触半径，Rg=1.3m； Rc—刀盘半径,Rc=3.08

μg—滚动阻力系数，μg=0.004； Pd —水平土压力，Pd=125KN/m2 Wp=0.7π×3.082×125=2688KN M3=2688×1.3×0.004=14KNm （4）密封装置产生的摩擦力矩M4

M4=2πμ3f(n1Rs12＋n2R s22)=2×3.08×0.2×1.5×(3×1.32＋3×1.02)=15.2KNm μ3—密封与钢之间的摩擦系数，μ3=0.2； f—密封的压力，f=1.5KN/m n1、 n2—密封圈数，n1=3 n2=3；

Rs1、Rs2—密封的拼装半径，Rs1=1.3m，Rs2=1.0 m （5）刀盘正面的摩擦力矩M5

M5=2/3(παμ1R3Pd)=2/3(π×0.7×0.15×3.083×125)=842.5KNm α—刀盘密闭率，α=0.7

μ1 —土层与刀盘之间的摩擦系数，μ1 =0.15

27

R —刀盘半径，R =3.08m （6）刀盘周边的摩擦力矩M6 M6=2πRBPrμ1

R—刀盘半径，R =3.08m B—刀盘厚度，B=0.4m

Pr——作用在刀盘周边上的平均压力

Pr=(Pe1＋Pe2＋qe1＋qe2)/4=(216+341+97+71)/4=181.25KN/m2 M6=2π×3.13×0.4×181.25×0.15=213.8KNm

（7）刀盘背面的摩擦力矩M7，假定土舱内碴土压力为刀盘正面测向土压力的80%。 M7=2/3παR3μ1×0.8Pd =2/3×π×0.7×3.083×0.15×0.8×125=674KNm （8）刀盘开口槽的剪切力矩M8 M8=2/3πR3τ（1－α）

τ—土的抗剪应力，因碴土饱和含水c≈0.01KPa，φ≈5 τ=c＋Pd×tgφ=0.01＋125×tg5=10.91KN/m2 M8=2/3×π×3.083×10.91×0.3=210KNm （9）刀盘土腔室内的搅动力矩M9

M9=2π（R12+R22）Lτ=2π（1.32+12）×0.7×10.91=129KNm R1—刀盘支撑梁外径，R1=1.3m R2—刀盘支撑梁内径，R2=1.0m L—支撑梁长度，L=0.7m

（10）刀盘驱动所需最小扭矩M为M１～M9之和

M=34.3+2.6+14+15.2+842.5+213.8+674+210+129=2135.4KNm （11）盾构脱困扭矩为为6176KNm，为最小扭矩M的2.9倍。 6.3.2.7盾构推进功率 油缸最大总推力为：F=37730KN

盾构在最大推力情况下推进速度为：10cm/min 推进所需功率：N1＝37730×0.1/60=62.8KW 设液压泵的效率为ηb=0.85，油缸效率为ηg=0.9 总效率η=ηb×ηg＝0.85×0.9=0.77 功率储备系数，取k=1.5

28