SUPERVISOR
Alireza Baghbanan,Raheb Bagherpour
علیرضا باغبانان (استاد راهنما) راحب باقرپور (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed Mosleh Eftekhari
سیدمصلح افتخاری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387
TITLE
Numerical modeling of the effect of geometrical parameters of fractures on penetration rate of TBM in fractured rock mass- Case study "Zagors Long Tunnel"
Since the first Tunnel Boring Machine (TBM) was built, the performance analysis and the development of accurate prediction models of the machines have been the ultimate goals of many research works. In the literature, there are many prediction models of PR. In most developed empirical methods, they only considered one or two intact rock properties or just rock mass classification systems which are not all deciding factors in PR of TBM. Therefore a method which could take into accounts all intact rock – discontinuity properties - ground condition- operational parameters of machine should be developed and used for TBM performance in rock masses. The Artificial Neural Networks (A) are facilitated all important parameters for predicting the PR of TBM. The fracture is one of the most important rock properties, which has a great influence on PR of TBM. In previous research works, the influence of joint properties such as spacing and orientation on PR has been investigated separately or just a regular joint set was modeled. Since the actual rock mass is geometrically complex, the Discrete Fracture Network (DFN) models which is based on stochastic representation of fracture systems, using the probability density function (PDF) of fracture parameters (e.g. orientation, length) formulated according to field mapping results and generated using Monte Carlo method; may use for creating conceptual model close to the reality. The Distinct Element Method (DEM) is a very useful method that simulates very complex geometrical models of fracture systems, such as DFN models. Using a number of DFN-DEM models for predicting the penetration rate of TBM, a probabilistic numerical modeling is established. In this study the obtained data from 10KM of excavated Zagros tunnel project in Iran were subjected to statistical analyses using MATLAB for prediction of PR using ANN modeling and geometric and mechanical parameters of this tunnel are used as the input data for probabilistic numerical approach. The results of predicting using ANN show that the developed ANN method is efficient for predicting the PR in Zagros tunnel. The ANN model for next 0.5 KM which is recently excavated is well compatible with the real calculated PR of TBM in the field with 79% confident level. Sensibility analysis results on the effect of the values of Thrust and Torque of TBM on the PR of a rock formation in this tunnel shows that the maximum PR in the mentioned formation occurred in the optimum limits of Thrust and Torque. Numerical modeling results also show that the PDF of positive incremental chipping area follows the normal distribution with the mean value of 46%. The Probabilistic Cumulative Distribution Function (PCDF) of results shows that the positive incremental chipping areas are greater than 20% and 33% when 95% and 80% are respectively considered.
در روش حفر مکانیزه مدت زمان حفر تونل را نرخ پیشروی ماشین تعیین میکند. یکی از فاکتورهای مهم که بر سرعت حفاری یا نرخ پیشروی TBM تأثیر میگذارد، نرخ نفوذ آن است. نرخ نفوذ، نسبت فاصله حفاری شده به زمان انجام آن در طول حفاری پیوسته یا به عبارتی برابر نرخ پیشروی آنی ماشین است که به طور کلی روشهای پیشبینی متعددی به منظور تعیین نرخ نفوذ پیشنهاد شدهاند. روشهای پیشبینی نرخ نفوذ به طور کلی در چهار گروه اصلی روشهای تجربی، تئوری، شبیهسازی با شبکه عصبی مصنوعی و روش عددی قرار میگیرند. مدلی میتواند پیشبینی قابل قبولی از نرخ نفوذ ارائه دهد که در آن، مجموعهای از پارامترهای موثر از قبیل سنگ بکر و توده سنگ به همراه مشخصات ماشین مد نظر قرار گرفتهباشد. در بسیاری از مدلهای تجربی و تئوری ارائه شده، تنها یک یا تعداد اندکی از پارامترها را شامل می شوند که خود میتواند دلیلی بر عدم جامعیت آنها باشد. شبکه عصبی مصنوعی با الهام از ساختار مغز به وجود آمده و نیازی به فرموله کردن نداشته و همچنین میتواند ارتباط پارامترهای موثر بیشتری را در نظر بگیرد. یکی از اهداف این پروژه پیشبینی نرخ نفوذ با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی در تونل بلند زاگرس و هدف دیگر آن، بررسی اثر پارامترهای هندسی درزههای مجزا بر نرخ نفوذ TBM با استفاده از روش ترکیبی جدید شبکه درزه مجزا- روش المان مجزا در همان تونل میباشد. پارامترهای هندسی درزهها و همچنین خصوصیات مکانیکی سنگ و درزهها از تونل زاگرس برداشت شدهاست، همچنین با استفاده از کد FracIUT 2D که به زبان C مبتنی بر روش مونت-کارلو نوشته شدهاست مدلهای شبکه درزه مجزای زیادی تولید و و اثر درزهداری توده سنگ بر نرخ پیشروی به وسیلهی روش المان مجزا تحلیل شده است. سطح تراشهشدگی در اثر نیروی دیسکهای TBM میتواند بیانگر نرخ نفوذ باشد. ضرایب تطبیق 83 درصد و 79 درصد بین مقادیر پیشبینی شده با شبکه عصبی مصنوعی و مقادیر واقعی به ترتیب در مجموعه آزمون و مجموعه داده های نیم کیلومتر جدید، نشان می دهد که شبکه ساخته شده ابزاری مناسب به منظور پیشبینی نرخ نفوذ در این پروژه می باشد. با توجه به تحلیل حساسیت انجام شده در یک مقطع سنگی بر روی نیروی پیشران و گشتاور، می توان گفت که مقدار نیروی پیشران و گشتاور در یک حد بهینه موجب افزایش نرخ نفوذ میشوند و به منظور دستیابی به نرخ نفوذ قابل قبول در این مقطع سنگی بهتر است مقدار نیروی پیشران و گشتاور به صورت هماهنگ تغییر کنند. نتایج مدلسازیهای عددی نشان می دهد که میزان افزایش سطح تراشه نسبت به سنگ بکر از تابع توزیع نرمال با میانگین 07/46 و انحراف معیار 51/15 تبعیت میکند. با احتمال 80 درصد، میزان افزایش سطح تراشه نسبت به حالت سنگ بکر بیش از 33 درصد و با احتمال 95 درصد، میزان افزایش سطح تراشه نسبت به حالت سنگ بکر بیش از 20 درصد است. همچنین از مقایسه کیفی بین نتایج این دو روش با تعدادی از روشهای تجربی ارائه شده این نتیجه حاصل شد که این دو روش مناسبترین روشها میباشند اما در عین حال روش عددی نسبت به روش شبکه عصبی مصنوعی این برتری را دارد که روش عددی میتواند در مرحله طراحی استفاده شود در حالیکه روش شبکه عصبی نیاز به تاریخچه پارامترهای ورودی و خروجی خود دارد و بنابراین در مرحله اجرا قابل استفاده است.