Skip to main content
SUPERVISOR
Ebrahim Ghasemivarnosfaderani
ابراهیم قاسمی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Peyman Jafar shirzad
پیمان جعفرشیرزاد

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 اخیر به منظور کاهش آلودگی‌های شهری، صرفه‌جویی در مصرف سوخت‌های فسیلی، کاهش مسافت مسافرت و هزینه‌های انرژی، احداث تونل‌های شهری و برون شهری اهمیت دوچندانی پیدا کرده است. از روش‌های حفاری تونل‌ها می‌توان به روش‌های حفاری مکانیزه اشاره کرد که روز به ‌روز با پیشرفت تکنولوژی کاربرد این روش‌ها نیز افزایش پیدا می‌کند. از جمله روش‌های حفاری مکانیزه می‌توان به حفاری به‌وسیله ماشین‌های حفاری تمام مقطع (TBM) اشاره کرد. در ماشین‌های حفاری تمام مقطع پیش‌بینی عملکرد ماشین یک مسأله بسیار مهم و حساس می‌باشد. حساسیت این موضوع به علت قابلیت تأثیر‌پذیری این شاخص از پارامترهای مکانیکی ماشین حفاری، پارامترهای زمین‌شناسی و پارمترهای عملیاتی است. در این تحقیق ابتدا به پیش‌بینی شاخص‌ نرخ نفوذ ماشین حفاری تمام مقطع نوع سپر باز استفاده شده در حفر تونل کوئینز نیویورک با استفاده از یک رابطه ریاضی پرداخته شده و در ادامه به بررسی تأثیر عدم قطعیت بر روی این شاخص با استفاده از روش شبیه‌سازی تصادفی مونت کارلو به کمک رابطه‌ ریاضی به دست آمده، پرداخته می‌شود. بدین منظور از داده‌هایی مانند شاخص تردی سنگ، فاصله بین صفحات شکستگی، زاویه بین صفحات شکستگی و محور تونل، انرژی ویژه حفاری، نیروی محوری ماشین، قدرت کله حفار ماشین، گشتاور کله حفار ماشین برای پیش‌بینی مقدار نرخ نفوذ اندازه‌گیری شده، استفاده شد. یکی از مشکلاتی که پیش‌روی این تحقیق بود، میزان همبستگی بالای داده‌های ورودی با یکدیگر بود که باعث ایجاد مشکل هم‌خطی چند گانه می‌شد. این مشکل باعث ایجاد اثر حاشیه‌ای داده‌های ورودی بر روی همدیگر می‌شود و از دقت و کارایی مدل ریاضی می‌کاهد. در ادامه برای رفع این مشکل و همچنین کاهش حجم داده‌های ورودی، از نرم افزار و روش تحلیل مولفه‌های اصلی (PCA) استفاده شد. با انجام تحلیل مولفه‌های اصلی بر روی داده‌های ورودی، چهار مولفه اصلی تولید شد و با انجام یک رگرسیون خطی بین نرخ نفوذ اندازه‌گیری شده و این چهار مولفه، رابطه‌ای برای پیش‌بینی نرخ نفوذ حفاری به دست آمد. در مرحله بعد به منظور بررسی تأثیر عدم قطعیت روی شاخص نرخ نفوذ، توابع توزیع داده‌ها تعیین و وارد نرم افزار @Risk شدند. نتایج به‌ دست آمده نشان داد که با افزایش پارامترهایی مانند شاخص‌ تردی سنگ، زاویه بین صفحات شکستگی و محور تونل، قدرت کله حفار و گشتاور کله حفار، احتمال افزایش میزان نرخ نفوذ نیز افزایش می‌یابد، برعکس افزایش پارامترهایی مانند فاصله‌ بین صفحات شکستگی، انرژی ویژه حفاری و نیروی محوری ماشین تأثیر منفی بر روی نرخ نفوذ می‌گذارد. همچنین به تحلیل حساسیت نرخ نفوذ و تأثیر پارامترهای ورودی بر روی آن پرداخته شد و مشخص گردید که شاخص تردی سنگ با ضریب همبستگی 528/0+ و نیروی محوری با مقدار 0117/0- به ترتیب موثرترین و کمترین نقش را در جهت کنترل نرخ نفوذ دارند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی