Skip to main content
SUPERVISOR
Ebrahim Ghasemivarnosfaderani
ابراهيم قاسمي (استاد راهنما)
 
STUDENT
Peyman Jafar shirzad
پيمان جعفرشيرزاد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Evaluation of tunnel boring machine (TBM) performance using stochastic modeling
In recent decades, construction of urban and suburban tunnels has become very important in order to reduce urban pollution, conserve fossil fuels, reducing travel distances and energy costs. Among tunnel excavation methods, the application of mechanized excavation techniques is increasing by technology advances. One of mechanized excavation methods is excavation by tunnel boring machines (TBMs). In tunnel boring machines, the prediction of machine performance is a very important and critical issue, because it is affected by mechanical parameters of machines, geological parameters and operational parameters. In this research, first penetration rate of TBM open type applied in Queens Tunnel of New York is predicted by mathematical equation. Then, the influence of uncertainty on this parameter is simulated, using the Monte Carlo stochastic modeling and the mathematical relation obtained from the previous step. For this purpose, data such as rock brittleness index, distance between plane of weakness, angle between plane of weakness and TBM-driven direction, excavation specific energy, thrust force, cutterhead power and cutterhead torque, were used to predict the measured penetration rate. One of the problems in this study was the high correlation between input data, which caused a multicollinearity problem. This problem creates the marginal effect of input data on each other and reduces the accuracy and efficiency of mathematical model. In order to solve this problem and reduce the amount of input data, software and principal component's analysis (PCA) were used. Applying the principal component's analysis on the input data, four main components were obtained and by performing a linear regression between the penetration rate (The dependent variable) and these four components, a relationship was found for penetration rate prediction. In the next step, data distribution functions were obtained and entered into the @Risk software to investigate the effect of uncertainty on the penetration rate index. The results showed that along the tunnel route, increasing parameters like brittleness index, angle between plane of weakness and TBM-driven direction, cutterhead power and cutterhead torque, led to increase in penetration rate and with increasing parameters like distance between plane of weakness, excavation specific energy and thrust force has a negative impact on penetration rates. Furthermore, the sensitivity analysis of the penetration rate and impact of input parameters on it were also analyzed, it was found that the brittleness index with a correlation coefficient of +0/528 and the thrust force with -0/0117 value have the most effective and the least effective role on controlling the penetration rate.
در چند دهه اخير به منظور کاهش آلودگي‌هاي شهري، صرفه‌جويي در مصرف سوخت‌هاي فسيلي، کاهش مسافت مسافرت و هزينه‌هاي انرژي، احداث تونل‌هاي شهري و برون شهري اهميت دوچنداني پيدا کرده است. از روش‌هاي حفاري تونل‌ها مي‌توان به روش‌هاي حفاري مکانيزه اشاره کرد که روز به ‌روز با پيشرفت تکنولوژي کاربرد اين روش‌ها نيز افزايش پيدا مي‌کند. از جمله روش‌هاي حفاري مکانيزه مي‌توان به حفاري به‌وسيله ماشين‌هاي حفاري تمام مقطع (TBM) اشاره کرد. در ماشين‌هاي حفاري تمام مقطع پيش‌بيني عملکرد ماشين يک مسأله بسيار مهم و حساس مي‌باشد. حساسيت اين موضوع به علت قابليت تأثير‌پذيري اين شاخص از پارامترهاي مکانيکي ماشين حفاري، پارامترهاي زمين‌شناسي و پارمترهاي عملياتي است. در اين تحقيق ابتدا به پيش‌بيني شاخص‌ نرخ نفوذ ماشين حفاري تمام مقطع نوع سپر باز استفاده شده در حفر تونل کوئينز نيويورک با استفاده از يک رابطه رياضي پرداخته شده و در ادامه به بررسي تأثير عدم قطعيت بر روي اين شاخص با استفاده از روش شبيه‌سازي تصادفي مونت کارلو به کمک رابطه‌ رياضي به دست آمده، پرداخته مي‌شود. بدين منظور از داده‌هايي مانند شاخص تردي سنگ، فاصله بين صفحات شکستگي، زاويه بين صفحات شکستگي و محور تونل، انرژي ويژه حفاري، نيروي محوري ماشين، قدرت کله حفار ماشين، گشتاور کله حفار ماشين براي پيش‌بيني مقدار نرخ نفوذ اندازه‌گيري شده، استفاده شد. يکي از مشکلاتي که پيش‌روي اين تحقيق بود، ميزان همبستگي بالاي داده‌هاي ورودي با يکديگر بود که باعث ايجاد مشکل هم‌خطي چند گانه مي‌شد. اين مشکل باعث ايجاد اثر حاشيه‌اي داده‌هاي ورودي بر روي همديگر مي‌شود و از دقت و کارايي مدل رياضي مي‌کاهد. در ادامه براي رفع اين مشکل و همچنين کاهش حجم داده‌هاي ورودي، از نرم افزار و روش تحليل مولفه‌هاي اصلي (PCA) استفاده شد. با انجام تحليل مولفه‌هاي اصلي بر روي داده‌هاي ورودي، چهار مولفه اصلي توليد شد و با انجام يک رگرسيون خطي بين نرخ نفوذ اندازه‌گيري شده و اين چهار مولفه، رابطه‌اي براي پيش‌بيني نرخ نفوذ حفاري به دست آمد. در مرحله بعد به منظور بررسي تأثير عدم قطعيت روي شاخص نرخ نفوذ، توابع توزيع داده‌ها تعيين و وارد نرم افزار @Risk شدند. نتايج به‌ دست آمده نشان داد که با افزايش پارامترهايي مانند شاخص‌ تردي سنگ، زاويه بين صفحات شکستگي و محور تونل، قدرت کله حفار و گشتاور کله حفار، احتمال افزايش ميزان نرخ نفوذ نيز افزايش مي‌يابد، برعکس افزايش پارامترهايي مانند فاصله‌ بين صفحات شکستگي، انرژي ويژه حفاري و نيروي محوري ماشين تأثير منفي بر روي نرخ نفوذ مي‌گذارد. همچنين به تحليل حساسيت نرخ نفوذ و تأثير پارامترهاي ورودي بر روي آن پرداخته شد و مشخص گرديد که شاخص تردي سنگ با ضريب همبستگي 528/0+ و نيروي محوري با مقدار 0117/0- به ترتيب موثرترين و کمترين نقش را در جهت کنترل نرخ نفوذ دارند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی