ارزیابی تراست مورد نیاز حفاری در TBMهای سپری با توجه به نرخ پیشروی در شرایط مچاله شوندگی (مطالعه موردی تونل انتقال آب بهشت آباد)

STUDENT

DEGREE

YEAR

In recent years using of shielded machines in tunneling have been increased and almost entire types of rock can be excavated by them. There are three types of hard rock TBMs such as open, single shield and double shield TBM. In this study, all types of hard rock TBMs are introduced and compared, then common difficulties in mechanized excavation of the tunnel, such as squeezing and creep phenomenon as well as different methods of evaluating necessity thrust force to overcome friction are discussed. Studied tunnel in present study, is Behesht-Abad Water Transfer Tunnel. By comparing the Aydan, Palmestrom, and HoEk squeezing evaluation methods, it was found that Hoeke's method forecasts the least and Aydan’s method evaluates the highest severity for squeezing. In general, it can be said that newer methods predict lower degrees for squeezing. Due to the close proximity of the elastic and plastic strain, softening and fracture which are considered in Aydan’s method with respect to compressive strength of intact rock, and also according to the convergence categories provided by Hoek, the Finally, using the mentioned methods, it was determined that the 19th zone of Behesht-Abad tunnel has a strong squeezing potential. Therefore, creep parameters are extracted using the results of laboratory creep test carried out on core samples from the tunnel. Then, using numerical simulation with FLAC3D software, the creep parameters are calibrated and then the 19th zone of Behesht-Abad tunnel is simulated. The required thrust force for different advance rates, is determined for single-shield and double-shied TBMs using a novel method and the effect of different overcuts, tunnel diameter variation and different machine standstill times on necessity thrust force, is investigated. In the following, a sensitivity analysis is performed on the creep parameters of the rock as well as the normal and shear stiffness of interface element. The results showed that increasing the advance rate has a significant effect on reduction of TBM thrust force, and the longer the machine standstill time, the more force is applied on the shield due to deformation of squeezed rock and therefore, the necessity thrust to overcome friction between rock and shield will increase dramatically. The effect of increasing advance rate on the thrust force is increased by overcut addition, it was declined by reducing the tunnel diameter. Also, the results showed that reducing creep parameters is more effective on thrust force rather than advance rate. It was also found that the necessity thrust force in single-shield machine, is higher than double-shield TBM in lower advance rates while it is lower in similar advance rates due to shorter length of single-shield TBM. Finally, some suggestions are presented for achieving more accurate results.

در سال‌های اخیر استفاده از ماشین‌های حفر تونل سپری در محیط‌های سنگی افزایش پیداکرده و بازه کاربرد بیشتری را در حفر انواع سنگ‌ها به خود اختصاص داده است. از انواع ماشین‌های حفاری تونل (TBM) در ستگ های سخت می‌توان به سه نوع ماشین باز، ماشین تک سپره و ماشین سپر دوبل اشاره نمود. ازجمله مشکلات و بحران‌های موجود در حفاری مکانیزه می‌توان به مواردی مانند هجوم آب، نشست زمین، مچاله شوندگی زمین، عدم انتخاب دستگاه حفاری مناسب و غیره اشاره نمود. بروز پدیده مچاله شوندگی می‌تواند موجب مشکلاتی مانند گیرکردن سپر ماشین، تاخیرات قابل‌ملاحظه در روند حفاری و ایجاد هزینه‌های سنگین شود. یکی از موارد کاهش اثر مچاله شوندگی، بررسی نیروی پیشران ماشین حفار است. در مطالعه حاضر، به معرفی و مقایسه انواع TBM های سنگ سخت، مشکلات موجود در حفاری مکانیزه ازجمله مچاله شوندگی و بروز پدیده خزش در سنگ مچاله شونده پرداخته شده و روش های ارزیابی نیروی پیشران موردنیاز حفاری برای غلبه بر اصطکاک بین سنگ و سپر دستگاه حفاری بررسی شده است. تونل مورد مطالعه، تونل انتقال آب بهشت آباد است. با مقایسه روش‌های ارزیابی مچاله‌شوندگی آیدان، پالمسترم و هوک مشخص شد که روش هوک کم‌ترین و روش آیدان بیش‌ترین شدت را برای مچاله‌شوندگی ارزیابی می‌کنند و به‌طور کلی می‌توان گفت روش‌های جدیدتر شدت مچاله‌شوندگی را کم‌تر ارزیابی می‌کنند. به دلیل نزدیک بودن مقادیر کرنش‌های الاستیک، پلاستیک، نرم‌شدگی و شکست که در روش آیدان با توجه به مقاومت فشاری سنگ بکر ساخته می‌شود و با توجه به رده‌های همگرایی ارائه‌شده توسط هوک برای ارزیابی مچاله‌شوندگی، رده‌بندی پتانسیل مچاله‌شوندگی مطابق روش آیدان چندان قابل اطمینان نیست. در نهایت با استفاده از روش های ذکر شده، مشخص شد که پهنه نوزدهم تونل دارای پتانسیل شدید مچاله شوندگی است. در ادامه با استفاده از نتایج حاصل از آزمون خزش آزمایشگاهی انجام گرفته بر روی نمونه سنگ گرفته شده از پهنه نوزدهم تونل، پارامترهای خزشی سنگ استخراج گردید. با استفاده از شبیه سازی عددی توسط نرم افزار FLAC3D، پارامترهای خزشی سنگ، کالیبره شده و سپس پهنه نوزدهم تونل بهشت آباد با استفاده از این نرم افزار شبیه سازی گردید. تراست مورد نیاز حفاری برای ماشین حفاری تک سپره و سپر دوبل با استفاده از یک روش نوین برای نرخ های نفوذ متفاوت تعیین شده و همچنین تاثیر تغییرات اضافه حفاری ، قطر تونل و همچنین زمان های مختلف توقف دستگاه حفاری بر روی تراست بررسی گردید. در ادامه، تحلیل حساسیتی بر روی پارامترهای خزشی سنگ و همچنین سختی نرمال و برشی المان فصل مشترک انجام شده است. نتایج حاصل شده نشان داد که افزایش نرخ نفوذ، تاثیر قابل ملاحظه ای بر روی کاهش تراست حفاری دستگاه TBM داشته و هرچه زمان توقف دستگاه بیشتر باشد، نیروی وارد شده به سپر بدلیل تغییر شکل خزشی پروفیل جابجایی تاج تونل افزایش یافته و در نتیجه تراست لازم برای غلبه بر اصطکاک بین سنگ و سپر، افزایش چشم گیری خواهد یافت که این امر در عمل با واقعیت تطابق خوبی دارد. تاثیر افزایش نرخ پیشروی بر روی تراست حفاری، با افزایش اضافه حفاری بیشتر می شود که این امر در مورد کاهش قطر تونل، برعکس شده است. همچنین نتایج نشان داد که تاثیر کاهش پارامترهای خزشی بر تراست، در مرتبه بسیار بالاتری نسبت به نرخ نفوذ قرار دارد. همچنین مشخص شد که تراست حفاری در ماشین تک سپره با توجه به سرعت کمتر نسبت به ماشین سپر دوبل، افزایش قابل ملاحظه ای می یابد که این امر در مورد نرخ های نفوذ مشابه، با توجه به طول کم تر ماشین تک سپره، برعکس شده است. در پایان تحقیق، پیشنهاداتی برای دست یافتن به نتایج دقیق تر و نزدیک به واقعیت ارائه شده است.