مقدمه ، تاریخچه و اهداف حفر سازه های زیر زمینی و تونل:
با پیشرفت تکنولوژی در عرصه های مختلف، فن تونل سازی نیز از این امر مستثنی نبود و تحولات عمده ای در آن صورت گرفت، هر چند که هنوز هم روشهای سنتی کاربرد وسیعی در این زمینه دارند ولی این حالت نیز بدلیل استفاده از ماشین آلات جدید و تلفیق این روشها با روشهای بهسازی و حتی با روشهای جدید میسر و باعث کارآمدتر شدن این روشها به ویژه در تونلهایی با مقاطع بزرگ گردیده است.
برای طراحی و نیز حفر تونل ها می بایست اول به اهداف حفر تونل بپردازیم و سپس با مطالعه و بررسی کلیه روش های تونل زنی و نگهداری آنها ، تونل ها را طراحی و سپس به حفر آنها بپردازیم .
برخی از نکاتی که بطور کلی می توان در ارتباط با تونل سازی بدان اشاره کرد با توجه به محدودیت زمان ایستایی، بشرح زیر می باشد:
شکل مقطع تا حد ممکن حالت بیضوی داشته باشد، نصب نگهداری باید سریعا بمنظور حداقل رساندن حرکات توده در برگیرنده تونل انجام گیرد. پایداری جبهه کار ، بررسی و اقدامات لازم برای نگهداری صورت گیرد. در هر بخش از مراحل حفاری، حلقه شاتکریت مسلح باید سریعا کامل و بسته شود و در صورت امکان برای مقاطع بزرگ که به چند بخش تقسیم می شوند، توصیه شده که حفر گالری ها بطور متقارن انجام شود ، به این ترتیب توزیع تنش مجدد در لاینینگ و توده در برگیرنده به آرامی و بدون مشکل صورت می پذیرد .
در ایران از چند هزار سال پیش ، به منظور استفاده از آب های زیرزمینی ، تونل هایی موسوم به قنات حفر می شده است . قنات یکی از ابتکارات شگفت انگیز ایرانیان است که بر کشاورزی و آبیاری فلات ایران از یک سو و از دیگر سو در شکوفایی تمدن و فرهنگ ایران تأثیر ماندگار داشته است . طول بعضی از این سازه های زیرزمینی که نوعی تونل های انتقال آب به حساب می آیند به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز می رسد . تعداد قنات های ایران بالغ بر 50000 رشته برآورد شده و جالب توجه آن است که این قناتهای متعدد طویل و حساس از لحاظ جهت و شیب با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند . موقعیت جغرافیایی کشور ایران شرایط ویژه اقتصادی را بوجود آورده که لزوم ایجاد شبکه های حمل و نقل کارا ، مناسب و استاندارد را ایجاب می کند در صورتی که این شرایط و امکان استفاده از هر یک به عنوان فرصتی مناسب جهت توسعه حمل و نقل کشور را درکنارجغرافیای کوهستانی ایران مورد توجه قراردهیم , به نیاز فوق العاده کشور به حفر تونل های آب ، راه و راه آهن پی برده می شود . در قرن حاضر ، پیشرفت تکنولوژی از یک سو و افزایش روز افزون جمعیت و نیاز آن به خدمات بیشتر از سوی دیگر ، باعث افزایش درخواست برای فضاهای عمومی شده است .
از مهمترین نقش های این خدمات ، شبکه راههای درون شهری است .
بطور کلی تونل ها با توجه به اهداف آنها به انواع زیر تقسیم می شوند :
1- تونل های معادن : به منظور دسترسی ، شناسایی و استخراج ماده معدنی
2- تونل های خدماتی : این تونل ها از خیابان های اصلی عبور می کند و برای عبور کابل های برق ، تلفن و …. ، لوله های فاضلاب ، گاز و …..
3- تونل های ارتباطی : تونل های راه آهن ، مترو ، راه و …
4- فضاهای زیرزمینی : که به منظور الف ) احداث تاسیساتی از قبیل استخر ، مجموعه های ورزشی و …
ب ) احداث نیروگاه در زیرزمین و انبارها از قبیل نیروگاه برق ، پناهگاه های جنگ ، انبار مواد سوختی ، نیروگاه اتمی (نروژ ، سوئد ، سوئیس و فرانسه) و … .[1]

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری وبررسی روش های حفاری و پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری وبررسی روش های حفاری و پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

فهرست مطالب

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………….1
مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………..2

فصل اول : بررسی روشهای حفاری

2- روش حفاری سنتی ……………………………………………………………………………………………………….. ۴
3- روش حفاری به کمک آتشکاری …………………………………………………………………………………………… ۴
4- حفاری با ماشین آلات حفر تمام مقطع ………………………………………………………………………………….. ۵
4-1- روش تونلسازی در زمین های فوق العاده ریزشی یا تونل سازی سپری …………………………………………. ۶
4-2- روش حفاری با سپرهای EPB ………………………………………………………………………………………….. ٨
4-3- روش حفاری به کمک دستگاه TBM ………………………………………………………………………………….. ١٠

فصل دوم : پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM

١- پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM ………………………………………………………………………………………… ١۵
٢-١- نرخ نفوذ …………………………………………………………………………………………………………………. ٢٠
٢-٢- نرخ پیشروی …………………………………………………………………………………………………………….. ٢٢
٢-٢-١- عوامل مؤثر در نرخ پیشروی TBM …………………………………………………………………………………… ٢٧
٢ -٢ -١ -١- خصوصیات ماده سنگ ………………………………………………………………………………………….. ٣١
٢ -٢ -١ -٢- خصوصیات توده سنگ ……………………………………………………………………………………….. ….۴۵
٢ -٢ -١ -٣-نسبت بین سرعت نفوذپذیری و نیروی وارده به ازای هرتیغه…………………………………………………..۴٩
٢ -٢ -١ -۴- تأثیر نسبت تنش و مقاومت ……………………………………………………………………………………… ۵٢
٢ -٢ -١ -۵- سرعت نفوذ، فاصله داری و خصوصیات درزه ……………………………………………………………………. ۵۵
٢ -٢ -١ -۶- کارکرد TBM و طبقه بندی توده سنگ ……………………………………………………………………………..۵۵
2 -٢ -١ -٧-کارکرد TBM و مقتضیات اولیه برای QTBM………………………………………………………………………….۵٧
2-2 -1-8 – رابطه بین PR و AR و QTBM………………………………………………………………………………………….۵٨
2-2 -1-9 -اثر فرسایش تیغه بر روی PR و AR و اثر تخلخل و مقدار کوارتز بر روی PR و رابطه اصلی QTBM…………………………………………………………………………………………………………………………………۶٠
2-2 -2- تخمین نرخ پیشروی TBM با استفاده از مدل NTH……………………………………………………………………..۶۶
2-3 بهره وری ماشین ……………………………………………………………………………………………………………… ٧١
2-3 -1- روش های پیش بینی ضریب بهره وری ………………………………………………………………………………… ٧۴

فصل سوم : نتیجه گیری

فهرست منابع فارسی ..…………………………………………………………………………………………………………………79

فهرست منابع لاتین ……………….……………..…………………………………………………………………………..…………80

چکیده انگلیسی ……………………………………………………………………………………………………………….…………81

فهرست جدول ها

1-1 : مزایای سپر EPB در مقایسه با سپرهای گلاب و ور…………………………………………………………………………37
1-2 : مقایسه معایب و مزایای ماشین های …………….ا………………………………………………………………………..39
1-3 : محدوده کاربرد انواع ماشین های حفر تمام مقطع تونل،DAUB .………………………………………………ا.……….…40
2-1 :اطلاعات و داده های مربوط به PRو ARمربوط به سنگ های با مقاومت مختلف………………………………………….51
2-2 :نمونه ای از تاثیر درزه بر بهبود سرعت نفوذ وقتی حفاری در سنگ سخت انجام میشود………………………………..52

فهرست نمودارها

22–23: :افزایش تغییرات سرعت سرعت نفوذ نفوذبا نسبت افزایش به فشار فشار به به ازای ازای هر هر تیغهتیغه برای درصد معینی سنگ اهک…………………………………………………………………………………………………………….. …4849
2-4:همبستگی بین PRوVp…………….ا………………………………………………………………………………………….54
2-5: تعبیر اولیه از PRوARوتاثیر کلی مقدار Q…………………………………………………………………………ا………..56
2-6:تغییرات لگاریتمی _خطی………………………………………………………………………………………………………58
2-7:شاخص عمر تیغه……………………………………………………………………………………………………………….62
22–98: : بهرهدامنه وری تغییرات ماشین شاخص به شکلنرخ تابعی ازحفاری (DRI) برایفاکتور اطمینان در خطسنگهای مختلفمیانی سقف………………………………………………………………………………………………………………..70 68

فهرست شکل ها

11–23 :: شکل نمایی از TBMTBM ………سپری و TBMباز…………………………………………………………………2123
11–45 : : سیکلسیکل کامل حفاریکامل حفاری TBMTBM باز ازباز از نوع یکنوع دوکفشکهکفشکه ………………………………………………………………………………………………………………………………….. ….2525
1-6 : سیکل کامل حفاری TBM تک سپره…………………………………………………………………………………………26
1-7 : سیکل کامل حفاری D.S.TBM در زمین های نیمه خردشده یا مناسب………………………………………………..29
1-8: سیکل کامل حفاری D.S.TBM در زمین های بسیار خردشده و ریزشی………………………………………………..30
1-9: روشهای مختلف نگهدای سینه کار تونل……………………………………………………………………………………32
1-10 : سپر باز با پیشانی برشی بسته………………………………………………………………………………………….34
1-11 : شمایی از یک سپر تعادلی…………………………………………………………………………………………………38
2-1 :چهار رده عمده ی شرایط زمین در بحث تونلسازی (بارتون 2000)………………………………………………………..4

 

فصل اول بررسی روشهای حفاری

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری درفصل اول این پروژه به طور کامل مورد بررسی قرار گرفت . روشهای حفاری بیشتر وابسته به نوع زمین و نگهداری مربوط به آن طراحی می شوند و اکثر این روشها مستقیما وابسته به نوع نگهداری تونل ها که خود آن نیز وابسته به نوع محل و جنس زمین حفاری است ، می باشند . روشهای مختلف حفاری بسته به نوع نگهداری و حفاری تونل به سه دسته زیر تقسیم می شوند :[1]
1- روش حفاری Full Face (روش نگهداری پایانی)
2- روش حفاری سنتی (چند مرحله ای با نگهداری همزمان)
3- روش حفاری به کمک آتشکاری (روش نگهداری بسته به نوع و موقعیت حفاری)
4- سایر روش ها (روش های حفاری با ماشین آلات TBM)

4- سایر روشهای حفاری (حفاری با ماشین آلات حفر تمام مقطع)[1]

4-1- روش تونل سازی در زمین های فوق العاده ریزشی یا تونل سازی سپری
بطور کلی در زمین های نرم و خاکی از سپرها یه عنوان یک روش استاندارد و به منظور تامین ایمنی برای افراد و دستیابی به راندمان بالاتر حفر استفاده می شود . در شرایطی که سطح مقطع تونل کوچکتر باشد استفاده از سپرها لزومی ندارد . همچنین طول تونل می تواند عامل دیگری برای در نظر گرفتن روش سپری به عنوان روش حفاری باشد . پس از آنکه کارآیی تونل های سپری در محیط آبدار ثابت شد ، استفاده از این روش طرفداران زیادی پیدا کرد . اولین سپر توسط شخصی به نام برانول ابداع و در احداث چند تونل بکار رفت . در سپرهای اولیه از سیستم هوای فشرده استفاده نمی شود .
شرایط زمین هایی که تونل سازی سپری در آنها استفاده می شود عبارتند از :
الف) خاکهای ضعیف غیر چسبنده ب) خاکهای ضعیف پلاستیک ج) خاکهای واقع در زیر سطح ایستابی

الف) خاکهای ضعیف غیر چسبنده
خاکهای فاقد چسبندگی مشکلات عمده ای از لحاظ ایمنی و راندمان خفر با استفاده از روش های معمولی تونل سازی در زمین های نرم ایجاد می کند . سپرها امکان کنترل بهتری را بر روی فضاهای که بعد از حفر تونل در بالای آن ایجاد می شود ، فراهم می آورند به این مفهوم که فرصت عملیاتی نظیر تزریق دوغاب و غیره را در اختیار داریم .
خاکهایی نظیر : ماسه های رونده ، شن های سست و سیلت ها از این نوع هستند .

‌ب )خاکهای ضعیف پلاستیک
کار با سپر ها امکان عمل و بهترین کنترل را بر روی خاک هایی که حاوی آب زیاد هستند و به سهولت در موقع کار جریان پیدا می کنند را داراست . از جمله این خاکها می توان به رسهای دارای خاصیت پلاستیک و نرم اشاره کرد.

‌ج )خاکهای واقع در زیر سطح ایستابی

در این حالت خاک ها تحت فشار و تاثیر آب هستند و مشکلاتی در زمان خفر تونل به وجود می اید . در این شرایط تونل سازی سپری گزینه مناسبی می باشد . بطور کلی می توان گفت که در صورتیکه قبل از عملیات حفر ، عملیات زهکشی و بهسازی زمین صورت نگرفته باشد ، استفاده از روش سپری الزامی می باشد . برای احداث تونل در زیر آب های آزاد تونل سازی سپری و استفاده از هوای فشرده ضروری می باشد .

4-1- 1- مزایای تونل سازی سپری[1]
1- تمام مقطع تونل در یک مرحله حفر می شود .
2- هر چند سپر ها یک سیستم متحرک هستند ، ولی به عنوان یک سیستم نگهداری قابل اطمینان در نظر در گرفته می شود .
3- بدلیل نصب فوری پوشش دائمی نیازی به نگهداری موقت نیست و به این ترتیب هم در هزینه و هم در زمان پروژه صرفه جویی می شود .
4- استفاده از سیستم های بارگیری مانند : نوار نقاله یا دیگر روش های حمل ، در این روش سرعت عملیات را افزایش می دهند .
4-1- 2- انواع سپر ها[1]
سپرها به سه نوع زیر تقسیم می شوند :
1- سپر های باز
2- سپر های بسته
3- سپر های نیم بسته
1- سپر های باز ویژگی های ساختاری :
اجزای یک سپر باز عبارتند از :
الف) بدنه ب ) دنباله سپر ج ) دندانه یا لبه برشی
الف) بدنه
سپر ها بگونه ای ساخته می شوند که شکلی مشابه سطح مقطع تونل داشته باشد . معمول ترین شکل سپرها ، سپر دایره ای است . استفاده از سپر دایره ای احتمال چرخیدن و غلتیدن سپر را افزایش می دهد ولی در سپرهای نعل اسبی این مشکل وجود ندارد . بدنه سپر ، پوسته استوانه ای فولادی که به نحو مناسبی سمبه کشی و نواربندی شده است . در داخل بدنه تجهیزاتی مثل جک ها و پمپ های هیدرولیک برای هل دادن به جلو وجود دارد . طول بدنه 2 متر و البته این طول به قطر تونل بستگی دارد .
‌ب ) دنباله سپر
در پشت بدنه قرار دارد و فضای لازم برای نصب قطعات پیش ساخته ، پوشش را در مرحله آستر بندی فراهم می نمایید . عرض دنباله به طور معمول 1.5 برابر عرض قطعات پیش ساخته پوشش می باشد .
‌ج ) دندانه یا لبه برشی
این قسمت ، لبه نفوذ کننده سپر است که بایستی با ورق های فولادی تقویت شود . لبه برشی با یک مادهمقاوم در برابر سایش برای کمک به برش در زمین های سختر پوشش داده می شود .
2- سپرهای بسته
در شرایطی که زمین از استحکام کافی برخوردار نبوده و سست می باشد و یا اینکه با رس بسیار نرم ، سیلت و یا ماسه های روان مواجه باشیم استفاده از سپر های بسته ضروری و اجبار می باشد . پشتیبانی سپر با یک صفحه فولادی صلب بسته می شود . البته بر روی این ورقه فولادی درچه های تعبیه شده که امکان انتقال خاک حفر شده را به این طریق فراهم می سازد .
3- سپرهای نیم بسته
سپرهای نیم بسته گهگاه در عملیات خفر تونل در شرایط نسبتا مطلوب نظیر زمین های خشک یا آبکشی شده به کار می رود . در مناطق کم عمق از تکنیک سپر نیم بسته استفاده می شود . این سپرها توسط تیرآهن های موقتی که بر روی پایه های فولادی یا دیواره های بتنی قرار گرفته است ، نگهداری می شود.
4-1- 3- جنبه های مختلف تونل سازی سپری
سپرها توسط جک های هیدرولیکی به طرف جلو هل داده می شوند . ظرفیت این جک ها 72 تن بر متر مربع می باشد . معمولا در داخل سپرها جک هایی به منظور تخته بندی کردن سینه کار تونل نیز وجود دارد .
جک ها یا صفحات بالابرنده ای نیز اغلب به عنوان سکوی کار در داخل سپرها تعبیه می شوند . تعداد و اندازه این جک ها به اندازه تونل بستگی دارند . قسمت مهم سپر ، بازویی است که قطعات پیش ساخته پوشش را بلند کده و در جای خود قرار می دهند . یک لرزه گیر لاستیکی نیز در پشت سپر نصب شده تا از ورود مواد از دیواره ها به فضای کاری سپر جلوگیری شود . از آنجایی که قطر لبه برشی کمی بیشتر از قطر بدنه سپر است ، بعد از نصب قطعات پوشش بین دو دیواره تونل و بدنه خارجی پوشش یک فضای خالی به وجود می آید . بهمنظور کنترل و نگهداری موثرتر زمین ، این فضا دارای ستون های فولادی و فنداسیون محکمی برای پوششموقت در نظر گرفته می شود . چاه های قائم معمولترین راه برای احداث فضاهای زیر زمینی و دسترسی بهعمق یا موقعیت شروع برای تونل سازی سپری بویژه برا تونل های سپری می باشد . در روش های که استفادهاز هوای فشرده الزامی است . این چاه ها امکان کار گذاشتن تسهیلات لازم برای حبس هوای فشرده را فراهم می آورند .
در زمان کار با سپر دو مشکل اساسی وجود دارد که به شرح زیر می باشند :
الف ) چرخیدن سپرهای استوانه ای که می توان با انجام اقداماتی نظیر استفاده از سپرهای جانبی قابل حرکت ، گوه های قابل جمع شدن و موارد مشابه این را رفع کرد .
ب ) با توجه به سنگین بودن قسمت پشتیبانی سپر ، امکان خارج شدن از مسیر افقی وجود دارد که جک های هل دهنده می توانند باعث جلوگیری از این پدیده می شوند .
4-1- 4- پوشش اصلی تونل های سپری
این پوشش ها به دو منظور استفاده می شوند :
1- نگهداری تونل و کنترل زمین
2- تامین تکیه گاهی برای سپر تا جک های هول دهنده با اتکای به آن بتوانند سپر را به جلو هل دهند .
پوشش معمول قطعات چدنی است ولی صفحات فولادی و پیش ساخته بتن نیز استفاده می شوند . در ایالات متحده آمریکا پوشش های چدنی بعد از گذشت 100 سال عملکرد رضایت بخشی دارند . این قطعات در برابر خوردگی مقاوم ، نفوذ ناپذیر ، مقاوم در برابر تنش های فشاری و بالاخره سهولت نسبی حمل و نصب را دارند .
4-2- روش حفاری با سپرهای EPB [1]
این نوع سپر برای زمین های نرم واقع در زیر سطح ایستابی و بدون استفاده از دوغاب به کار گرفته می شود . در این نوع سپر یک نوع صفحه برشی دورانی که با سرمته یا دندانه های چنگکی مجهز شده ، قسمت جلویی سپر را تشکیل می دهد . مواد کنده شده جمع آوری شده و در فضای مخصوصی کهبلافاصله بعد از صفحه برشی قرار دارد ، فشرده شده و تشکیل یک پوشش را می دهد و بدین ترتیبپشت جبهه کار بطور موقت تامین می شود . استفاده از این روش از ورود آب که باعث ناپایداریستجلوگیری می کند . مواد فشرده شده هر چند وقت یکبار توسط یک نقاله مار پیچ از محل نگهداری شدهتخلیه و بدین ترتیب عملیات حفاری ادامه می یابد . صفحه برشی باید همیشه در جریان عملیات حفر با خاک دیواره جبهه کار پر باشد . این خاک مانند یک صفحه صلب بر دیواره جبهه کار فشار می آورد و مانع ریزش زمین می شود . بدین ترتیب به افزایش پایداری کمک می شود . با این روش همچنین میزان نشست بطور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد . از ویژگی های عمده این روش دستیابی تونلسازی دقیق و ایمن و سهولت کنترل و هدایت سپر حتی با یک نفر می توان اشاره کرد .
4-2- 1- سپرهای گلی
در این روش با تزرق گل به اتاقک مخصوص عملیات حفر امکان پذیر می باشد . در جاییکه خاک های ماسه ای با خاصیت جریان یافتگی بسیار زیاد وجود داشته باشد و همچنین فشار آب زیرزمینی بسیار بالا باشد امکان ریزش جبهه کار در مقیاس وسیع وجود دارد استفاده از گل در چنین شرایطی سههم عمده ای در بالابردن کارآیی عملیات و افزایش پایداری جبهه کار دارند .
4-2- 2- ماشین های حفاری بازویی (کله گاوی)
در این دستگاه ها یک بازو وجود دارد که بر روی آن یک سر برشی نصب شده است . بر روی این سر برشی دندانه هایی نصب می باشد . این ماشین ها بطور مشخص در دهه 40 در اروپا ابداع شدند . روسیه بیشترین نقش را در توسعه این ماشین داشته و سپس انگلیس بطور گسترده ای از آنهه در معدن زغال استفاده کرد . استفاده از این دستگاهها امکان حفر انتخابی را به وجود می آورد . بدین ترتیب که می تواند ابتدا لایه های ضعیف را حفر و موجبات کاهش مقاومت لایه های محکمتر را ایجاد نمود . سد برشی این ماشین ها تقریبا هر مقطعی را با هر شکلی می تواند حفر کند . نتایج رضایت بخشی از کاربرد آنها در تونل هایی با سطح مقطع 25- 10 متر مربع گزارش شده است . ماشین های امروزی وزن بیشتری دارند و در نتیجه می توان به سرعت های پیشروی بیشتر و قابلیت حفر بالا تر نائل گردید. بهترین گزینه برایتشکیلات دارای لایه بندی متناوب ماشین های حفاری بازویی می باشند . در ماشین های اولیه حفر درسنگ های با مقاومت بیش از Mpa 70 با مشکل مواجه می شد . ولی بعد ها ماشین هایی با وزن Ton80-21 برای سنگ هایی با مقاومت تا MPa 100 ابداع گردید . در این ماشین ها بازوی برش دهندهروی یک شاسی خود کشش سوار شده است . بارگیری توسط بازو های جمع کننده صورت می گیرد و مواد را به یک ناو زنجیری منتقل می کند . استفاده از این دستگاه ها به عنوان یک گزینه جایگزین در حفر تقاطع ها می باشد .
4-2- 3- ماشین NEB
این ماشین با وزن Ton150 ، موتور برشی با مصرف Kw 225 و گشتاور Kn/m 312 ، در حفر تونل های معدنی انگلستان در سنگ هایی با مقاومت Mpa 200 مورد استفاده قرار گرفته است .
این ماشین های حفار دو نو ع هستند :[1] الف) ماشین های حفاری مخروطی ب ) ماشین های حفاری طبلکی نوع طبلکی مناسب سنگ های سخت و نوع مخروطی آن برای سنگ های سخت می باشد .
الف ) ماشین های حفاری مخروطی
در این نوع ماشین مخروط هایی حول محور بازوی ماشین دوران می کنند . طرح تاج یا برش مخروطی و موقعیت یا وضعیت بهینه امکان اعمال حداکثر نیروی برشی بر جبهه کار تونل فراهم می اورد . در این روش در مقایسه با روش طبلکی زمان کمتری صرف خرد کردن یا نفوذ اولیه در یک جبهه کار تونلی سخت می شود . استفاده از این نوع تاج راندمان کار را افزایش می دهد .
ب) ماشین های حفاری طبلکی
این ماشین برای شرایطی سنگی نسبتا ضعیف مانند جبهه کاری زغال سنگی و بعضی سنگ های رسوبیبشتر کاربرد دارد . در این شرایط سرعت برش این دستگاه بسته به نوع مخروطی بالاتر می باشد . از ویژگیهای این سیستم می توان به انطباق پذیری با شرایط پیچیده ، قابلیت مانور خوب ، قابلیت برش سطح مقطعهای بزرگ و ظرفیت بالای برش انها اشاره کرد .
4-3- روش حفاری به کمک دستگاه TBM [3]
شکل (1-2)[3]
این ماشین ها تمام مقطع های دایره ای را یک جا حفر می کنند و معمولا آنها را به نام ماشین های تونل حفر کن می نامند و با علامت اختصاری T.B.M که حروف اول نام انگلیسی دستگاه است از آنها نام می برند . تکامل و گسترش این دستگاه ها سبب شده است که آهنگ پیشروی تونل ها در حد قابل توجهی افزایش یابد . امروزه در سنگ های نسبتا سخت نیز برای حفر تونل از این ماشین ها استفاده می کنند . بعد از سال ها تلاش و ساخت انواعی از این نوع ماشین ها کوشش های بعدی به منظور ساخت ماشین های تمام مقطعی بود که شرایط سخت زمبن شناختی قادر به حفر تونل باشد که آهنگ پیشرفت و تکامل در این زمینه در مقایسه با پیشرفت های اولیه این ماشین ها محدود تر است . در واقع شروع این تحقیقات کوشش های رابینز در سال 1957 میلادی برای ساخت ماشین هایی بود که بتواند در سنگ های خیلی سخت نیز با راندمان معقول تونل حفر کند . در آن زمان به تدریج این دستگاه ها سنگینتر و محکم تر شد ند و توان آنها نیز افزایش یافت اما پیشرفت آنها در زمینه حفر سنگ های محکم کند است . به عنوان مثال عملکرد نوعی از این دستگاه ها که مجهز به هر دو سیستم برش ناخنی و دسکی بود برای حفر در سنگهای آهکی سیلیتی که در بین آنها لایه هایی با مقاومت Mpa 140 وجود داشت راضی کننده نبود . سر انجام ناخن ها به طور کلی حذف شد و حفر تونل تنها با استفاده از دیسک های حفار ادامه یافت .

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری وبررسی روش های حفاری و پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری وبررسی روش های حفاری و پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

فصل دوم پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM
پارامترهای مؤثر بر عملکرد دستگاه به دو گروه عمده پارامترهای دستگاه و پارامترهای زمین شناسی تقسیم می شوند .پارامترهای دستگاه که بر عملکرد TBM تأثیر گذارند را می توان به شکل زیر نام برد: [3]
• نرخ نفوذ
• بهره وری ماشین
• نرخ پیشروی
• نیروی پیشران
• سرعت دوران
• گشتاور اعمالی
• توان
• مشخصات ابزار برنده
شرایط ژئوتکنیکی از مهمترین اصولی است که برای طراحی و اجرای یک پروژه تونل باید اطلاعات مشخصی از آن در دست باشد .هدف از تحقیقات ژئوتکنیکی مشخص شدن شرایط زمین شناسی و آب زمین شناسی مورد نیاز پروژه تونل سازی است که تا حد ممکن جامع و شفاف باشد .این بررسی ها در مراحل اجرای پروژه، امکان رفع موانع را برای مهندسین فراهم می کند .پارامترهای ژئوتکنیکی که وجودآنها در بررسی ها ضروری می نماید در زیر آمده اند:
• ناپایداری سینه کار
• ناپایداری دیواره
• تنش برجا
• نواحی گسله
• فاصله داری درزه ها
• هوازدگی
• مچاله شوندگی
• آماس پذیری
• آب زیرزمینی
• گاز
• دمای سنگ
• حفرات انحلالی
• شکنندگی
در زیر پارامترهای اصلی از جمع پارامترهای ذکرشده تعریف و طریقه محاسبه و تخمین آنها ذکر می شود .
دیگر پارامترها نیز در بخش های بعد و در متن روش های پیش بینی عملکرد دستگاه خواهد آمد.
2- 1- نرخ نفوذ
این شاخص بیانگر نرخ نفوذ ماشین در سنگ به هنگام حفاری است و معمولاً بر حسب میلیمتر در هر چرخش پیشانی برشی و یا به صورت متر بر ساعت بیان می شود.[4]
نرخ نفوذ ماشین با سرعت چرخش پیشانی برشی رابطه مستقیم دارد .واضح است که سرعت چرخش پیشانی برشی محدود و تابع مشخصات ابزار برش و بلبرینگ دستگاه است و نیز بدیهی است که نرخ ن فوذ در سنگ های نرم بیشتر از سنگ های سخت و محکم است .به عنوان مثال نرخ نفوذ در شیل با مقاومت فشاری تک محوری 30 مگاپاسکال حدود 3/7 متر بر ساعت است، حال آنکه در مورد دولومیت با مقاومت 180 مگاپاسکال به حدود 3/1 متر بر ساعت می رسد.
بر اساس مطالعاتی که در مورد سنگ های رسوبی انجام گرفته، نرخ نفوذ در سنگ بین1/2 تا 8/2 متر بر ساعت و به طور متوسط 3/7 میلیمتر در هر دور چرخش پیشانی برشی به دست آمده است. [3] 2- 2- نرخ پیشروی
این شاخص به صورت میزان پیشروی تونل در مدت معین تعریف می شود و ممکن است برحسب متر در شیفت، متر در روز و یا متر در ماه بیان شود .واضح است که چون ماشین همیشه در حال پیشروی نیست لذا نرخ پیشروی همواره کمتر از نرخ نفوذ می باشد.[4]
نرخ پیشروی میانگین با کاهش نرخ نفوذ با ضریب بهره وری ، که خود بر مبنای فاکتور ایمنی تخمین زده می شود، به دست می آید.
AR PR U (1-2)
نرخ پیشروی و به تبع آن نرخ نفوذ ماشین در سنگ های مختلف به عوامل مختلفی وابسته است که از جمله مهمترین آنها می توان به قدرت ماشین، قطر تونل، وضعیت زمین و وجود آب زیرزمینی اشاره کرد.[3]
٢-٢-١- عوامل مؤثر در نرخ پیشروی TBM
پارامترهای بسیاری از جمله خصوصیات ماده سنگ، خصوصیات توده سنگ، هندسه کاتر، هندسه برش، مشخصات ماشین و پارامترهای اجرایی را میتوان در پیشروی یک ماشین حفار مؤثر دانست. روشن است که کاربرد صحیح TBM ها در هر پروژه عمرانی، یا معدنی بستگی به درک صحیح و کامل پارامترهای فوق الذکر دارد. از میان عوامل فوق به غیر از پارامتر آخر، سایر پارامترها مستقیماً با نرخ نفوذ TBM در سنگ مرتبط هستند. پارامترهای اجرایی بهرهوری TBM را تحت تأثیر قرار می دهند.[2] 2-2-1- 1- خصوصیات ماده سنگ
مقاومت فشاری تک محوری (UCS)، مقاومت کششی، شکنندگی، پلاستیسیته و درجه سایندگی سنگ از جمله ویژگیهای ماده سنگ هستند که تأثیر به سزایی در نرخ نفوذ و عمر مفید کاترها و در مجموع در نرخ پیشروی ماشین دارند. در ادامه به بررسی این خصوصیات پرداخته میشود.
2-2-1- 2- خصوصیات توده سنگ
عمده ترین خصوصیات توده سنگ که در تخمین نرخ پیشروی TBM مؤثر هستند، عبارتند از:
– وجود رگه های کوارتز و سایر کانی ها ساینده
– عملکرد گسلها و زونهای برشی عمده
– وجود تناوب سنگهای سخت و نرم در سینه کار
– درجه خردشدگی و نوع درزه ها
– شیب و جهت شیب درزه ها و ارتباط آنها با محور تونل
– مقاومت و خواص دگرشکلی پذیری توده سنگ
دسته درزههای توده سنگ میتوانند در عملکرد ماشین نقش اساسی داشته باشند. معمولاً کمتر شدن فاصله بین شکستگیها به منزله ی تأثیر بیشتر در نرخ پیشروی ماشین است. شرایط زمین شناسی مثل گسلها و آب زیرزمینی نیز نقش اساسی در انتخاب ماشین، کاربرد آن، عملکرد دستگاه و نرخ تولید آن دارند. آنالیز عملکرد اجرایی (واقعی) TBMهای مختلف در پروژههای گوناگون مبنای برآورد تأثیر این قبیل ویژگیهای زمین شناسی توده سنگ در عملکرد واقعی دستگاه میباشد. به طور خلاصه میتوان توده سنگ ها را بر حسب شرایط زمینشناسی آنها و رفتار آنها در پروژه های تونلسازی به چهارده عمده شامل سنگ های درزهدار، سنگهای تودهای سخت، سنگ های مچاله شونده و سنگ های گسلش یافته تقسیمبندی نمود. کارکرد TBMها در هر یک از این گونه توده سنگ ها ویژگیهای خاص خود را داراست. شکل(2-1)این تقسیم بندی را نشان می دهد.
شکل(2-1): چهار رده عمده ی شرایط زمین در بحث تونلسازی (بارتون 2000)[2]
1-سنگهای متخلخل درزهدار: حفاری آن آسان است، بار زیادی بر پوشش بتنی وارد نمیشود.
2- سنگهای توده ای سخت: حفاری آن مشکل است و اغلب نیاز به تعویض کاتر می شود. بار وارد بر پوشش بتنی تونل حداقل است.
3- سنگهای تحت تنش زیاد فشارنده: استفاده از ماشین در این سنگهای مشکلاتی به همراه دارد و نیاز به اضافه حفاری دارد (برای اینکه بعد از همگرایی تونل، ماشین گیر نکند). فشار وارد بر پوشش بتنی زیاد است.
4- سنگهای گسله ای: حفاری در این سنگها اضافه حفاری ناخواسته به همراه دارد. سایش ناخنهای دستگاه زیاد است. برای انجام زهکشی بایستی توقفات زیاد داشت. نیاز به تزریق و بهسازی زمین است. بار وارد بر پوشش بتنی بسیار زیاد است. [2]
٢-٢- ١-٣- نسبت بین سرعت نفوذپذیری و نیروی وارده به ازای هر تیغه
از بررسی و تحلیل هفت پروژه حفر تونل در سنگ سخت در نروژ که توسط Barton (1997 میلادی) گزارش شده نسبت فشار به ازای هر تیغه (F) و مقاومت فشاری تک محوری c  به عنوان معیاری بالقوه از تغییرات احتمالی سرعت نفوذ مورد توجه قرار گرفته است، از آن جا که مقاومت فشاری سنگ برای هر پروژه دامنه متغیری دارد، نسبت MPa / tnf FC نیز دامنه وسیعی دارد و در نتیجه سرعت خالص نفوذ نیز در هر پروژه متغیر میباشد. تأثیر جداگانه مقاومت فشاری تک محوری و نیروی فشار به ازای هر تیغه بر سرعت نفوذ ماشین در شکل(2-2) و (2-3) زیر نشان داده شده است.[2]


مقطع : کارشناسی ارشد

قیمت 25 هزار تومان

250,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان

350,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید