مقدمه ، تاريخچه و اهداف حفر سازه هاي زير زميني و تونل:
با پيشرفت تكنولوژي در عرصه هاي مختلف، فن تونل سازي نيز از اين امر مستثني نبود و تحولات عمده اي در آن صورت گرفت، هر چند كه هنوز هم روشهاي سنتي كاربرد وسيعي در اين زمينه دارند ولي اين حالت نيز بدليل استفاده از ماشين آلات جديد و تلفيق اين روشها با روشهاي بهسازي و حتي با روشهاي جديد ميسر و باعث كارآمدتر شدن اين روشها به ويژه در تونلهايي با مقاطع بزرگ گرديده است.
براي طراحي و نيز حفر تونل ها مي بايست اول به اهداف حفر تونل بپردازيم و سپس با مطالعه و بررسي كليه روش هاي تونل زني و نگهداري آنها ، تونل ها را طراحي و سپس به حفر آنها بپردازيم .
برخي از نكاتي كه بطور كلي مي توان در ارتباط با تونل سازي بدان اشاره كرد با توجه به محدوديت زمان ايستايي، بشرح زير مي باشد:
شكل مقطع تا حد ممكن حالت بيضوي داشته باشد، نصب نگهداري بايد سريعا بمنظور حداقل رساندن حركات توده در برگيرنده تونل انجام گيرد. پايداري جبهه كار ، بررسي و اقدامات لازم براي نگهداري صورت گيرد. در هر بخش از مراحل حفاري، حلقه شاتكريت مسلح بايد سريعا كامل و بسته شود و در صورت امكان براي مقاطع بزرگ كه به چند بخش تقسيم مي شوند، توصيه شده كه حفر گالري ها بطور متقارن انجام شود ، به اين ترتيب توزيع تنش مجدد در لاينينگ و توده در برگيرنده به آرامي و بدون مشكل صورت مي پذيرد .
در ايران از چند هزار سال پيش ، به منظور استفاده از آب هاي زيرزميني ، تونل هايي موسوم به قنات حفر مي شده است . قنات يكي از ابتكارات شگفت انگيز ايرانيان است كه بر كشاورزي و آبياري فلات ايران از يك سو و از ديگر سو در شكوفايي تمدن و فرهنگ ايران تأثير ماندگار داشته است . طول بعضي از اين سازه هاي زيرزميني كه نوعي تونل هاي انتقال آب به حساب مي آيند به 70 كيلومتر و يا بيشتر نيز مي رسد . تعداد قنات هاي ايران بالغ بر 50000 رشته برآورد شده و جالب توجه آن است كه اين قناتهاي متعدد طويل و حساس از لحاظ جهت و شيب با وسايل بسيار ابتدايي حفر شده اند . موقعيت جغرافيايي كشور ايران شرايط ويژه اقتصادي را بوجود آورده كه لزوم ايجاد شبكه هاي حمل و نقل كارا ، مناسب و استاندارد را ايجاب مي كند در صورتي كه اين شرايط و امكان استفاده از هر يك به عنوان فرصتي مناسب جهت توسعه حمل و نقل كشور را دركنارجغرافياي كوهستاني ايران مورد توجه قراردهيم , به نياز فوق العاده كشور به حفر تونل هاي آب ، راه و راه آهن پي برده مي شود . در قرن حاضر ، پيشرفت تكنولوژي از يك سو و افزايش روز افزون جمعيت و نياز آن به خدمات بيشتر از سوي ديگر ، باعث افزايش درخواست براي فضاهاي عمومي شده است .
از مهمترين نقش هاي اين خدمات ، شبكه راههاي درون شهري است .
بطور كلي تونل ها با توجه به اهداف آنها به انواع زير تقسيم مي شوند :
1- تونل هاي معادن : به منظور دسترسي ، شناسايي و استخراج ماده معدني
2- تونل هاي خدماتي : اين تونل ها از خيابان هاي اصلي عبور مي كند و براي عبور كابل هاي برق ، تلفن و …. ، لوله هاي فاضلاب ، گاز و …..
3- تونل هاي ارتباطي : تونل هاي راه آهن ، مترو ، راه و …
4- فضاهاي زيرزميني : كه به منظور الف ) احداث تاسيساتي از قبيل استخر ، مجموعه هاي ورزشي و …
ب ) احداث نيروگاه در زيرزمين و انبارها از قبيل نيروگاه برق ، پناهگاه هاي جنگ ، انبار مواد سوختي ، نيروگاه اتمي (نروژ ، سوئد ، سوئيس و فرانسه) و … .[1]

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري وبررسی روش های حفاری و پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري وبررسی روش های حفاری و پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

فهرست مطالب

چكيده ………………………………………………………………………………………………………………………….1
مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………..2

فصل اول : بررسي روشهاي حفاري

2- روش حفاري سنتي ……………………………………………………………………………………………………….. ٤
3- روش حفاري به كمك آتشكاري …………………………………………………………………………………………… ٤
4- حفاري با ماشين آلات حفر تمام مقطع ………………………………………………………………………………….. ٥
4-1- روش تونلسازي در زمين هاي فوق العاده ريزشي يا تونل سازي سپري …………………………………………. ٦
4-2- روش حفاري با سپرهاي EPB ………………………………………………………………………………………….. ٨
4-3- روش حفاري به كمك دستگاه TBM ………………………………………………………………………………….. ١٠

فصل دوم : پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM

١- پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM ………………………………………………………………………………………… ١٥
٢-١- نرخ نفوذ …………………………………………………………………………………………………………………. ٢٠
٢-٢- نرخ پيشروي …………………………………………………………………………………………………………….. ٢٢
٢-٢-١- عوامل مؤثر در نرخ پيشروي TBM …………………………………………………………………………………… ٢٧
٢ -٢ -١ -١- خصوصيات ماده سنگ ………………………………………………………………………………………….. ٣١
٢ -٢ -١ -٢- خصوصيات توده سنگ ……………………………………………………………………………………….. ….٤٥
٢ -٢ -١ -٣-نسبت بين سرعت نفوذپذيری و نيروی وارده به ازای هرتيغه…………………………………………………..٤٩
٢ -٢ -١ -٤- تأثير نسبت تنش و مقاومت ……………………………………………………………………………………… ٥٢
٢ -٢ -١ -٥- سرعت نفوذ، فاصله داري و خصوصيات درزه ……………………………………………………………………. ٥٥
٢ -٢ -١ -٦- كاركرد TBM و طبقه بندي توده سنگ ……………………………………………………………………………..٥٥
2 -٢ -١ -٧-كاركرد TBM و مقتضيات اوليه براي QTBM………………………………………………………………………….٥٧
2-2 -1-8 – رابطه بين PR و AR و QTBM………………………………………………………………………………………….٥٨
2-2 -1-9 -اثر فرسايش تيغه بر روي PR و AR و اثر تخلخل و مقدار كوارتز بر روي PR و رابطه اصلي QTBM…………………………………………………………………………………………………………………………………٦٠
2-2 -2- تخمين نرخ پيشروي TBM با استفاده از مدل NTH……………………………………………………………………..٦٦
2-3 بهره وري ماشين ……………………………………………………………………………………………………………… ٧١
2-3 -1- روش هاي پيش بيني ضريب بهره وري ………………………………………………………………………………… ٧٤

فصل سوم : نتيجه گيري

فهرست منابع فارسي ..…………………………………………………………………………………………………………………79

فهرست منابع لاتين ……………….……………..…………………………………………………………………………..…………80

چكيده انگليسي ……………………………………………………………………………………………………………….…………81

فهرست جدول ها

1-1 : مزاياي سپر EPB در مقايسه با سپرهاي گلاب و ور…………………………………………………………………………37
1-2 : مقايسه معايب و مزاياي ماشين هاي …………….ا………………………………………………………………………..39
1-3 : محدوده كاربرد انواع ماشين هاي حفر تمام مقطع تونل،DAUB .………………………………………………ا.……….…40
2-1 :اطلاعات و داده هاي مربوط به PRو ARمربوط به سنگ هاي با مقاومت مختلف………………………………………….51
2-2 :نمونه اي از تاثير درزه بر بهبود سرعت نفوذ وقتي حفاري در سنگ سخت انجام ميشود………………………………..52

فهرست نمودارها

22–23: :افزايش تغييرات سرعت سرعت نفوذ نفوذبا نسبت افزايش به فشار فشار به به ازاي ازاي هر هر تيغهتيغه براي درصد معيني سنگ اهك…………………………………………………………………………………………………………….. …4849
2-4:همبستگي بين PRوVp…………….ا………………………………………………………………………………………….54
2-5: تعبير اوليه از PRوARوتاثير كلي مقدار Q…………………………………………………………………………ا………..56
2-6:تغييرات لگاريتمي _خطي………………………………………………………………………………………………………58
2-7:شاخص عمر تيغه……………………………………………………………………………………………………………….62
22–98: : بهرهدامنه وري تغييرات ماشين شاخص به شكلنرخ تابعي ازحفاري (DRI) برايفاكتور اطمينان در خطسنگهاي مختلفمياني سقف………………………………………………………………………………………………………………..70 68

فهرست شكل ها

11–23 :: شكل نمايي از TBMTBM ………سپري و TBMباز…………………………………………………………………2123
11–45 : : سيكلسيكل كامل حفاريكامل حفاري TBMTBM باز ازباز از نوع يكنوع دوكفشكهكفشكه ………………………………………………………………………………………………………………………………….. ….2525
1-6 : سيكل كامل حفاري TBM تك سپره…………………………………………………………………………………………26
1-7 : سيكل كامل حفاري D.S.TBM در زمين هاي نيمه خردشده يا مناسب………………………………………………..29
1-8: سيكل كامل حفاري D.S.TBM در زمين هاي بسيار خردشده و ريزشي………………………………………………..30
1-9: روشهاي مختلف نگهداي سينه كار تونل……………………………………………………………………………………32
1-10 : سپر باز با پيشاني برشي بسته………………………………………………………………………………………….34
1-11 : شمايي از يك سپر تعادلي…………………………………………………………………………………………………38
2-1 :چهار رده عمده ي شرايط زمين در بحث تونلسازي (بارتون 2000)………………………………………………………..4

 

فصل اول بررسي روشهاي حفاري

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري درفصل اول اين پروژه به طور كامل مورد بررسي قرار گرفت . روشهاي حفاري بيشتر وابسته به نوع زمين و نگهداري مربوط به آن طراحي مي شوند و اكثر اين روشها مستقيما وابسته به نوع نگهداري تونل ها كه خود آن نيز وابسته به نوع محل و جنس زمين حفاري است ، مي باشند . روشهاي مختلف حفاري بسته به نوع نگهداري و حفاري تونل به سه دسته زير تقسيم مي شوند :[1]
1- روش حفاري Full Face (روش نگهداري پاياني)
2- روش حفاري سنتي (چند مرحله اي با نگهداري همزمان)
3- روش حفاري به كمك آتشكاري (روش نگهداري بسته به نوع و موقعيت حفاري)
4- ساير روش ها (روش هاي حفاري با ماشين آلات TBM)

4- ساير روشهاي حفاري (حفاري با ماشين آلات حفر تمام مقطع)[1]

4-1- روش تونل سازي در زمين هاي فوق العاده ريزشي يا تونل سازي سپري
بطور كلي در زمين هاي نرم و خاكي از سپرها يه عنوان يك روش استاندارد و به منظور تامين ايمني براي افراد و دستيابي به راندمان بالاتر حفر استفاده مي شود . در شرايطي كه سطح مقطع تونل كوچكتر باشد استفاده از سپرها لزومي ندارد . همچنين طول تونل مي تواند عامل ديگري براي در نظر گرفتن روش سپري به عنوان روش حفاري باشد . پس از آنكه كارآيي تونل هاي سپري در محيط آبدار ثابت شد ، استفاده از اين روش طرفداران زيادي پيدا كرد . اولين سپر توسط شخصي به نام برانول ابداع و در احداث چند تونل بكار رفت . در سپرهاي اوليه از سيستم هواي فشرده استفاده نمي شود .
شرايط زمين هايي كه تونل سازي سپري در آنها استفاده مي شود عبارتند از :
الف) خاكهاي ضعيف غير چسبنده ب) خاكهاي ضعيف پلاستيك ج) خاكهاي واقع در زير سطح ايستابي

الف) خاكهاي ضعيف غير چسبنده
خاكهاي فاقد چسبندگي مشكلات عمده اي از لحاظ ايمني و راندمان خفر با استفاده از روش هاي معمولي تونل سازي در زمين هاي نرم ايجاد مي كند . سپرها امكان كنترل بهتري را بر روي فضاهاي كه بعد از حفر تونل در بالاي آن ايجاد مي شود ، فراهم مي آورند به اين مفهوم كه فرصت عملياتي نظير تزريق دوغاب و غيره را در اختيار داريم .
خاكهايي نظير : ماسه هاي رونده ، شن هاي سست و سيلت ها از اين نوع هستند .

‌ب )خاكهاي ضعيف پلاستيك
كار با سپر ها امكان عمل و بهترين كنترل را بر روي خاك هايي كه حاوي آب زياد هستند و به سهولت در موقع كار جريان پيدا مي كنند را داراست . از جمله اين خاكها مي توان به رسهاي داراي خاصيت پلاستيك و نرم اشاره كرد.

‌ج )خاكهاي واقع در زير سطح ايستابي

در اين حالت خاك ها تحت فشار و تاثير آب هستند و مشكلاتي در زمان خفر تونل به وجود مي ايد . در اين شرايط تونل سازي سپري گزينه مناسبي مي باشد . بطور كلي مي توان گفت كه در صورتيكه قبل از عمليات حفر ، عمليات زهكشي و بهسازي زمين صورت نگرفته باشد ، استفاده از روش سپري الزامي مي باشد . براي احداث تونل در زير آب هاي آزاد تونل سازي سپري و استفاده از هواي فشرده ضروري مي باشد .

4-1- 1- مزاياي تونل سازي سپري[1]
1- تمام مقطع تونل در يك مرحله حفر مي شود .
2- هر چند سپر ها يك سيستم متحرك هستند ، ولي به عنوان يك سيستم نگهداري قابل اطمينان در نظر در گرفته مي شود .
3- بدليل نصب فوري پوشش دائمي نيازي به نگهداري موقت نيست و به اين ترتيب هم در هزينه و هم در زمان پروژه صرفه جويي مي شود .
4- استفاده از سيستم هاي بارگيري مانند : نوار نقاله يا ديگر روش هاي حمل ، در اين روش سرعت عمليات را افزايش مي دهند .
4-1- 2- انواع سپر ها[1]
سپرها به سه نوع زير تقسيم مي شوند :
1- سپر هاي باز
2- سپر هاي بسته
3- سپر هاي نيم بسته
1- سپر هاي باز ويژگي هاي ساختاري :
اجزاي يك سپر باز عبارتند از :
الف) بدنه ب ) دنباله سپر ج ) دندانه يا لبه برشي
الف) بدنه
سپر ها بگونه اي ساخته مي شوند كه شكلي مشابه سطح مقطع تونل داشته باشد . معمول ترين شكل سپرها ، سپر دايره اي است . استفاده از سپر دايره اي احتمال چرخيدن و غلتيدن سپر را افزايش مي دهد ولي در سپرهاي نعل اسبي اين مشكل وجود ندارد . بدنه سپر ، پوسته استوانه اي فولادي كه به نحو مناسبي سمبه كشي و نواربندي شده است . در داخل بدنه تجهيزاتي مثل جك ها و پمپ هاي هيدروليك براي هل دادن به جلو وجود دارد . طول بدنه 2 متر و البته اين طول به قطر تونل بستگي دارد .
‌ب ) دنباله سپر
در پشت بدنه قرار دارد و فضاي لازم براي نصب قطعات پيش ساخته ، پوشش را در مرحله آستر بندي فراهم مي نماييد . عرض دنباله به طور معمول 1.5 برابر عرض قطعات پيش ساخته پوشش مي باشد .
‌ج ) دندانه يا لبه برشي
اين قسمت ، لبه نفوذ كننده سپر است كه بايستي با ورق هاي فولادي تقويت شود . لبه برشي با يك مادهمقاوم در برابر سايش براي كمك به برش در زمين هاي سختر پوشش داده مي شود .
2- سپرهاي بسته
در شرايطي كه زمين از استحكام كافي برخوردار نبوده و سست مي باشد و يا اينكه با رس بسيار نرم ، سيلت و يا ماسه هاي روان مواجه باشيم استفاده از سپر هاي بسته ضروري و اجبار مي باشد . پشتيباني سپر با يك صفحه فولادي صلب بسته مي شود . البته بر روي اين ورقه فولادي درچه هاي تعبيه شده كه امكان انتقال خاك حفر شده را به اين طريق فراهم مي سازد .
3- سپرهاي نيم بسته
سپرهاي نيم بسته گهگاه در عمليات خفر تونل در شرايط نسبتا مطلوب نظير زمين هاي خشك يا آبكشي شده به كار مي رود . در مناطق كم عمق از تكنيك سپر نيم بسته استفاده مي شود . اين سپرها توسط تيرآهن هاي موقتي كه بر روي پايه هاي فولادي يا ديواره هاي بتني قرار گرفته است ، نگهداري مي شود.
4-1- 3- جنبه هاي مختلف تونل سازي سپري
سپرها توسط جك هاي هيدروليكي به طرف جلو هل داده مي شوند . ظرفيت اين جك ها 72 تن بر متر مربع مي باشد . معمولا در داخل سپرها جك هايي به منظور تخته بندي كردن سينه كار تونل نيز وجود دارد .
جك ها يا صفحات بالابرنده اي نيز اغلب به عنوان سكوي كار در داخل سپرها تعبيه مي شوند . تعداد و اندازه اين جك ها به اندازه تونل بستگي دارند . قسمت مهم سپر ، بازويي است كه قطعات پيش ساخته پوشش را بلند كده و در جاي خود قرار مي دهند . يك لرزه گير لاستيكي نيز در پشت سپر نصب شده تا از ورود مواد از ديواره ها به فضاي كاري سپر جلوگيري شود . از آنجايي كه قطر لبه برشي كمي بيشتر از قطر بدنه سپر است ، بعد از نصب قطعات پوشش بين دو ديواره تونل و بدنه خارجي پوشش يك فضاي خالي به وجود مي آيد . بهمنظور كنترل و نگهداري موثرتر زمين ، اين فضا داراي ستون هاي فولادي و فنداسيون محكمي براي پوششموقت در نظر گرفته مي شود . چاه هاي قائم معمولترين راه براي احداث فضاهاي زير زميني و دسترسي بهعمق يا موقعيت شروع براي تونل سازي سپري بويژه برا تونل هاي سپري مي باشد . در روش هاي كه استفادهاز هواي فشرده الزامي است . اين چاه ها امكان كار گذاشتن تسهيلات لازم براي حبس هواي فشرده را فراهم مي آورند .
در زمان كار با سپر دو مشكل اساسي وجود دارد كه به شرح زير مي باشند :
الف ) چرخيدن سپرهاي استوانه اي كه مي توان با انجام اقداماتي نظير استفاده از سپرهاي جانبي قابل حركت ، گوه هاي قابل جمع شدن و موارد مشابه اين را رفع كرد .
ب ) با توجه به سنگين بودن قسمت پشتيباني سپر ، امكان خارج شدن از مسير افقي وجود دارد كه جك هاي هل دهنده مي توانند باعث جلوگيري از اين پديده مي شوند .
4-1- 4- پوشش اصلي تونل هاي سپري
اين پوشش ها به دو منظور استفاده مي شوند :
1- نگهداري تونل و كنترل زمين
2- تامين تكيه گاهي براي سپر تا جك هاي هول دهنده با اتكاي به آن بتوانند سپر را به جلو هل دهند .
پوشش معمول قطعات چدني است ولي صفحات فولادي و پيش ساخته بتن نيز استفاده مي شوند . در ايالات متحده آمريكا پوشش هاي چدني بعد از گذشت 100 سال عملكرد رضايت بخشي دارند . اين قطعات در برابر خوردگي مقاوم ، نفوذ ناپذير ، مقاوم در برابر تنش هاي فشاري و بالاخره سهولت نسبي حمل و نصب را دارند .
4-2- روش حفاري با سپرهاي EPB [1]
اين نوع سپر براي زمين هاي نرم واقع در زير سطح ايستابي و بدون استفاده از دوغاب به كار گرفته مي شود . در اين نوع سپر يك نوع صفحه برشي دوراني كه با سرمته يا دندانه هاي چنگكي مجهز شده ، قسمت جلويي سپر را تشكيل مي دهد . مواد كنده شده جمع آوري شده و در فضاي مخصوصي كهبلافاصله بعد از صفحه برشي قرار دارد ، فشرده شده و تشكيل يك پوشش را مي دهد و بدين ترتيبپشت جبهه كار بطور موقت تامين مي شود . استفاده از اين روش از ورود آب كه باعث ناپايداريستجلوگيري مي كند . مواد فشرده شده هر چند وقت يكبار توسط يك نقاله مار پيچ از محل نگهداري شدهتخليه و بدين ترتيب عمليات حفاري ادامه مي يابد . صفحه برشي بايد هميشه در جريان عمليات حفر با خاك ديواره جبهه كار پر باشد . اين خاك مانند يك صفحه صلب بر ديواره جبهه كار فشار مي آورد و مانع ريزش زمين مي شود . بدين ترتيب به افزايش پايداري كمك مي شود . با اين روش همچنين ميزان نشست بطور قابل ملاحظه اي كاهش مي يابد . از ويژگي هاي عمده اين روش دستيابي تونلسازي دقيق و ايمن و سهولت كنترل و هدايت سپر حتي با يك نفر مي توان اشاره كرد .
4-2- 1- سپرهاي گلي
در اين روش با تزرق گل به اتاقك مخصوص عمليات حفر امكان پذير مي باشد . در جاييكه خاك هاي ماسه اي با خاصيت جريان يافتگي بسيار زياد وجود داشته باشد و همچنين فشار آب زيرزميني بسيار بالا باشد امكان ريزش جبهه كار در مقياس وسيع وجود دارد استفاده از گل در چنين شرايطي سههم عمده اي در بالابردن كارآيي عمليات و افزايش پايداري جبهه كار دارند .
4-2- 2- ماشين هاي حفاري بازويي (كله گاوي)
در اين دستگاه ها يك بازو وجود دارد كه بر روي آن يك سر برشي نصب شده است . بر روي اين سر برشي دندانه هايي نصب مي باشد . اين ماشين ها بطور مشخص در دهه 40 در اروپا ابداع شدند . روسيه بيشترين نقش را در توسعه اين ماشين داشته و سپس انگليس بطور گسترده اي از آنهه در معدن زغال استفاده كرد . استفاده از اين دستگاهها امكان حفر انتخابي را به وجود مي آورد . بدين ترتيب كه مي تواند ابتدا لايه هاي ضعيف را حفر و موجبات كاهش مقاومت لايه هاي محكمتر را ايجاد نمود . سد برشي اين ماشين ها تقريبا هر مقطعي را با هر شكلي مي تواند حفر كند . نتايج رضايت بخشي از كاربرد آنها در تونل هايي با سطح مقطع 25- 10 متر مربع گزارش شده است . ماشين هاي امروزي وزن بيشتري دارند و در نتيجه مي توان به سرعت هاي پيشروي بيشتر و قابليت حفر بالا تر نائل گرديد. بهترين گزينه برايتشكيلات داراي لايه بندي متناوب ماشين هاي حفاري بازويي مي باشند . در ماشين هاي اوليه حفر درسنگ هاي با مقاومت بيش از Mpa 70 با مشكل مواجه مي شد . ولي بعد ها ماشين هايي با وزن Ton80-21 براي سنگ هايي با مقاومت تا MPa 100 ابداع گرديد . در اين ماشين ها بازوي برش دهندهروي يك شاسي خود كشش سوار شده است . بارگيري توسط بازو هاي جمع كننده صورت مي گيرد و مواد را به يك ناو زنجيري منتقل مي كند . استفاده از اين دستگاه ها به عنوان يك گزينه جايگزين در حفر تقاطع ها مي باشد .
4-2- 3- ماشين NEB
اين ماشين با وزن Ton150 ، موتور برشي با مصرف Kw 225 و گشتاور Kn/m 312 ، در حفر تونل هاي معدني انگلستان در سنگ هايي با مقاومت Mpa 200 مورد استفاده قرار گرفته است .
اين ماشين هاي حفار دو نو ع هستند :[1] الف) ماشين هاي حفاري مخروطي ب ) ماشين هاي حفاري طبلكي نوع طبلكي مناسب سنگ هاي سخت و نوع مخروطي آن براي سنگ هاي سخت مي باشد .
الف ) ماشين هاي حفاري مخروطي
در اين نوع ماشين مخروط هايي حول محور بازوي ماشين دوران مي كنند . طرح تاج يا برش مخروطي و موقعيت يا وضعيت بهينه امكان اعمال حداكثر نيروي برشي بر جبهه كار تونل فراهم مي اورد . در اين روش در مقايسه با روش طبلكي زمان كمتري صرف خرد كردن يا نفوذ اوليه در يك جبهه كار تونلي سخت مي شود . استفاده از اين نوع تاج راندمان كار را افزايش مي دهد .
ب) ماشين هاي حفاري طبلكي
اين ماشين براي شرايطي سنگي نسبتا ضعيف مانند جبهه كاري زغال سنگي و بعضي سنگ هاي رسوبيبشتر كاربرد دارد . در اين شرايط سرعت برش اين دستگاه بسته به نوع مخروطي بالاتر مي باشد . از ويژگيهاي اين سيستم مي توان به انطباق پذيري با شرايط پيچيده ، قابليت مانور خوب ، قابليت برش سطح مقطعهاي بزرگ و ظرفيت بالاي برش انها اشاره كرد .
4-3- روش حفاري به كمك دستگاه TBM [3]
شكل (1-2)[3]
اين ماشين ها تمام مقطع هاي دايره اي را يك جا حفر مي كنند و معمولا آنها را به نام ماشين هاي تونل حفر كن مي نامند و با علامت اختصاري T.B.M كه حروف اول نام انگليسي دستگاه است از آنها نام مي برند . تكامل و گسترش اين دستگاه ها سبب شده است كه آهنگ پيشروي تونل ها در حد قابل توجهي افزايش يابد . امروزه در سنگ هاي نسبتا سخت نيز براي حفر تونل از اين ماشين ها استفاده مي كنند . بعد از سال ها تلاش و ساخت انواعي از اين نوع ماشين ها كوشش هاي بعدي به منظور ساخت ماشين هاي تمام مقطعي بود كه شرايط سخت زمبن شناختي قادر به حفر تونل باشد كه آهنگ پيشرفت و تكامل در اين زمينه در مقايسه با پيشرفت هاي اوليه اين ماشين ها محدود تر است . در واقع شروع اين تحقيقات كوشش هاي رابينز در سال 1957 ميلادي براي ساخت ماشين هايي بود كه بتواند در سنگ هاي خيلي سخت نيز با راندمان معقول تونل حفر كند . در آن زمان به تدريج اين دستگاه ها سنگينتر و محكم تر شد ند و توان آنها نيز افزايش يافت اما پيشرفت آنها در زمينه حفر سنگ هاي محكم كند است . به عنوان مثال عملكرد نوعي از اين دستگاه ها كه مجهز به هر دو سيستم برش ناخني و دسكي بود براي حفر در سنگهاي آهكي سيليتي كه در بين آنها لايه هايي با مقاومت Mpa 140 وجود داشت راضي كننده نبود . سر انجام ناخن ها به طور كلي حذف شد و حفر تونل تنها با استفاده از ديسك هاي حفار ادامه يافت .

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري وبررسی روش های حفاری و پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري وبررسی روش های حفاری و پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

فصل دوم پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM
پارامترهاي مؤثر بر عملكرد دستگاه به دو گروه عمده پارامترهاي دستگاه و پارامترهاي زمين شناسي تقسيم مي شوند .پارامترهاي دستگاه كه بر عملكرد TBM تأثير گذارند را مي توان به شكل زير نام برد: [3]
• نرخ نفوذ
• بهره وري ماشين
• نرخ پيشروي
• نيروي پيشران
• سرعت دوران
• گشتاور اعمالي
• توان
• مشخصات ابزار برنده
شرايط ژئوتكنيكي از مهمترين اصولي است كه براي طراحي و اجراي يك پروژه تونل بايد اطلاعات مشخصي از آن در دست باشد .هدف از تحقيقات ژئوتكنيكي مشخص شدن شرايط زمين شناسي و آب زمين شناسي مورد نياز پروژه تونل سازي است كه تا حد ممكن جامع و شفاف باشد .اين بررسي ها در مراحل اجراي پروژه، امكان رفع موانع را براي مهندسين فراهم مي كند .پارامترهاي ژئوتكنيكي كه وجودآنها در بررسي ها ضروري مي نمايد در زير آمده اند:
• ناپايداري سينه كار
• ناپايداري ديواره
• تنش برجا
• نواحي گسله
• فاصله داري درزه ها
• هوازدگي
• مچاله شوندگي
• آماس پذيري
• آب زيرزميني
• گاز
• دماي سنگ
• حفرات انحلالي
• شكنندگي
در زير پارامترهاي اصلي از جمع پارامترهاي ذكرشده تعريف و طريقه محاسبه و تخمين آنها ذكر مي شود .
ديگر پارامترها نيز در بخش هاي بعد و در متن روش هاي پيش بيني عملكرد دستگاه خواهد آمد.
2- 1- نرخ نفوذ
اين شاخص بيانگر نرخ نفوذ ماشين در سنگ به هنگام حفاري است و معمولاً بر حسب ميليمتر در هر چرخش پيشاني برشي و يا به صورت متر بر ساعت بيان مي شود.[4]
نرخ نفوذ ماشين با سرعت چرخش پيشاني برشي رابطه مستقيم دارد .واضح است كه سرعت چرخش پيشاني برشي محدود و تابع مشخصات ابزار برش و بلبرينگ دستگاه است و نيز بديهي است كه نرخ ن فوذ در سنگ هاي نرم بيشتر از سنگ هاي سخت و محكم است .به عنوان مثال نرخ نفوذ در شيل با مقاومت فشاري تك محوري 30 مگاپاسكال حدود 3/7 متر بر ساعت است، حال آنكه در مورد دولوميت با مقاومت 180 مگاپاسكال به حدود 3/1 متر بر ساعت مي رسد.
بر اساس مطالعاتي كه در مورد سنگ هاي رسوبي انجام گرفته، نرخ نفوذ در سنگ بين1/2 تا 8/2 متر بر ساعت و به طور متوسط 3/7 ميليمتر در هر دور چرخش پيشاني برشي به دست آمده است. [3] 2- 2- نرخ پيشروي
اين شاخص به صورت ميزان پيشروي تونل در مدت معين تعريف مي شود و ممكن است برحسب متر در شيفت، متر در روز و يا متر در ماه بيان شود .واضح است كه چون ماشين هميشه در حال پيشروي نيست لذا نرخ پيشروي همواره كمتر از نرخ نفوذ مي باشد.[4]
نرخ پيشروي ميانگين با كاهش نرخ نفوذ با ضريب بهره وري ، كه خود بر مبناي فاكتور ايمني تخمين زده مي شود، به دست مي آيد.
AR PR U (1-2)
نرخ پيشروي و به تبع آن نرخ نفوذ ماشين در سنگ هاي مختلف به عوامل مختلفي وابسته است كه از جمله مهمترين آنها مي توان به قدرت ماشين، قطر تونل، وضعيت زمين و وجود آب زيرزميني اشاره كرد.[3]
٢-٢-١- عوامل مؤثر در نرخ پيشروی TBM
پارامترهاي بسياري از جمله خصوصيات ماده سنگ، خصوصيات توده سنگ، هندسه كاتر، هندسه برش، مشخصات ماشين و پارامترهاي اجرايي را ميتوان در پيشروي يك ماشين حفار مؤثر دانست. روشن است كه كاربرد صحيح TBM ها در هر پروژه عمراني، يا معدني بستگي به درك صحيح و كامل پارامترهاي فوق الذكر دارد. از ميان عوامل فوق به غير از پارامتر آخر، ساير پارامترها مستقيماً با نرخ نفوذ TBM در سنگ مرتبط هستند. پارامترهاي اجرايي بهرهوري TBM را تحت تأثير قرار مي دهند.[2] 2-2-1- 1- خصوصيات ماده سنگ
مقاومت فشاري تك محوري (UCS)، مقاومت كششي، شكنندگي، پلاستيسيته و درجه سايندگي سنگ از جمله ويژگيهاي ماده سنگ هستند كه تأثير به سزايي در نرخ نفوذ و عمر مفيد كاترها و در مجموع در نرخ پيشروي ماشين دارند. در ادامه به بررسي اين خصوصيات پرداخته ميشود.
2-2-1- 2- خصوصيات توده سنگ
عمده ترين خصوصيات توده سنگ كه در تخمين نرخ پيشروي TBM مؤثر هستند، عبارتند از:
– وجود رگه هاي كوارتز و ساير كاني ها ساينده
– عملكرد گسلها و زونهاي برشي عمده
– وجود تناوب سنگهاي سخت و نرم در سينه كار
– درجه خردشدگي و نوع درزه ها
– شيب و جهت شيب درزه ها و ارتباط آنها با محور تونل
– مقاومت و خواص دگرشكلي پذيري توده سنگ
دسته درزههاي توده سنگ ميتوانند در عملكرد ماشين نقش اساسي داشته باشند. معمولاً كمتر شدن فاصله بين شكستگيها به منزله ي تأثير بيشتر در نرخ پيشروي ماشين است. شرايط زمين شناسي مثل گسلها و آب زيرزميني نيز نقش اساسي در انتخاب ماشين، كاربرد آن، عملكرد دستگاه و نرخ توليد آن دارند. آناليز عملكرد اجرايي (واقعي) TBMهاي مختلف در پروژههاي گوناگون مبناي برآورد تأثير اين قبيل ويژگيهاي زمين شناسي توده سنگ در عملكرد واقعي دستگاه ميباشد. به طور خلاصه ميتوان توده سنگ ها را بر حسب شرايط زمينشناسي آنها و رفتار آنها در پروژه هاي تونلسازي به چهارده عمده شامل سنگ هاي درزهدار، سنگهاي تودهاي سخت، سنگ هاي مچاله شونده و سنگ هاي گسلش يافته تقسيمبندي نمود. كاركرد TBMها در هر يك از اين گونه توده سنگ ها ويژگيهاي خاص خود را داراست. شكل(2-1)اين تقسيم بندي را نشان مي دهد.
شكل(2-1): چهار رده عمده ي شرايط زمين در بحث تونلسازي (بارتون 2000)[2]
1-سنگهاي متخلخل درزهدار: حفاري آن آسان است، بار زيادي بر پوشش بتني وارد نميشود.
2- سنگهاي توده اي سخت: حفاري آن مشكل است و اغلب نياز به تعويض كاتر مي شود. بار وارد بر پوشش بتني تونل حداقل است.
3- سنگهاي تحت تنش زياد فشارنده: استفاده از ماشين در اين سنگهاي مشكلاتي به همراه دارد و نياز به اضافه حفاري دارد (براي اينكه بعد از همگرايي تونل، ماشين گير نكند). فشار وارد بر پوشش بتني زياد است.
4- سنگهاي گسله اي: حفاري در اين سنگها اضافه حفاري ناخواسته به همراه دارد. سايش ناخنهاي دستگاه زياد است. براي انجام زهكشي بايستي توقفات زياد داشت. نياز به تزريق و بهسازي زمين است. بار وارد بر پوشش بتني بسيار زياد است. [2]
٢-٢- ١-٣- نسبت بين سرعت نفوذپذيری و نيروی وارده به ازای هر تيغه
از بررسي و تحليل هفت پروژه حفر تونل در سنگ سخت در نروژ كه توسط Barton (1997 ميلادي) گزارش شده نسبت فشار به ازاي هر تيغه (F) و مقاومت فشاري تك محوري c  به عنوان معياري بالقوه از تغييرات احتمالي سرعت نفوذ مورد توجه قرار گرفته است، از آن جا كه مقاومت فشاري سنگ براي هر پروژه دامنه متغيري دارد، نسبت MPa / tnf FC نيز دامنه وسيعي دارد و در نتيجه سرعت خالص نفوذ نيز در هر پروژه متغير ميباشد. تأثير جداگانه مقاومت فشاري تك محوري و نيروي فشار به ازاي هر تيغه بر سرعت نفوذ ماشين در شكل(2-2) و (2-3) زير نشان داده شده است.[2]


مقطع : کارشناسی ارشد

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان