SUPERVISOR
Raheb Bagherpour,Saeed Mahdavi
راحب باقرپور (استاد راهنما) سعيد مهدوي (استاد مشاور)
STUDENT
Danial Mohammadzamani
دانيال محمدزماني
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Evaluation of necessary thrust force in shielded TBMs with respect to Advance rate in squeezing conditions (Case study of Behesht-Abad water transfer tunnel)
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 سال‌هاي اخير استفاده از ماشين‌هاي حفر تونل سپري در محيط‌هاي سنگي افزايش پيداکرده و بازه کاربرد بيشتري را در حفر انواع سنگ‌ها به خود اختصاص داده است. از انواع ماشين‌هاي حفاري تونل (TBM) در ستگ هاي سخت مي‌توان به سه نوع ماشين باز، ماشين تک سپره و ماشين سپر دوبل اشاره نمود. ازجمله مشکلات و بحران‌هاي موجود در حفاري مکانيزه مي‌توان به مواردي مانند هجوم آب، نشست زمين، مچاله شوندگي زمين، عدم انتخاب دستگاه حفاري مناسب و غيره اشاره نمود. بروز پديده مچاله شوندگي مي‌تواند موجب مشکلاتي مانند گيرکردن سپر ماشين، تاخيرات قابل‌ملاحظه در روند حفاري و ايجاد هزينه‌هاي سنگين شود. يکي از موارد کاهش اثر مچاله شوندگي، بررسي نيروي پيشران ماشين حفار است. در مطالعه حاضر، به معرفي و مقايسه انواع TBM هاي سنگ سخت، مشکلات موجود در حفاري مکانيزه ازجمله مچاله شوندگي و بروز پديده خزش در سنگ مچاله شونده پرداخته شده و روش هاي ارزيابي نيروي پيشران موردنياز حفاري براي غلبه بر اصطکاک بين سنگ و سپر دستگاه حفاري بررسي شده است. تونل مورد مطالعه، تونل انتقال آب بهشت آباد است. با مقايسه روش‌هاي ارزيابي مچاله‌شوندگي آيدان، پالمسترم و هوک مشخص شد که روش هوک کم‌ترين و روش آيدان بيش‌ترين شدت را براي مچاله‌شوندگي ارزيابي مي‌کنند و به‌طور کلي مي‌توان گفت روش‌هاي جديدتر شدت مچاله‌شوندگي را کمتر ارزيابي مي‌کنند. به دليل نزديک بودن مقادير کرنش‌هاي الاستيک، پلاستيک، نرم‌شدگي و شکست که در روش آيدان با توجه به مقاومت فشاري سنگ بکر ساخته مي‌شود و با توجه به رده‌هاي همگرايي ارائه‌شده توسط هوک براي ارزيابي مچاله‌شوندگي، رده‌بندي پتانسيل مچاله‌شوندگي مطابق روش آيدان چندان قابل اطمينان نيست. در نهايت با استفاده از روش هاي ذکر شده، مشخص شد که پهنه نوزدهم تونل داراي پتانسيل شديد مچاله شوندگي است. در ادامه با استفاده از نتايج حاصل از آزمون خزش آزمايشگاهي انجام گرفته بر روي نمونه سنگ گرفته شده از پهنه نوزدهم تونل، پارامترهاي خزشي سنگ استخراج گرديد. با استفاده از شبيه سازي عددي توسط نرم افزار FLAC3D، پارامترهاي خزشي سنگ، کاليبره شده و سپس پهنه نوزدهم تونل بهشت آباد با استفاده از اين نرم افزار شبيه سازي گرديد. تراست مورد نياز حفاري براي ماشين حفاري تک سپره و سپر دوبل با استفاده از يک روش نوين براي نرخ هاي نفوذ متفاوت تعيين شده و همچنين تاثير تغييرات اضافه حفاري ، قطر تونل و همچنين زمان هاي مختلف توقف دستگاه حفاري بر روي تراست بررسي گرديد. در ادامه، تحليل حساسيتي بر روي پارامترهاي خزشي سنگ و همچنين سختي نرمال و برشي المان فصل مشترک انجام شده است. نتايج حاصل شده نشان داد که افزايش نرخ نفوذ، تاثير قابل ملاحظه اي بر روي کاهش تراست حفاري دستگاه TBM داشته و هرچه زمان توقف دستگاه بيشتر باشد، نيروي وارد شده به سپر بدليل تغيير شکل خزشي پروفيل جابجايي تاج تونل افزايش يافته و در نتيجه تراست لازم براي غلبه بر اصطکاک بين سنگ و سپر، افزايش چشم گيري خواهد يافت که اين امر در عمل با واقعيت تطابق خوبي دارد. تاثير افزايش نرخ پيشروي بر روي تراست حفاري، با افزايش اضافه حفاري بيشتر مي شود که اين امر در مورد کاهش قطر تونل، برعکس شده است. همچنين نتايج نشان داد که تاثير کاهش پارامترهاي خزشي بر تراست، در مرتبه بسيار بالاتري نسبت به نرخ نفوذ قرار دارد. همچنين مشخص شد که تراست حفاري در ماشين تک سپره با توجه به سرعت کمتر نسبت به ماشين سپر دوبل، افزايش قابل ملاحظه اي مي يابد که اين امر در مورد نرخ هاي نفوذ مشابه، با توجه به طول کم تر ماشين تک سپره، برعکس شده است. در پايان تحقيق، پيشنهاداتي براي دست يافتن به نتايج دقيق تر و نزديک به واقعيت ارائه شده است.