SUPERVISOR
Alireza Baghbanan,Raheb Bagherpour
عليرضا باغبانان (استاد راهنما) راحب باقرپور (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed Mosleh Eftekhari
سيدمصلح افتخاري
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 مکانيزه مدت زمان حفر تونل را نرخ پيشروي ماشين تعيين ميکند. يکي از فاکتورهاي مهم که بر سرعت حفاري يا نرخ پيشروي TBM تأثير ميگذارد، نرخ نفوذ آن است. نرخ نفوذ، نسبت فاصله حفاري شده به زمان انجام آن در طول حفاري پيوسته يا به عبارتي برابر نرخ پيشروي آني ماشين است که به طور کلي روشهاي پيشبيني متعددي به منظور تعيين نرخ نفوذ پيشنهاد شدهاند. روشهاي پيشبيني نرخ نفوذ به طور کلي در چهار گروه اصلي روشهاي تجربي، تئوري، شبيهسازي با شبکه عصبي مصنوعي و روش عددي قرار ميگيرند. مدلي ميتواند پيشبيني قابل قبولي از نرخ نفوذ ارائه دهد که در آن، مجموعهاي از پارامترهاي موثر از قبيل سنگ بکر و توده سنگ به همراه مشخصات ماشين مد نظر قرار گرفتهباشد. در بسياري از مدلهاي تجربي و تئوري ارائه شده، تنها يک يا تعداد اندکي از پارامترها را شامل مي شوند که خود ميتواند دليلي بر عدم جامعيت آنها باشد. شبکه عصبي مصنوعي با الهام از ساختار مغز به وجود آمده و نيازي به فرموله کردن نداشته و همچنين ميتواند ارتباط پارامترهاي موثر بيشتري را در نظر بگيرد. يکي از اهداف اين پروژه پيشبيني نرخ نفوذ با استفاده از شبکه عصبي مصنوعي در تونل بلند زاگرس و هدف ديگر آن، بررسي اثر پارامترهاي هندسي درزههاي مجزا بر نرخ نفوذ TBM با استفاده از روش ترکيبي جديد شبکه درزه مجزا- روش المان مجزا در همان تونل ميباشد. پارامترهاي هندسي درزهها و همچنين خصوصيات مکانيکي سنگ و درزهها از تونل زاگرس برداشت شدهاست، همچنين با استفاده از کد FracIUT 2D که به زبان C مبتني بر روش مونت-کارلو نوشته شدهاست مدلهاي شبکه درزه مجزاي زيادي توليد و و اثر درزهداري توده سنگ بر نرخ پيشروي به وسيلهي روش المان مجزا تحليل شده است. سطح تراشهشدگي در اثر نيروي ديسکهاي TBM ميتواند بيانگر نرخ نفوذ باشد. ضرايب تطبيق 83 درصد و 79 درصد بين مقادير پيشبيني شده با شبکه عصبي مصنوعي و مقادير واقعي به ترتيب در مجموعه آزمون و مجموعه داده هاي نيم کيلومتر جديد، نشان مي دهد که شبکه ساخته شده ابزاري مناسب به منظور پيشبيني نرخ نفوذ در اين پروژه مي باشد. با توجه به تحليل حساسيت انجام شده در يک مقطع سنگي بر روي نيروي پيشران و گشتاور، مي توان گفت که مقدار نيروي پيشران و گشتاور در يک حد بهينه موجب افزايش نرخ نفوذ ميشوند و به منظور دستيابي به نرخ نفوذ قابل قبول در اين مقطع سنگي بهتر است مقدار نيروي پيشران و گشتاور به صورت هماهنگ تغيير کنند. نتايج مدلسازيهاي عددي نشان مي دهد که ميزان افزايش سطح تراشه نسبت به سنگ بکر از تابع توزيع نرمال با ميانگين 07/46 و انحراف معيار 51/15 تبعيت ميکند. با احتمال 80 درصد، ميزان افزايش سطح تراشه نسبت به حالت سنگ بکر بيش از 33 درصد و با احتمال 95 درصد، ميزان افزايش سطح تراشه نسبت به حالت سنگ بکر بيش از 20 درصد است. همچنين از مقايسه کيفي بين نتايج اين دو روش با تعدادي از روشهاي تجربي ارائه شده اين نتيجه حاصل شد که اين دو روش مناسبترين روشها ميباشند اما در عين حال روش عددي نسبت به روش شبکه عصبي مصنوعي اين برتري را دارد که روش عددي ميتواند در مرحله طراحي استفاده شود در حاليکه روش شبکه عصبي نياز به تاريخچه پارامترهاي ورودي و خروجي خود دارد و بنابراين در مرحله اجرا قابل استفاده است.