تحلیل نرخ نفوذ ماشین حفار تمام مقطع در شرایط سنگ‌سایی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی معدن،دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران،

2 دانشیار گروه مهندسی معدن، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

3 دانشیار دانشکده زمین‌شناسی، پردیس علوم، دانشگاه تهران، تهران، ایران

4 استادیار گروه مکانیک سنگ، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

تونل‌سازی مکانیزه در سنگ سخت با چالش‌ها و ریسک‌های متفاوتی همراه است که یکی از آن‌ها مساله نرخ نفوذ ماشین حفار تمام مقطع و وقوع پدیده آسیاب‌کاری و ایجاد تراشه‌های حفاری در شرایط مختلف زمین‌شناسی و ژئومکانیکی است. در شرایطی که مقاومت سنگ زیاد و میزان درزه‌داری آن کم باشد و همچنین مقدار نیروی لازم پیشران تامین نشود، نرخ نفوذ ماشین کاهش یافته و  به جای تشکیل تراشه‌های سنگی در جبهه‌کار تونل، سنگ اصطلاحا آسیاب می‌‌شود. در این شرایط که آسیاب‌کاری نام‌گذاری شده است، تونل‌سازی با سایش و مصرف زیاد ابزار برشی و همچنین کاهش شدید راندمان عملیات حفاری همراه است. در این مقاله، مرز دو فرآیند آسیاب‌کاری و تشکیل تراشه در دو پروژه‌ای که با این پدیده مواجه بوده‌اند، بررسی می‌شود و معیاری برای تعیین حداقل نیروی نرمال در شرایط مختلف ژئومکانیکی که برای ایجاد تراشه لازم است، ارایه می‌شود. به این منظور، داده‌های مربوط به پروژه‌های تونل انتقال آب کرمان و تونل توسعه جنوبی خط 6 متروی تهران مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این راستا با مقایسه مقادیر نیروی نرمال وارد بر ابزار برشی و نرخ نفوذ حاصل، آستانه تغییر شرایط از پدیده آسیاب‌کاری به تشکیل تراشه مشخص می‌شود. نتایج حاصل نشان می‌دهد، مقدار نیروی نرمال لازم که باید از سوی تیغه برشی به توده سنگ دربرگیرنده جبهه‌‌کار تونل اعمال شود تا حفاری در شرایط ایجاد تراشه رخ دهد برای سنگ‌هایی با مقاومت فشاری متوسط، بالا  و خیلی بالا به ترتیب برابر با 130، 210 و 225 کیلونیوتن است. همچنین با بررسی داده‌های خط 6 مترو، نقش درزه‌داری در فراهم کردن شرایط تشکیل تراشه بررسی شد و نتیجه حاکی از آن بود که مرز بین آسیاب کاری و تشکیل تراشه برای سنگ‌هایی با مقاومت متوسط، می‌تواند در RQD=75 درصد باشد. همچنین مشخص شد که با عبور نرخ نفوذ از آستانه‌ای خاص، افزایش اندکی در نیروی نرمال موجب افزایش قابل ملاحظه نرخ نفوذ می‌شود که این موضوع افزایش راندمان و کاهش هزینه‌های عملیاتی را در پی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Penetration rate analysis for tunnel boring machine in grinding conditions

نویسندگان [English]

  • Seyed Mahdi Pourhashemi 1
  • Kaveh Ahangari 2
  • Jafar Hassanpour 3
  • Seyed Mosleh Eftekhari 4
1 Department of Mining Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Associate professor Department of Mining Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Associate professor School of Geology, College of Science, University of Tehran
4 Assistant Professor Department of Mining Engineering Faculty of Engineering Tarbiat Modares University
چکیده [English]

Mechanized tunneling in hard rock is associated with various challenges and risks, one of which is the penetration rate of Tunnel Boring Machine and the occurrence of grinding and chipping in various conditions. When the strength of the rock is high and the amount of jointing is low, the penetration rate of the machine is reduced and instead of forming rock chips in the tunnel face. In these conditions, which is called grinding, tunneling is associated with wear and high consumption of cutting tools as well as a severe reduction in the efficiency of excavation operations. In this paper, the boundary between grinding and chipping processes is investigated and a criterion for determining the minimum normal force in different geomechanical conditions required to create chipping condition is presented. For this purpose, data related to Kerman Water Tunnel and Southern extension of Tehran Metro Line 6 tunnel are used. In this regard, by comparing the normal forces on the cutting tools and the resulting penetration rate, the threshold for changing conditions from the grinding phenomenon to chipping is determined. The results show that the amount of normal force required to be applied by the disc cutter to the rock mass to excavate under the chipping conditions for rocks with medium, high and very high uniaxial compressive strength are equal to 130, 210 and 225 kN, respectively. Moreover, by examining the data of Metro Line 6, the role of joints in providing the conditions for chips formation was investigated and the result showed that the boundary between grinding and chipping for medium strength rocks can be at RQD=75%. It was also found that with the penetration rate exceeding a certain threshold, a slight increase in normal force causes a significant increase in the penetration rate, which increases efficiency and reduces operating costs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • TBM
  • Grinding
  • Chipping
  • Kerman tunnel
  • Tehran metro line 6
منابع 1. Yagiz, S. 2008. Utilizing rock mass properties for predicting TBM performance in hard rock condition. Tunn Undergr Sp Technol 23:326–339.## 2. Gong, Q.M., Zhao, J., 2009. Development of a rock mass characteristics model for TBM penetration rate prediction. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science 46 (1), 8–18.## 3. Villeneuve, MC. 2008. Examination of geological influence on machine excavation of highly stressed tunnels in massive hard rock [PhD thesis]. Kingston, Canada: Queen’s University.## 4. Villeneuve, MC. 2017. Hard rock tunnel boring machine penetration test as an indicator of chipping process efficiency. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 9(4), 611-622.## 5. Gehring K. 2009. The influence of TBM design and machine features on performance and tool wear in rock. Geomechanics and Tunnelling, No. 2, 140-155.## 6. Thuro K. 2017. TBM performance prediction in hard rock, 12th Iranian and 2nd Regional Tunneling Conference, Tehran, Iran.## 7. Heydari, S., Hamidi, J.K., Monjezi, M. and Eftekhari, A., 2019. An investigation of the relationship between muck geometry, TBM performance, and operational parameters: A case study in Golab II water transfer tunnel. Tunnelling and Underground Space Technology, 88, pp.73-86.## 8. Robbins, R.J. 1970. Economic factors in tunnel boring. South African Tunneling Conference, Johannesburg. ## 9. Maidl B, Schmid L, Ritz W, Herrenknecht M. 2008. Hardrock tunnel boring machines.Berlin: Ersnt & Sohn Verlag.## 10. Delisio, A., Zhao, J., & Einstein, H. 2013. Analysis and prediction of TBM performance in blocky rock conditions at the Lötschberg Base Tunnel. Tunnelling and Underground Space Technology, 33, 131-142.## 11. Macias F.J., 2016. Hard Rock Tunnel Boring: Performance Predictions and Cutter Life Assessments, PhD Thesis, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim.## 12. Zhou J, Yazdani Bejarbaneh BJA, Danial, Tahir MM. 2020. Forecasting of TBM advance rate in hard rock condition based on artificial neural network and genetic programming techniques. Bull Eng Geol Environ 79:2069–2084.## 13. Hassanpour, J., Rostami, J., Khamehchiyan, M., Bruland, A., 2009. Development new equations for performance prediction. Geo Mechanics and Geoengineering: An International Journal 4 (4), 287–297.## 14. Farrokh E, Rostami J, Laughton C. 2012. Study of various models for estimation of penetration rate of hard rock TBMs. Tunn Undergr Sp Technol 30:110–123.## 15. Brino G, Peila D, Steidl A, Fasching F. 2015. Prediction of performance and cutter wear in rock TBM: application to Koralm tunnel project. Environ Min 37–50.## 16. Hassanpour, J. Rostami, J. Zhao, J. & Tarigh Azali, S. 2015. TBM performance and disc cutter wear prediction based on ten years’ experience of TBM tunneling in Iran. Geomechanics and Tunnelling (8): 239–247.## 17. Hassanpour, J. Rostami, J. & Zhao, J. 2011. A new hard rock TBM performance prediction model for project planning. Tunneling and Underground Space Technology (26): 595–603.## 18. Frenzel C., Käsling H., Thuro K. 2008. Factors influencing disc cutter wear. Geomech und Tunnelbau, No1, 55–60.## 19. مهندسان مشاور ساحل امید ایرانیان. 1394. گزارش زمین‌شناسی مهندسی تونل انتقال آب کرمان.## 20. مهندسان مشاور رهسازطرح. 1395. گزارش زمین‌شناسی مهندسی تونل توسعه جنوبی خط 6 مترو تهران.##