盾构机推力计算
盾构机选型
一、工程概况宁和城际轨道交通NH-TA06标包含一站一区间，分别为华新路站、春江新城站～华新路站区间。
隧道长度：春江新城站～华新路站区间左右线总长度为3262.842m（左线长1635.5m，右线长1627.342m）；左右线间距: 13m～14.6m；隧道覆土厚度最小约11.1m，最大约49.61m；平面最小曲线半径为450m,区间最大坡度为22‰。
两区间隧道内净空：φ5.5m，管片外径φ6.2m.管片采用强度等级C50，抗渗等级P12。
宽度1.2m，厚度为350mm。
错缝连接，28个M30螺栓，强度等级为5.8级，螺母强度等级8.0级。
二、本段工程施工的难点1、本标段区间隧道主要穿越强风化凝灰岩、中风化凝灰岩、中风化安山岩。
2、盾构机在上软下硬地段掘进，由于下断面岩石强度大、上端面土层强度低，易发生开挖面失稳、隧道抬头、超挖量过大引起地层沉降等现象；3、沿线下伏J3l层全~中风化凝灰岩、安山岩，均具有强度高、低压缩性的特性。
天然状态下强度高，最高强度可达94MPa，对盾构刀具的磨损大，强度要求高，隧道穿越该岩层时应选择适宜强度的刀具，并及时检查、更换。
4、区间地层系上统龙王山组凝灰岩、安山岩，裂隙发育，局部岩体呈碎裂状，构造裂隙处有地下水分布，其透水性及赋水性受裂隙发育情况影响分布不均，局部水量较大。
三、对盾构机的设计要求基本功能要求⑴要求盾构具有开挖系统、开挖面稳定辅助支撑装置、出碴系统、碴土改良系统、人闸气压装置、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、自动测量导向系统、超前钻探和注浆（自动计量）等基本功能。
⑵对地层的适应性及开挖能力的要求区间隧道主要穿越强风化凝灰岩、中风化凝灰岩、中风化安山岩。
盾构设计时应重点考虑以下问题：①具有土压平衡和气压平衡掘进功能；②具有足够的破岩能力；③足够的刀盘驱动扭矩和推力；④合理的刀盘及刀具设计，恰当的刀盘开口率和合理的开口位置；⑤具有高水压状态下的防水密封能力；⑥能够对较大的岩土进行破碎，有效防止堵管；⑦刀盘、刀具、盾壳、等具有足够的耐磨性；⑧具有盾体防扭转能力；⑨足够能力的同步注浆系统；⑩碴土改良系统；⑪盾构的防喷涌功能；⑫防止刀盘中心结泥饼；⑬合理的人舱设计；⑭超前钻探和注浆。
盾构推进计算
5.1盾构推进力⑴、盾构推力盾构机推进必须确保盾构足够的推力来维持和平衡土压平衡压力T1、开挖阻力T2、盾壳与围岩摩擦阻力T3、后配配套牵引力等等。
通常，上述值比盾构推力要低，盾构推进油缸的配置受管片形式的影响，盾构机一般必须保证盾构圆周压力均等（有时盾构底部压力稍高），避免盾构油缸尾部衬垫作用在管片接缝处，为保证这些，一般盾构机都安装了超出正常配置的额外推进油缸，然后降低盾构系统工作压力，该压力在正常推进时采用，只有在艰难地层时才采用额外推力。
①计算原理盾构千斤顶应有足够的推力克服盾构推进时所遇到的阻力，这些阻力主要有：a、盾构四周与地层间的摩擦阻力或粘结力F1；b、盾构刀具切入土层产生在切削刀盘上的推进阻力F2；c、开挖面正面作用在切削刀盘上的推进阻力F3d、盾尾处盾尾板与衬砌间的摩擦阻力F4；e、盾构后面台车的牵引力F5；以上各种推进阻力的总和用下式表示，在使用时，须考虑各种盾构机械的具体情况，并留出一定的富裕量，即为盾构千斤顶的总推力。
地层所需推力F b=F水土压力+F摩擦力1+F摩擦力2+F牵引力+F切入力其中：F水土压力—刀盘表面水土压力F摩擦力1—盾构克服上部土体摩擦力所需推力F摩擦力2—盾构克服与围岩间摩擦力所需推力F切入力—开挖所需推力（刀具）切入力F牵引力—后配套牵引推力R—盾构半径（m）D—隧道深度（m）L—盾构长度（m）F r—盾构与土层间摩擦系数（0.25）W o—土体比重（20kN/m3）W t—盾构重量（t）W b—后配套重量（t）F rb—后配套与管片间摩擦系数A t—单把刀具表面积C o—土体粘滞系数S r—土体内摩擦角1）、作用在盾构上的平均土压力地层所需推力F b=∑F=F水土压力+F摩擦力1+F摩擦力2+F牵引力+F切入力=941t+706t+100t+161.3=1908.3tF水土压=(R2×∏)×最大土压平衡压力=（3.172×∏）×3kN/m3=9233 kN=941tF水土压=D×W o×L×(2×∏×R÷4)×F r=20×20 kN/m3×7.5×(2×∏×3.7m÷4)×0.25=6933 kN=706tF摩擦力2=W t×F r=220t×0.25=80tF牵引力=W b×F rb=100×0.2=20tF切入力=刀具数量×A t×(D×W o×tan2(450+S r/2)+2×C o×tan(450+S r/2))=73×0.0094㎡×(30×20 kN/m3×tan2(62.50)+2×30 kN/m3×tan(62.50))=1596.81 kN=161.3tF b=∑F=F水土压力+F摩擦力1+F摩擦力2+F牵引力+F切入力=941t+706t+80t+20t+161.3t=1908.3t实际配备装机推力系统最大压力350bar时：3892t设计准则：最大突破压力大于2.0×所需推力最大操作推力大于1.5×所需推力⑵、刀盘扭矩切削刀盘装备扭矩要考虑围岩条件、盾构要型式、盾构机构造和盾构机直径等因素来确定，总扭矩N b=N1+N2+N3+N4式中：N1—开挖阻力矩；N2—切削刀盘正面，外围面及后面围岩间的摩擦阻力矩；N3—机械及驱动阻力矩；N4—开挖土砂搅拌混合阻力矩；根据实例可知刀盘装备转矩与盾构机直径大小有很大关系，一般可按下式计算：N b=D3×2.0式中：D——盾构直径（m）土压平衡连续开挖所需最大扭矩：N b=D3×2.0=6.34 3×2.0=509.9tm(约5500kN-m)实际配备装机扭矩：N=593.1tm一般在盾构推进中，盾构机的设计推进都比实际推进要大得多，盾构的实际推进与地表土质、地面载荷、周围环境而密切的关系，当地面周围的环境比较空旷，对地面的沉降要求不高（不在+10～-30）时，在盾构机械性能（最大推进力和最大扭矩范围内）允许的前提下，可适当的提高盾构的推进力，加大施工进度。
盾构机推力和扭矩计算
盾构机推力和刀盘扭矩的地层适应性评价1、推力计算盾构的推力应包含以下几个部分：1）盾壳和土层的摩擦力 FM其中μ为盾壳和土体间的摩擦系数，根据经验值取0.25。
计算得：FM=8074KN2）盾构推进正时面推进阻力其中Di 为盾构机内径Ps 为设计掘削土压（kN/m2）设计掘削土压Ps=地下水压+土压+预压其中地下水压在粘土层处相对于隧道中部的水头最大约11.5m ，那么水压力为115kN/m 2；土压按静止土压力计算：Po=Ko γH上式中：Po—静止土压力H—覆土厚度Ko—静止土压系数Ko=1－sin φ式中：φ—有效内摩擦角经计算Po=127 kN/m2预压力一般取30 kN/m2Ps=115+127+30=272kN/m2M BA S NL F F F +F +F =+∑()[]4/11h h V V M P P P P L D F +++⨯⨯⨯=πμBA F 214BA i s F D p π==9109.3 KN3）盾尾密封的摩擦力（经验值，周向每米密封的摩擦力） （管片外径6.4m ）4）拖拉后配套的力 FNL （经验值）5）总推力计算ΣF=17943.3KN在盾构上坡和转弯时盾构的推力按直线水平段的1.5倍考虑，盾构的实际推力应为：ΣF=17943.3×1.5=26914.95KN盾构机实际配备推力：S -488/S -698盾构机实际推力分别为34210KN 和50668KN 。
均能满足盾构的实际需要.2、扭矩计算1）刀具切削扭矩推进速度：刀盘转速： （根据类似工程选取经验值） 刀盘每转切深：岩土的抗压强度： ；刀盘直径： Dd=6.68mT 1=0.5x[100x0.0667x(6.68x0.5)2]=37.2KNm214BA i s F D p π=2S 'F i s F D π=S'10/F KN m=KN F NL 750=h m V /8.4max =rpm n 2.1=cm n V h 67.6/max ==100u q KPa =()[]2max 15.05.0⨯⨯⨯⨯=d u D h q T2）刀盘自重产生的主轴承旋转反力矩:其中：刀盘自重：主轴承滚动半径：滚动摩擦系数：3）刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩 其中：推力载荷 ；刀盘不开口率： a=0.4；刀盘半径；P t =0.4x3.14x3.34x102=428KNT 3=428x1.3x0.004=2.23KN.m4）密封装置摩擦力矩式中：密封与钢之间的摩擦系数：；密封的推力：；密封数：密封的安装半径：5）刀盘前表面上的摩擦力矩； g R G T μ⨯⨯=12570G KN =m R 3.1=004.0=g μ2570 1.30.00429.6.T KN m=⨯⨯=g t R P T μ⨯⨯=3d t P R P ⨯⨯⨯=2παm R 14.32=()1/2102/d h h P P P KN m =+=2142m m m R n F T ⨯⨯⨯⨯=μπ2.0=m μKPa F m 5.1=3=n m R m 25.11=mKN T m .8.825.135.12.02214=⨯⨯⨯⨯=π()d p P R T ⨯⨯⨯⨯⨯=32532μπα其中土层和刀盘间的摩擦系数：；T5=2/3x(0.7x3.14x0.15x3.343x102)=835KN.m6）刀盘圆周的摩擦反力矩其中刀盘边缘宽度：；刀盘圆周土压力：T 6=2x3.14x6.68x0.45x205x0.15=580KN.m7）刀盘背面的摩擦力矩刀盘背面的摩擦力矩由土腔室内的压力所产生，假定土仓室内的土压力为Pd8）刀盘开口槽的剪切力矩其中土的抗剪应力：在切削腔内，由于碴土含有水，取C=15KPa ，内摩擦角为 T 8=2/3x3.14x23x3.343x(1-0.7)=538KN.m9）刀盘土仓内的搅动力矩T 9其中刀盘支撑柱直径：；刀盘支撑柱长度；支撑柱数量刀盘支撑柱外端半径：；刀盘支撑柱内端半径：所以，刀盘总扭矩15.0=p μp z d P B D T μπ⨯⨯⨯⨯=26m B 45.0=()11/4205z h h v v P P P P P KPa =+++=()3722722.94.3p d T R P KN m απμ=⨯⨯⨯⨯⨯=()απτ-⨯⨯⨯⨯=132328R C T 15102523d C C P tg tg KPa τφ=+=+⨯︒=︒=5φ()b d z b n r r P L T ⨯+⨯⨯⨯=2/219φm b 6.0=φm L z 1.1=4=b n m r 4.12=m r 7.01=()m KN T .5.44442/7.04.136.1601.16.09=⨯+⨯⨯⨯=，此为额定扭矩。
盾构掘进及主要参数计算
作用于管片顶部的荷载，采用松弛土压力，以考 虑地基的拱效应。
考虑地面超载作用，相关公式如下：
v
B1 ( c / B1 ) (1 ek0 tanH / B1 ) k0 tan
p e k0 tan H / B1 0
/4/2
B1 R0 cos(
2
)
H1
H
p0
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广州盾建
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土压力(kPa)
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监测断面的地质条件
本次隧道围岩压力监测拟结合工秳地质条件和地 面建筑物情况开展研究。
1、 监测断面的地质条件
监测断面从上到下主要 为：人工填土局<1>， 粉土<4> 、可塑状粉 质粘土〈5-1〉，硬塑粉 质粘土〈5-2〉；隧道洞 身为全风化带〈6〉，洞 底为强风化带〈7〉。
研究结果表明：
目前设计中常用的惯用设计法土压力计算模型是 合理的，泰沙基（Terzaghi）松弛土压力不实测 土压力基本接近，实测稳定土压力不计算土压力 分布觃律是吻合的。
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管片内力不发形的现场监测试验研究
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(2) 掘迚推力 F
盾构的掘迚总推力是由各种推迚阻力的总和来确 定。推迚阻力主要由以下几项构成：
计算值 计算值与稳定后 (kPa) 实测值相对误差(%)
520 拱顶316° 98.3
528 拱腰249° 98.1
525 拱底228° 143.5
521 拱底180° 123.1
522 拱腰103° 70.8
511
拱腰92°
93.4
23.6
硬岩地层盾构机推力计算
1、盾体的摩擦力F1=0.25πDL（2P a+2K0P a+K0γD）×μ1+W×μ1式中：D——盾构机直径L——主机长度W——盾构机主机重量（KN）γ——掘削断面上的土体浮重度（KN/m³）K0——掘削断面上土体的静止土压系数，取值0.5μ1——地层与盾构机外壳间摩擦系数，通常取μ1=0.5tanφφ——掘削断面上土体的摩擦角（°）n Pa——作用在盾构机上顶部的竖直土压强度（kpa），Pa=∑γiHii=1 n—地表至盾构机外壳上顶区域内的不同浮重度的土层数γi——第i层的浮重度（KN/m³）H i——第i层的厚度F1=0.25×3.14×6.45×9.135×（2×300+2×0.5×300+0.5×20×6.45）×0.31+3100×0.31≈14790KN2、盾尾与管片间的摩擦力F2=n1×Ws×μ2+π×D0×b×p2×n2×μ3n1——盾尾内管片环数Ws——1环管片的重量（Kn）μ2——管片与盾尾间的摩擦系数μ3——管片与盾尾密封刷的摩擦系数D0——管片外径b——盾尾密封刷与管片的接触长度n2——盾尾密封刷的层数p2——盾尾密封刷内油脂压力F2=2×282×0.3+3.14×6.2×0.1×300×4×0.15=520KN3、开挖面的支撑力开挖面的支撑力按公式（3）计算，对于土压平衡盾构计算公式如下×P SF3=π×D24式中：P S——设计掘进土压，此处去200KPaF3=3.14×6.45²×200/4=6532KN4、后配套拖车的拖拉力后配套的拖拉力由公式（4）计算F4=W4×μ4式中W4——后备套的自重（KN）μ4——后备套拖车与轨道的摩擦系数F4=1500×0.15=225KN5、刀具上的推力现按照轨道方式计算推力，滚刀共40刃，按每把单刃滚刀的最大承载力按250KN计算。
盾构掘进主要参数计算方式
目录1、纵坡..................................................2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法..................深埋隧道土压计算................................浅埋隧道的土压计算..............................主动土压力与被动土压力........................主动土压力与被动土压力计算：..................地下水压力计算..................................案例题..........................................施工实例1....................................施工实例2....................................3、盾构推力计算.........................................4、盾构的扭矩计算 ...................................... 1、纵坡隧道纵坡：隧道底板两点间数值距离除以水平距离如图所示：隧道纵坡=（200-100）/500=2‰注：规范要求长达隧道最小纵坡>=%,最大纵坡=<%2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，笔者总结出在土压平衡盾构的施工过程中，土仓内的土压力设置方法为：a、根据隧道所处的位置以及隧道的埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深埋隧道还是浅埋隧道（一般来说埋深在2倍洞径以下时，算作是浅埋段，2倍以上算深埋)；b、根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力；c、根据隧道所处的地层以及隧道周边地地表环境状况的复杂程度，计算水平侧向力；d、根据隧道所处的地层以及施工状态，确定地层水压力；e、根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑～的压力值作为调整值来修正施工土压力；f、根据确定的水平侧向力、地层的水压力以及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值为：σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整式中，σ初步设定－初步确定的盾构土仓土压力；σ水平侧向力－水平侧向力；σ水压力－地层水压力；σ调整－－修正施工土压力。
盾构机计算书
φ6340mm隧道掘进机型号TM634 PMX设计计算书株式会社小松制作所地下建机事业本部小松(中国)投资有限公司2010年4月目录页数1、计算条件 (3)1.1工程条件 (3)1.2地质条件 (3)1.3计算模型 (4)1.4盾构机规格 (5)2、盾构机刀盘所需扭矩计算 (5)2.1 计算条件 (5)2.2 各参数的计算 (6)2.3 所需扭矩计算 (7)3、盾构机掘进时所需推力计算 (8)3.1 计算条件 (8)3.2 各参数的计算 (9)3.3 推力计算 (10)4、盾构机壳体强度计算 (11)4.1 计算条件 (11)4.2 各参数的计算 (11)4.3 土荷载计算 (12)4.4 盾构机壳体水平方向变位量的计算 (13)4.5 载荷的计算 (13)4.6 弯曲扭矩[M]及轴力[N]的计算结果 (14)4.7 盾构机壳体应力σ的计算结果 (15)5、切削刀具寿命的计算 (19)5.1 地质概况 (19)5.2 地质计算模型化 (19)5.3 主切削刀计算 (19)5.3.1 磨损高度与运转距离的关系 (19)5.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数 (20)5.3.3刀具磨损计算公式 (21)5.3.4刀具磨损计算结果 (22)6、三排园柱滚子轴承计算 (23)6.1 盾构机规格 (23)6.2 载荷计算 (24)6.2.1土载荷的计算 (24)6.2.2 作用与三排园柱滚柱轴承上的载荷的计算 (24)6.3、三排园柱滚柱轴承寿命计算： (25)6.3.1三排园柱滚柱轴承规格 (25)6.3.2 三排园柱滚柱轴承寿命计算 (25)1、计算条件：1.1、工程条件：(1) 隧道长度 m(2) 隧道最小转弯半径 250m(3) 盾构机开挖直径φ6340m m(4) 管片外径φ6200m m(5)管片内径φ5500m m(6)管片宽度 1200mm(7)管片厚度 350mm(8)分块数 5+1块(9)管片重量 4.5t / 块(10)隧道坡度‰1.2、地质条件：(1)土质淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、中粗砂(2)隧道覆土厚度 5～30 m(3)地下水位GL- 0.5 m(4)间隙水压 MPa(5)透水系数 cm/sec(6)标准贯入值（N值）(7)内摩擦角 deg(8)粘着力 kN/cm2(9)含水率（W%）(10)地面负荷 6 tf/m2(11)地层反力系数 kN/m21.3、计算模型说明：由于整个计算全部采用在埋深30m ，承受最大水压力，因此计算偏与安全。
浅谈盾构机反力架结构的设计及应用
浅谈盾构机反力架结构的设计及应用摘要：盾构始发时，需要安装一个为盾构机提供反作用力的构件，即反力架。
在盾构始发施工时，反力架的支撑作用位置一般有两种: 一种是采用直撑直接作用于后方端墙，另一种是采用斜撑作用于底板。
本文首先分析了盾构机反力架结构的设计原则，然后结合具体工程案例详细阐述了盾构机反力架结构的设计及应用要点。
关键词：盾构机；反力架结构；支撑；受力；强度一、盾构机反力架结构的设计原则反力架支撑属于压杆，最佳受力状态便是尽量使截面在各个方向上的惯性矩相等，即（Iy=Iz），因此在此采用圆环形截面做支撑结构也是理想选择。
材料确定之后，接下来便要对支撑的结构进行合理的设计，总的设计原则便是让反力架整体变形达到最小。
设计步骤为：1、分析各杆件的类型，计算出各杆件的临界荷载；2、对于反力架进行受力分析，确定出支撑点的最佳位置，使反力架整体变形最小；3、布置好支撑位置后，验算反力架工字钢的强度与刚度，保证二值在规范允许范围内；4、对支撑本身进行加固，形成一个桁架结构，使整个支撑可看成一个刚体，确保整体稳定性。
二、盾构机反力架结构的设计实例（一）工程概况某地铁工程共包括两个盾构区间，其中分布 2 个盾构井和 3#二衬竖井，均采用地下连续墙结构；采用两台盾构机分别从两个盾构井始发掘进，掘进断面土层主要为粉质粘土，局部存在砂层和卵砾石层，根据地层条件选用土压平衡式盾构机。
由于盾构机初始掘进时反作用力很大，因此对反力架的结构设计要求较高。
（二）反力架结构设计1、主梁部分反力架主梁分为竖梁、横梁及八字梁部分，反力架竖梁采用两榀70#H型钢并行加工焊接而成，横梁与八字梁采用20mm厚的钢板焊接成700mm×400mm的矩形结构形式，中间50cm设置一道肋板。
2、支撑部分反力架支撑采用ф600mm×12mm的钢管。
一头焊接于主梁上，一头焊接于预埋钢板上。
根据断面结构可采用斜支撑方式，斜撑数量2道，钢管斜撑的斜撑角度为30°。
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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。
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P e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：P e = 丫h+ P oP0i= P e + G/DLP i=F e xxR=(P+ 丫.D)入式中：入为水平侧压力系数，入= h为上覆土厚度，h= 丫为土容重，丫= t/m 3G为盾构机重，G=340 tD为盾构机外径，D= m ; L为盾构机长度，L= m ; P 0为地面上置何载，P o=2 t/m 2; P oi为盾构机底部的均布压力；P i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；P e=X +2= t/m 22 2P oi=+34O/ (x) =m P i=x =m2P2 =+ xx =m盾构推力计算盾构的推力主要由以下五部分组成：F F i F2 F3 F4 F5式中：F i为盾构外壳与土体之间的摩擦力；F2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1F l 一(P e P01 P P2)DL .4式中：：土与钢之间的摩擦系数，计算时取0.31 F1(26.83 33.37 14.8918.3) 6.25 8.32 0.3 1144.23t4F2 ,4(D2P d)式中：P d为水平土压力，P d( h D)2D 6.28h 12.8 15.93m2 22F d 0.47 1.94 15.93 14.52t/mF2/ 4(6.282 14.52) 445.48tF3/4(D2C)式中：C为土的粘结力，c=mF3 (6.252 4.5) 138.06t4F4 W c c式中：VC、卩c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m3管片宽度按计时，每环管片的重量为)，两环管片的重量为考虑。
卩C=F448.24 0.3 14.47tF5 G h sin g G h cos式中：G h为盾尾台车的重量，G~ 160t;B为坡度，tg 9 =卩g为滚动摩阻，卩g=F5160 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 M1 M2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M 8 M 9式中：M为刀具的切削扭矩；M为刀盘自重产生的旋转力矩M为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩；M为密封装置产生的摩擦力矩M为刀盘前表面上的摩擦力矩；M为刀盘圆周面上的摩擦力矩M为刀盘背面的摩擦力矩；M为刀盘开口槽的剪切力矩M为刀盘土腔室内的搅动力矩a •刀具的切削扭矩MR0 1 2M i Chrdr M1 (C h max R0)0 2式中：C「：土的抗剪应力，2C「=C+P d x tg © =+x tg20 °=mh max:刀盘每转的最大切削深度，h ma=8cm/转R0:最外圈刀具的半径，R0=1 2 2M1-(9.78 8 10 2 3.142) 3.83t m2b. 刀盘自重产生的旋转力矩MM=GRl g式中：G:刀盘自重，计算时取刀盘的自重为G=55tR :轴承的接触半径，计算时取为R=卩g：滚动摩擦系数，计算时取为卩g=M=55xx = . mc. 刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M2M=WR 卩z W p=an R P d式中：W：推力荷载；a：刀盘封闭系数，a =尺：轴承推力滚子接触半径，RF ；F C :刀盘半径，R=卩z：滚动摩擦系数，卩z= ；P d:水平土压力，P d=mW=nXX =；M=xx = t . md. 密圭寸装置产生的摩擦力矩M2 2M4=2 冗卩F (n i Rn i +rbRn2)式中：卩m：密圭寸与钢之间的摩擦系数，卩n=；F:密圭寸的推力，F=mn i、n2 :密圭寸数，n i=3 n 2=3；Rn2：密圭寸的安装半径，Rn= R m2=；M= 2 nxxx( 3X +3X) = t • me. 刀盘前表面上的摩擦力矩MM5 2( p R3P d)3式中：a：刀盘开口率，a =；卩P：土层与刀盘之间的摩擦系数，卩P= R :刀盘半径，R=M5 2(0.30 0.15 3.143 1 4.52 ) 41.96t m3f .刀盘圆周面上的摩擦力矩MM=2 n RBP 卩P式中：R:刀盘半径，R= ; B:刀盘宽度，B=P Z:刀盘圆周土压力P Z= (P e+P)1+P1+F2) /4= (+++) /4=m2M=2 nXXXX = • mg. 刀盘背面的摩擦力矩MM=2/3[ (1- a)n 戌卩P X ]M=2/3 (XnXXXX) = • mh. 刀盘开口槽的剪切力矩MM8- C R33式中：C T：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==1 t/m，© =5°; C T =C+P X tg © =1+X tg5= t/mM8- 2.27 3.143 0.30 45.88t m3i .刀盘土腔室内的搅动力矩MM=2n( R2— R>2) LG式中：d i :刀盘支撑梁外径，d i=；d2 ：刀盘支撑梁内径，d2= mL：支撑梁长度，L= mM9=2 n（）XX = t • m刀盘扭矩M为M~M之和M=++++++++=• m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.盘形单刃滚刀的参数如下:直径d=（17 英寸），R=刃角 a =60°每转切深h=1 cm刀盘直径D=盘形滚刀刀间距， B n=2htg © /2式中：©为岩石的自然破碎角，查表选取© =155°B m=2X 1 X tg155/2= ~ 10cm盾构推力的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要的推力上，所以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，其它在选取盾构机推力的富裕量时进行统筹考虑。
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F总=mF力式中： F 力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F力4 K d R s(丄)0.5(£1.4h .2Rh h2tg-2 1.5 35 2式中：K d为岩石的滚压系数，查表取K d=R压为岩石的抗压强度，R压==623kg/cm2r i为盘形滚刀的刃角半径；r i =8cm9 i为盘形滚刀的半刃角；B i=30°©为岩石的自然破碎角，©=155°F力4 0.55 623 (—)0.5(聖)1.4 1 2 21.6 1 『tg15524.64t3 1.5 35 2m= D /(2 X B)式中：D为刀盘的外径，D=出为滚刀的刀间距，B=10cmm = (2 X 10X 10-2)=31本盾构机设计双刃滚刀19把，合计单刃滚刀38把，满足需要。
盾构机的总推力：F总=mF力=38X =盾构扭矩的计算硬岩掘进的扭矩主要由以下三部分组成：T T1 T2 T3式中：T1为刀盘滚动阻力矩计算T2为石碴提升所需要的扭矩T3为克服刀盘自重所需要的扭矩a. 刀盘滚动阻力矩计算T1T1 FB m m.式中：F为盘形滚刀的滚动力式中：E为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数，EP力=卩压= h为每转切深，h =1cmR为盘形滚刀的半径，R=21.6 mmF 3 0.8 ” ------ 124.64 2.273 2 21.6 1出为盘形滚刀刀间距，B=10cm=42T1 2.27 0.1 m i 204.99t mi 1b •石碴提升所需要的扭矩T2T2=q n R h 1R式中：q为石碴容重，q=mR= mH=1 mm/n卩1为刀盘系数，卩1=T2=XnXXXX =c.克服刀盘自重所需要的扭矩T3T3=W/y 1R式中：W为刀盘自重，M55 t口 1 =R=T3=55XX = • m硬岩掘进所需要的力矩T= + += • m推力和扭矩的选取及验证软土中掘进：推力F=，扭矩T= • m硬岩中掘进：推力F=，扭矩T= t • m由于盾构在施工中经常需要纠偏、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倍。
F 1.5 F 1.5 175424 2631.36t按照《Mechanised Shield Tunnelling〉〉一书（作者:Bernhard Maidl ；MartinHerrenknecht ; Lothar Anheuser等)介绍的经验公式进行验算2F D kN式中：a为经验系数，按下图取500~1200D为盾构外径，D = mF (500 ~ 1200) 6.25219530 ~ 46875kN 1953 ~ 4687.5t本盾构机设计总推力为3421t，既大于理论计算值，又处于经验计算值之间, 说明盾构机的推力是足够的。
盾构外径当用刀盘扭矩的经验公式计算刀盘扭矩时T=a D3式中：a：扭矩系数，取a =T=x = t • m本盾构机额定扭矩T=450t • m，最大扭矩Tmax=530t • m可同时满足理论计算及经验计算的要求。
刀盘的驱动功率a.刀盘驱动所需功率:4 p / 530 10 19550 b. 液压马达所需总功率m 为液压马达数量，m=8每个马达功率为:P m — 652.91 81.61kWm 8c. 驱动电机的总功率：PP z 652.91/0.9 725kWd其中：n d 为电机效率，n d =本盾构机刀盘电机配备的功率为 945kV ,在满足上述计算要求的情况下,仍有较大富裕，以应付掘进过程中不明因素的影响。
盾构推进所需功率盾构机最大推进功率P T 可按：P T =F • V式中：F---总推力，F=3421tV---最大推进速度，V=8cm/minP T =3421 X 10X 8X 10-2/60= 式中：T c 为刀盘驱动的最大扭矩；T c =530 t • mn 为刀盘最大扭矩时的转速与盾构机设计的最大扭矩相对应的转速为 1 r/m ，则刀盘执行机构实P/ 际功率为:T c n9550 554.97kW—巴=554^1 m0.85 652.91kW其中：n m 为马达效率, n m =本盾构机的推进功率取值为55kW 可满足上述要求螺旋输送机参数的确定a .输送量Q理论出土量Q 可按:本盾构机的螺旋输送机的输送能力为 400nVh ，可满足计算要求 b .螺旋输送机驱动功率螺旋输送机所需功率:式中：W 0为物料阻力系数，取丫为土的容重，取m 3L 、 H 为螺旋输送机的水平长度和高度初定螺旋输送机的长度为10m 倾角为23°则:L=10 x cos23° = m H=10 x sin23 ° = m400 1 94所以，P L ----------- (3.2 9.205 3.907) 70.55kW 367电机所需功率：P k 吃 2 7055188kW总 0.75 本盾构机螺旋输送机驱动电机功率 315 kW,可以满足上述计算要求 皮带输送机的参数确定 式中：D 为盾构的开挖直径，D=V max 为盾构的开挖速度，V max =8cm/mi n x 60=ha 为土的松动系数取为，a =Q Lmax D 24 Q L 1.56.282 44.8 221.4m 3/h P LQ L 367 (W o H)皮带输送机的输送量应与螺旋输送机的输送量相匹配，按450 m3/h确定皮带输送机的参数进行计算a.确定带宽B式中：Q 为皮带输送机的输送量取450riVhK d 为端面系数，查表K d =355 匕为速度系数，查表K v =&为倾角系数，查表K . =1V 为带速，V=s取标准带宽，B=800mmb •皮带输送机的功率计算皮带输送机的功率即为电动滚筒的功率，电动滚筒的功率 N 可按:式中：K q 为满载驱动系数，K F ~,取K q =n 为效率，取n =N ）为电动滚筒的轴功率：N 0 K k L h V K z L h Q 0.00273Q H K f式中：K q 为空载运行功率系数，查表 K q =L h 为运行长度，L h =45mK z 为水平满载运行功率系数，查表 K z = X 10-5V 为带速，V=sH 为倾斜高度，H=查表取K f =N 0 0.0165 45 2.5 10.89 10 5 45 450 0.00273 450 0.5 2.89.65 N 1.4 15.35kW—450 \ 355 0.96 1 2.5 727mmK qN 。