نوع مقاله: علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار زمین شناسی مهندسی، گروه علوم زمین، دانشگاه تبریز

2 گروه علوم زمین، دانشکده علوم طبیعی، دانشگاه تبریز

10.22034/ijme.2020.37385

چکیده

طرح مورد مطالعه در این پژوهش، تونلی است به طول 36 کیلومتر و با قطر حفاری 32/6 متر که به منظور انتقال آب از دامنه های غربی زاگرس به حوزه دریاچه اورمیه طراحی شده و در شرایط زمین شناسی تشکیل شده از سنگ های سخت با استفاده از دو دستگاه ماشین حفار تونل (TBM)، در حال اجراست. زمین شناسی مسیر تونل از لحاظ لیتولوژی اغلب از سنگهای گرانیت، گرانودیوریت، هورنفلس، شیست، آهک، دولومیت، شیل، اسلیت و فیلیت تشکیل شده است. یکی از چالش های اصلی تونل مورد مطالعه، سایش دیسکها ی برشی است که علاوه بر هزینه، زمان موردنیاز حفاری را افزایش داده است و بر اقتصاد پروژه تأثیر جدی گذاشته است. سایش را می توان به صورت از دست رفتن و زدوده شدن مداوم مواد از سطح یک جسم جامد، در اثر کنش های مکانیکی مانند تماس و حرکت نسبی میان دو جسم تعریف نمود. سایش ساینده و سایش تخریبی جزو مهمترین نوع سایش دیسکها ی برشی می باشند. در این مقاله برای بررسی سایندگی سنگ ها از داده های میدانی حاصل از حفاری9/5 کیلومتر تونل، ویژگی های ژئوتکنیکی و اطلاعات آزمایشگاهی استفاده شده است. مطالعات میدانی نشان می دهد سایش غیر نرمال، 51 درصد سهم خرابی دیسکهای برشی را به خود اختصاص داده و بیشتر از سایش نرمال می باشد. بررسی نرخ مصرف دیسکهای برشی در ارتباط با ویژگی های زمین شناسی و پارامترهای حفاری نشان می دهد که ارتباط نزدیکی بین شاخص سایندگی سرشار و مقاومت فشاری سنگ با نرخ مصرف دیسکهای برشی وجود دارد. نتایج شان می دهد با کاهش نیروی پیشران و گشتاور ماشین حفار و افزایش نرخ نفوذ، میزان مصرف دیسکهای برشی نیز بطور نسبی کاهش یافته است. طول عمر نسبی دیسکهای برشی بر حسب موقعیت آنها برروی کله حفاری در مقایسه با نمودار پیشنهادی توسط برولند (1998)، مطابقت خوبی نشان می دهد

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of TBM disc cutter wear issue in hard rock tunneling; a case study

نویسندگان [English]

  • Ghodrat Barzegari 1
  • Jafar Khodayari 2

1 Assistant Professor of Engineering Geology, Department of Earth Sciences, University of Tabriz

2 Department of Earth Sciences, Faculty of Natural Science, University of Tabriz, Iran

چکیده [English]

The research project in this study is a part of a 36 kilometer tunnel with 6.32 m in diameter for conveyance of water from the western of Zagros to the Uromia Lake that is under construction through hard rock by using of two tunnel boring machines. Lithology of the tunnel alignment including of granite, granodiorite, hornfels, schist, limestone, dolomite, shale, slate and phyllite. The wear of cutting tools is one of the main challenges of the studied tunnel, which impact significant cost and serious delays on schedule. Wear can be defined as the continuous and unwanted loss and removal of material from the surface of a solid object, as e result of mechanical actions, such as contact and relative motion between two objects. Abrasive wear and impact wear are one of the most important type of wear occurs on the TBM disc cutters. In this paper field actual cutter wear data belong to 9.5 Km of the bored tunnel, geotechnical properties and laboratory information are used to study the wear phenomena. Field data show that abnormal wear of disc cutters with 51 percent is more than normal wear. Also the study of disc cutter consumption rate in relation the geological characteristics and TBM parameters show that the Cerchar abrasivity index (CAI) and uniaxial compressive strength (UCS) are in agreement with disc cutter consumption rate. The obtained results indicate that thrust, torque and penetration rate have a relatively good relation with disc cutter consumption rate. It was not found any relation between rock mass quality index, geological strength index and disc cutter wear rate. In general the relative cutter life in the studied tunnel is in accordance with the relation proposed after Bruland (1998).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Disc cutter
  • Wear
  • TBM
  • tunneling
  • CAI

منابع
.1 انتشارات ،» زمین شناسی ایران « ؛ آقانباتی، ع؛ 1919
سازمان زمین شناسی کشور، 211 صفحه.
.2 عملکرد ماشین های « ؛ حسن پور، ج؛ جمال، ر؛ 1913
نشر فن آریا، 221 صفحه. ،» تونل بری در سنگ سخت
3. Rad, P. F; 1975; “Bluntness and wear of rolling disk cutters”, in Proceedings International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Volume 12, Elsevier, p. 93-99.
» مهندسی معدن « بررسی پدیده سایش دیسک های برشی ماشین حفاری تونل در سنگ های سخت نشریه علمی پژوهشی
61
4. Bamford, W; 1984; “Rock test indices are being successfully correlated with tunnel boring machine performance”, in Proceedings Fifth Australian Tunnelling Conference: State of the Art in Underground Development and Construction, Preprints of Papers, Institution of Engineers, Australia, p. 218.
5. Wijk, G; 1992; “A model of tunnel boring machine performance”, Geotechnical & Geological Engineering, v. 10, no. 1 ,p. 19-40.
6. Gehring, K; 1995; “Prognosis of advance rates and wear for underground mechanized excavations”, Felsbau, v. 13, no. 6, p. 439-448.
7. Rostami, J; 1997; “Development of a force estimation model for rock fragmentation with disc cutters through theoretical modeling and physical measurement of crushed zone pressure”, Colorado School of Mines Golden.
8. Lislerud, A;1997; “Principles of mechanical excavation”, Posiva Oy.
9. Bruland, A; 1998; “Hard rock tunnel boring”, Project report 13A-98, NTNU Trondheim, v. 21.
10. Bieniawski, Z; Celada, B; Galera, J; and Tardáguila, I; 2009; “Prediction of cutter wear using RME”, Universidad Politecnica de Madrid, Spain.
11. Frenzel, C; 2011; “Disc cutter wear phenomenology and their implications on disc cutter consumption for TBM”, in Proceedings 45th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, American Rock Mechanics Association.
12. Cardu, M; and Giraudi, A; 2012; “Metal-rock pair characterization in excavation engineering”, Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, v. 112, no. 5, p. 379-386.
13. Farrokh, E; Rostami, J; and Laughton, C; 2012; “Study of various models for estimation of penetration rate of hard rock TBMs”, Tunnelling and Underground Space Technology, v. 30, p. 110-123.
14. Wang, L; Kang, Y; Cai, Z; Zhang, Q; Zhao, Y; Zhao, H; and Su, P; 2012; “The energy method to predict disc cutter wear extent for hard rock TBMs”, Tunnelling and
Underground Space Technology, v. 28, p. 183-191.
15. Zhao, H; Shu, B; Xia, Y; and Zheng, W; 2014; “Study of wear prediction for TBM cutter based on abrasive wear model”, Journal of Railway science and Engineering, v. 11, no. 8, p. 152-158.
16. Hassanpour, J; Rostami, J; Azali, S. T; and Zhao, J; 2014; “Introduction of an empirical TBM cutter wear prediction model for pyroclastic and mafic igneous rocks; a case history of Karaj water conveyance tunnel, Iran”, Tunnelling and Underground Space Technology, v. 43, p. 222-231.
17. Wang, L; Kang, Y; Zhao, X; and Zhang, Q; 2015; “Disc cutter wear prediction for a hard rock TBM cutterhead based on energy analysis”, Tunnelling and Underground Space Technology, v. 50, p. 324-333.
18. Barzegari, G; Uromeihy, A; and Zhao, J; 2015; “Parametric study of soil abrasivity for predicting wear issue in TBM tunneling projects”, Tunnelling and Underground Space Technology, v. 48, p. 43-57.
19. Lin, L; Mao, Q; Xia, Y; Zhu, Z; Yang, D; Guo, B; and Lan, H; 2017; “Experimental study of specific matching characteristics of tunnel boring machine cutter ring properties and rock”, Wear, v. 378, p. 1-10.
20. Liu, Q; Liu, J; Pan, Y; Zhang, X; Peng, X; Gong, Q; and Du, L; 2018; “A wear rule and cutter life prediction model of a 20-in. TBM cutter for granite: a case study of a water conveyance tunnel in China”, Rock Mechanics and Rock Engineering, v. 50, no. 5, p. 1303-1320.
21. Lin, L; Xia, Y; Mao, Q; and Zhang, X; 2018; “Experimental study on wear behaviors of TBM disc cutter ring in hard rock conditions”, Tribology Transactions, p. 1-10.
22. Yang, Y; Hong, K; Sun, Z; Chen, K; Li, F; Zhou, J; and Zhang, B; 2018; “The Derivation and Validation of TBM Disc Cutter Wear Prediction Model”, Geotechnical and Geological Engineering, v. 36, no. 6, p. 3391-3398.
23. Hassanpour, J; 2018; “Development of an empirical model to estimate disc cutter wear
» مهندسی معدن « جعفر خدایاری، قدرت برزگری نشریه علمی پژوهشی
62
for sedimentary and low to medium grade metamorphic rocks”, Tunnelling and Underground Space Technology, v. 75, p. 90-99.
24. Verhoef, P. N; 1992; “Wear of rock cutting tools”, Implications for the site investigation of.
25. Thuro, K; and Käsling, H; 2009; “Classification of the abrasiveness of soil and rock”, Geomechanics and Tunnelling, v. 2,
no. 2, p. 179-188.
26. Zhao, J; Gong, Q; and Eisensten, Z; 2007; “Tunnelling through a frequently changing and mixed ground: A case history in Singapore”, Tunnelling and Underground Space Technology, v. 22, no. 4, p. 388-400.
27. Wittke, W; Erichsen, C; and Gattermann, J; 2007; “Stability Analysis and Design for Mechanized Tunnelling”, WBI, Felsbau GmbH, Aachen.