盾构机选型计算书585.pdf

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1、设计依据：1.广州市轨道交通五号线工程区庄至动物园南门区间详细勘察阶段岩土勘察报告 2.广州市轨道交通五号线工程动物园南门至杨箕区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告 3.广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）设计技术要求 4.广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）区庄站至动物园站区间招标设计及投标设计文件 5.广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）动物园站到杨箕站区间招标设计及投标设计文件 6.广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）施工图设计结构防水工程技术要求 7 广州市轨道交通五号线区庄站动物园站杨箕站区间盾构工程设计合同 8.广州市地铁五号线总包总体部下发的工作联系单

2、 9.采用规范：1）人民防空工程设计规范（GB50225-1995）2）盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2008）3）建筑结构荷载规范（GB50009-2001）4）地铁设计规范（GB50157-2003）5）混凝土结构设计规范（GB50010-2002）6）地下工程防水技术规范（GB50108-2001）7）铁路隧道设计规范（TB10003-2005）8）建筑抗震设计规范（GB50011-2001）9）锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50007-2002）10）建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）11）铁路桥涵设计基本规范（TB10002.12005）12）地下铁道工程

3、施工及验收规范（GB502991999）2003 年版 13）其他相关规范、规程 工程概况 本工程含区庄站动物园站及动物园站到杨箕站两个盾构区间，盾构始发井设于杨箕站，盾构机于动物园站过站，盾构吊出井设于区庄站东侧。两区间均属珠江三角洲平原，沿线路面交通繁忙，为密集的建筑物、高架桥桩基区，地下管线密布。动物园站杨箕站区间隧道下穿内环放射线黄埔大道A2标以及内环梅东中山立交桩基，同时距东风广场会所及环风变电桩基较近。对该区间邻近建（构）筑物基础的具体处理措施见广州市轨道交通五号线首期工程（滘口至文冲段）施工图设计动物园站杨箕站区间桩基拖换及地层加固施工图设计分册。动物园站杨箕站盾构区间为东风路、

4、梅花路、梅东路和中山一路，到达杨箕站。该区间线路包括直线段和2段半径为R200m（左线为R206）和R300（左线为R285m）。盾构隧道区间起止里程：Y（Z）DK12+811.839YDK13+792.069（ZDK13+793.027），右线长度为980.230m，左线长度为981.188m。工程地质与水文地质 1.工程地质概述 1）岩土分层情况 区庄站动物园站杨箕站区间均属珠江三角洲平原，前者地势平坦，后者略有起伏。两区间主要层相似，主要有人工填土层、冲洪积成因的淤泥及淤泥质层、粉细砂层、中粗砂层、（粉质）粘土层、残积成因的粉质粘土层，总厚度为3.019.5m，下伏基岩为白垩系上统大塱山

5、组黄花岗（22dK）的泥质粉砂岩、含砾石粉岩等，其分布详见“地质纵断面图”。2）地质构造及地震烈度 两区间沿线大地构造均属天河向斜的轴部，岩层东西走向并向东尖灭，倾向近北，倾角较为平缓，两区间地质构造简单，未发现断裂构造，场地相对稳定，抗震设防烈度7度。3）隧道穿越的工程地质 两区间地层物理力学指标见附表1，隧道穿越的岩石主要为强风化带、岩石中风化带、岩石微风化带及岩石全风化带。围岩类别划分按现行 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范（GB50307-1999）进行：类围岩：包括人工填土层、砂层、淤泥质土;类围岩：包括冲洪积土层、残积可塑土层、残积硬塑土层、类围岩：包括岩石全风化层、岩石强风化层

6、；类围岩：包括岩石中风化层；类围岩：包括岩石微风化层；两区间隧道穿越的地层围岩类别为类类，以类和类为主，其间没有不良的地质现象，但是下列特点值得关注：（1）粉细砂层或泥质粉砂岩区，属于软质岩，泥质成分含量高，强度低，节理较为发育，遇水时软化，强度降低甚至崩解。（2）沿线穿越地层为红层区，其岩层都存在遇水软化现象。这是广州地区红层风化带的典型特征。同时在红层区的另一个特点为软弱夹层分布，即在中风化或微风化岩层中发育强风化透镜体，造成同一剖面中上下岩层强度差别大，出现风化不均现象，夹层的出现与岩性、裂隙发育程度和地下水等多种因素有关，即在软弱夹层区一般是裂隙发育区，因此基岩裂隙水相对较大。2.水文

7、地质状况 两区间沿线的地层结构属于二元类型，即上部的第四系地层与下部的白垩纪风化岩层，因此两区间地下水类型也主要分为两大类型。上层滞水：主要在上部的杂填土或素填土层当中。岩基裂隙水：主要分布在第四系地层之下的白垩系陆相沉积的破碎的基岩裂隙中，水量的大小与基岩的裂隙发育程度及裂隙的连通性有关，基岩裂隙水同时具有承压水的性质。地下水对地铁构筑物中的混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。设计原则与主要技术标准 1.设计原则 1）设计应满足施工、运营、城市规划、抗震、人防、防水、防火、防迷流的要求，以满足各项功能要求。2）依据周围环境、建（构）筑物基础和地下管线对变

8、形的敏感程度，采用妥善可靠的方案和技术措施，将隧道施工、桩基托换等引起的地面沉降和隆起量控制在规范允许的范围内，确保建（构）筑物正常使用不受影响。3）隧道横断面内净空尺寸设计在建筑限界的基础上再考虑适当的余量，以满足施工误差、测量误差、不均匀沉降以及结构变形等要求。4）结构计算模式的确定，除符合结构的实际工作条件外，尚应能反映结构与周围地层的相互作用。结构设计应符合强度、刚度、稳定性、抗浮和裂缝开展宽度验算的要求，并满足施工工艺的要求。5）装配式构件的尺寸必须考虑加工、运输和施工的方便，接头设计满足受力、防水和耐久性的要求。6）为便于管片制作、安装的系列化、定型化和规范化，通过规模效益达到节省

9、投资的目的，管片设计根据各区间段隧道的埋置深度、工程地质和水文地质条件，采用分段设计、综合设计、分类统一的原则。7）区间结构设计应尽量减少施工中和建成后对环境造成的不利影响，并尽可能考虑城市规划引起的周围环境的改变对地下铁道结构的影响。2.主要技术标准 1）结构安全、抗震、人防、防水技术标准 （1）结构安全等级一级（2）抗震设防烈度，抗震等级三级；（3）人防抗力等级六级；（4）防水等级二级；2）设计使用年限为100 年 3）线路（1）线路平面：双轨，规矩1435mm，正线最小允许平面曲线半径200m（困难情况下150m）。（2）线路纵断面：区间最大允许坡度 50（困难情况下 55），正线最小竖

10、曲线半径5000m（困难情况下3000m。4）限界 盾构隧道建筑限界为 5100mm，结合已有盾构机选型要求，采用内径为 5400 的盾构管片。5）地面沉降控制 除部分特定情况需要考虑更为严格的控制值，地面沉降应控制在-30mm 以内，在任何情况下最大允许隆起量为+10mm，建筑物的不均匀沉降应小于有关范围的规定值。6）混凝土材料（1）管片混凝土强度等级最小应为 C50，抗渗等级 S12；（2）洞门混凝土等级不低于 C30，抗渗等级 S10；（3）联络通道初衬采用 C20 早强焊混凝土，二衬模筑等级不低于C30，抗渗等级 S10。7）钢材（1）钢筋等级 HPB235、HRB335 级；（2）管

11、片连接螺栓性能等级 6.8 级；（3）预埋件刚才等级 Q235 级。8）最大裂缝宽度 结构裂缝宽度不大于 0.2mm，且不得有贯通裂缝。9）联络通道 两单线隧道之间，当隧道贯通长度大于 600m 时设联络通道，通道两端设双开启的甲级防火门。10）管片变形 管片直径变形控制在 40D（0D为管片外径）以内，环缝张开不大于 2mm（变形缝处于不大于 3mm），纵缝张开不大于 2mm。11）抗浮验算 结构在不考虑表面摩擦力时抗浮安全系数不小于 1.05，考虑表面摩擦力时不小于 1.15。盾构机选型 盾构隧道的成功与否,关键之一是选择好适合地层特征的盾构机。由于盾构机既要穿过岩层,又要通过软土层,这要

12、求盾构机对地层要具有较广的适应性。盾构机除了要求具有一般软土地层的所需软土EPB(土压平衡盾构机)的配置外,还需要具备硬岩TBM(硬岩掘进机)的特征。动物园杨箕区间选用德国海瑞克公司生产的复合式盾构机,它除具备有EPB 的特性外,主要特点是其推力及扭矩大小、刀盘材料和刀具的组合上具有足够的破岩能力。a.盾构外径)(20tXDD X：盾尾间隙 21XXX 盾构在曲线上施工和修正蛇行时必须的最小富裕量1X)2()2(2122001LDRDRX L：盾尾覆盖的衬砌长度，L=2200mm R：最小曲线半径，R=199862mm 0D：管片外径，0D=6000mm(管片内径取5400mm，厚度为300m

13、m)2.2)20.6862.199()20.6862.199(21221X=0.006m=6mm 管片组装时的富余量2X 考虑到管片本身的尺寸误差、拼装的精度、盾尾的偏移等，通常要再取一定的富裕量。根据各国相近尺寸盾构机外径常用的盾尾间隙（常用20mm40mm）此处取2X=30mm 21XXX=6mm+30mm=36mm 考虑到安装盾尾密封要占有一定的间隙，管片拼装时可能出现错台等因素，参照国内外同类工程的实验经验，本盾构机盾尾间隙选取mmmmX3640 b盾构厚度 t 盾构厚度根据其尺寸及所受的地层压力而定，在满足强度、刚度的条件下，尽可能的小；类比国内同类工程的实际经验，经过计算，本台盾构

14、机的选取盾壳厚度a=50mm盾尾板的厚度为b=30mm盾尾厚度t=a+b=80mm 盾构尾部的外径为：D=6000+2（40+80）=6240 为减少盾构机推进时的阻力，将盾构机设计成前部稍大，后部稍小。故：盾构支撑环外径为：6250mm 盾构切口环外径为：6260mm 刀盘开挖直径为：6290mm 二盾构机长度 盾构长度的初步确定依据铰链型盾构长度与切口环、支撑环、盾尾长度及管片宽度有关。也与盾构机的灵敏度有关，盾构机的灵敏度决定着盾构机的方向控制能力及推进的稳定性。灵敏度值愈小，盾构机推进的蛇行现象越严重，但盾构机调整方向越容易；灵敏度值越大，其方向稳定性越好，但弯道推进超挖量大。考虑到本

15、标段的地质特点，根据经验，灵敏度参考值选偏小值，为：75.0L6maDD时，式中：aL为盾构机到铰链中心的长度 D为盾构机的外径D=6240mm aL=0.75D=0.756240=4680 选取aL=5027mm 盾尾计算：长度：bL=psiLCLCL 式中：iL为安装千斤顶的长度，iL=350450mm sL为管片宽度，sL=1200mm pL为安装盾尾密封材料的长度，取pL=865mm C为管片组装的余量C=500 C为其他余量，C=2550mm Min：bL=350+500+1200+25+865=2940mm Max：bL=400+500+1200+50+865=3015mm 所以，

16、bL=29403015mm，取bL=2950mm L=aL+bL=7977mm 盾构重量：类比同类工程，本盾构机的重量选取为340t 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。计算图示如下图：盾构开挖软土地层中推力与扭矩的计算 地层参数按岩层全风化带选取，由于岩土中基本无水，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，层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力eP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：eP=h+0P DLGPPe/01 1P=eP 2P=（eP+D）式中：为水平

17、侧压力系数，=0.47 h为上覆土体厚度，h=12.9m 为土的容重，=1.94t/3m G为盾构机重量，G=340t D为盾构机外径，D=6240mm L为盾构机长度，L=7977mm 0P为地面上置荷载，0P=2t/2m 01P为盾构机底部的均布压力 1P为盾构机拱顶处的侧向水土压力 2P为盾构机底部的侧向水土压力 eP=h+0P=1.9412.9+2=27.026t/2m DLGPPe/01=27.026+340/6.247.977=34 t/2m 1P=eP=27.0260.47=12.7 2P=（eP+D）=（27.026+1.946.24）0.47=18.4 t/2m 盾构机推力计

18、算 盾构的推力主要由以下五部分组成：54321FFFFFF 式中：1F为盾构外壳与土体之间的摩擦力 2F为刀盘上的水平推力引起的推力 3F为切土所需要的推力 4F为盾尾与管片之间的摩擦力 5F为后方台车的阻力 1F=1/4（eP+01P+1P+2P）DL 式中：土与钢之间的摩擦系数，计算时取=0.3 1F=1/4（27.026+34+12.7+18.4）6.247.9770.33.14=1079.93t 2F=/4(2DdP)式中：dP为水平土压力，dP=（h+D/2）dP=0.471.94（12.9+6.24/2）=14.60t/2m 2F=3.14/4（224.614.60）=446.26

19、t 3F=/4(2DC)式中：C为土的粘结力，C=4.5 t/2m 3F=3.14/4（224.64.5）=137.55t c4cWF 式中：cW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2.5 t/3m）管片宽度按1.2m记时，每环管片的重量为：2.5 t/3m1.2m20)2(D-2)2(d 式中：0D为管片外径；0D=6.0m d为管片内径；d=5.4m 既为：2.5 t/3m1.2m2)20.6(m-2)24.5(m=16.11t c取0.3，则4F=16.1120.3=9.67t 5F=hG*sin+g*hG*cos 式中：hG为盾尾台车的重量hG160t

20、；为坡度，tan=0.025 g为滚动摩阻，g=0.05 5F160t0.025+0.051601=12.00t 综上；盾构总推力为1685.41t 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 987654321MMMMMMMMMM 式中：1M为刀具的切削扭矩 2M为刀盘自重产生的旋转力矩 3M为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩 4M为密封装置产生的摩擦力矩 5M为刀盘前表面上的摩擦力矩 6M为刀盘圆周面上的摩擦力矩 7M刀盘背面的摩擦力矩 8M刀盘开口槽的剪切力矩 9M为刀盘土腔室内的搅动力矩 a刀具的切削扭矩1M 1M00RrdrCh 1M)(2120maxRhC

21、r 式中：rC：土的抗剪应力；t a ndrPCC=4.5+14.6tan20=9.82/mt m a xh：刀盘每转的最大切削深度，maxh=8cm/转 0R：最外圈刀具的半径，0R=3.14m b.刀盘自重产生的旋转力矩gGRM2 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 mtM*86.3)14.31088.9(21221 g:滚动摩擦系数，计算时取为g=0.004 mM*0.57t0.0042.6552 c 刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩3M zgpRWM3 pW=dcPR2 式中：pW：推力荷载 ：刀盘封闭系数，=0.70 gR:轴承

22、推力滚子接触半径，gR=1.25m cR:刀盘半径，cR=3.14 dP：水平土压力，dP=14.6t/2m t 4.16314.63.1470.02pW 3M=316.41.250.004=1.58t*m d密封装置产生的摩擦力矩4M）（222211m4F2mmRnRnM 式中：m：密封与钢之间的摩擦系数，m=0.2 F：密封的推力，1n=3 2n=3 1mR、2mR：密封的安装半径，1mR=1.84m 2mR=2.26m 4M=20.20.15（3284.1+3226.2）=4.80t*m e刀盘前表面上的摩擦力矩5M)PR(32d3p5M 式中：刀盘开口率，=0.30 p：土层与刀盘之间

23、的摩擦系数，p=0.15 R：刀盘半径，R=3.195m mtM*96.41)52.14.3.140.1530.0(3235 f刀盘周围圆面上的摩擦力矩6M pzBPRM262 式中：R：刀盘半径，R=3.145m B：刀盘宽度，B=0.775m zP：刀盘周围土压力 4/)(2101PPPPPez=23.03t/2m mtM*30.1660.1523.030.7753.1453.14226 g刀盘背面的摩擦力矩7M 0.8)1(3/237dpPRM 86.79)14.60.80.153.1453.1470.0(3/237M h刀盘开口槽的剪切力矩8M 3832RCM 式中：C：土的抗剪应力，

24、因碴土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地取 C=0.01Mpa=1t/2m，=5 anPCCdt=1+14.6tan5=2.28t/2m 8M=2/33.142.2833.1450.30=44.54t*m i 刀盘土腔室内的搅动力矩9M LRRM）（222192C 式中：1d:刀盘支撑梁外径，1d=4.8m 2d：刀盘支撑梁内径，2d=3.84m L：支撑梁长度，L=0.8m 9M=23.14（2292.14.2）0.82.27=23.65 刀盘扭矩为1M9M之和 M=3.86+0.57+1.58+4.80+41.96+166.3+79.86+44.54+23.65=367.12t*m 盾构在

25、硬岩中掘进时的推力与扭矩的计算 地层参数按照层选取，层为红层微风化带 盘形单刃滚刀的参数如下：直径 d=43.2cm(17英寸)，R=21.6cm 刃脚 =60 每转切深 h=1cm 刀盘直径 D=6.24m 盘形滚刀刀间距 mB=2htan/2 式中：为岩石的自然破碎角，查表选取=155 mB=21tan155/2=9.5cm10cm 1 盾构推力计算 硬岩具有完全自稳能力。在硬岩中掘进时，盾构机的拱顶、两侧、底部所受的压力均很小，对盾构机的推进影响不大，盾构机的推力主要消耗在滚刀贯入岩石所需的推力上，所以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，其在选取盾 构机推力的富余量时进行统筹考

26、虑。根据力平衡原理和能量守恒原理计算盘形滚刀的滚压推力，每个盘形滚刀的推力 力总FFm 式中：力F为单个滚刀贯入岩石所需要的力 m为刀盘上安装的盘形滚刀（单刃）的数量 22)35(5.1r3424.15.0tghRhhRKFiid）（压力 式中：dK为岩石的滚压系数，查表取dK=0.55 压R为岩石的抗压强度；压R=62.3Mpa=623kg ir为盘形滚刀的刃脚半径；ir=8cm i为盘形滚刀的半刃脚；i=30 为岩石的自然破碎角；=155 21551121.621)3530(5.186230.553424.15.0tgF）（力=24.64t m=D/(2mB)式中：D为刀盘的外径，D=6.

27、24m mB为滚刀的刀间距，mB=10cm m=6.24/(210210)=31.2 本盾构机设计双刃滚刀19把，合计单刃滚刀38把，满足需要。盾构机总推力：t768.68724.642.13m力总FF 2.盾构扭矩的计算 硬岩掘进的扭矩主要由以下三个部分组成：321TTTT 式中：1T为刀盘滚动阻力矩计算 2T为石碴提升所需的扭矩 3T为克服刀盘自重所需要的扭矩 a 刀盘滚动阻力矩计算1T miimmFBT11 式中：F为盘形滚刀的滚动力 力PhRhF243 式中：为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数，=0.8 力P=力F=24.64 h为每转切深，h=1cm R为盘形滚刀的半径，R

28、=21.6mm 24.64121.6218.043F=2.27 mB为盘形滚刀刀间距，mB=10cm=0.1m mtmTii*99.2040.127.24211 b石碴提升所需要的扭矩2T 2T=qRh12R 式中：q为石碴容重，q=2.593/mt R=3.14m H=1mm/n 1为刀盘系数，1=0.70 2T=2.59 3.140.7114.32176.24mt*c克服刀盘自重所需要的扭矩3T 3T111RW 式中：1W为刀盘自重，1W=55t 1=0.70 R=3.14m 3T=550.703.14=120.51t*m 硬岩掘进所需要的力矩T=204.99+176.24+120.51=

29、501.74t*m 3推力和扭矩的选取及验证 软土中掘进：推力F=1685.41t，扭矩T=367.12t*m 硬岩中掘进：推力F=768.768t，扭矩T=501.74t*m 由于盾构在施工中经常纠偏、转向，因此盾构的推力实际上要比计算出来的大，按照经验数据，盾构实际配备的推力为计算值的1.5倍。F=1.5F=1.51685.41t=2528.11 按照Mechanised Shield Tunnelling一书（作者：Bernhard Maid;Martin Herrenknecht;Lothar Anheuser等）介绍的经验公式进行验算 F=)(*2KND 式中：为经验系数，按下图取5

30、001200 D为盾构机外径，D=6.24m F=(5001200)224.6=19468.846725（KN）=19474673t 本盾构机设计总推力为3472t，即大于理论计算值，又处于经验计算值之间，说明盾构机的推力是足够的。盾构机推力与扭矩的关系见下图 当用刀盘扭矩的经验公式计算刀盘扭矩时 T=3D 式中：扭矩系数，取=1.8 T=1.8324.6=437.35t*m 本盾构机最大扭矩Tmax=530t*m可同时满足理论计算及经验计算的要求。千斤顶的选择 选择16个推力为217t的千斤顶，满足总推力为3472t的要求 管片构造形式(1)管片内径 管片的内径为5 400 mm,是根据下列

31、条件确定的:圆形隧道的建筑限界为5 200 mm 的圆;根据地铁一号线的经验,盾构施工误差和隧道的后期沉降可以控制在100 mm 之内。几何参数 盾构法施工区间隧道衬砌采用外径 6.0m，内径 5.4m，管片宽度 1.2m，管片厚度 0.3m的平板式单层预制钢筋混凝土管片衬砌。分块及组合 衬砌环向分 6 块，即 3 块标准块(中心角 67.5)，2 块邻接块(中心角67.5)，1 块封顶块(中心角 22.5)。为满足曲线模拟和施工纠偏的需要，设计了左、右转弯楔形环，通过其与标准环的各种组合来拟合不同的曲线。衬砌环分块及管片编号见下表。衬砌环分块及管片编号 管片 衬砌环 封顶块 邻接块 标准块 标准环 C B1 B2 A A A 左转弯环 LC LB1 LB2 LA1 LA2 LA3