دانلود مقاله عمران روشهای پیش بینی ضریب بهره وری TBM
فصل اول
اشنایی و سابقه
در طول چند دهه گذشته تکنولوژی TBM های سنگ توسعه زیادی پیدا کرد. این ماشین ها
اکنون به مرحله ای رسیده اند که می توانند در هر نوع سنگ یا خاکی حفر کنند ولی به هر
حال حفر با ماشین پر خطر بوده زیرا همیشه امکان روبرو شدن با زمینی که ماشین توانایی
حفردر آن را ندارد وجود دارد. پیش بینی ضریب بهره وری بخش مهمی از هر پروژه حفر
مکانیزه است. تعداد برش دهنده های مورد نیاز هزینه های آزمایشگاهی – هزینه های
سرمایه ای و عملیاتی همه از دوره ساخت پروژه و دوره ساخت پروژه از ضریب بهره
وری و نرخ نفوذ تاثیر می پذیرد که تخمین این دو بسیار مشکل ا ست. تاکنون تلاش های
زیادی جهت گسترش روشهای پیش بینی بهره وری و پیش بینی دقیق نرخ پیشروی در یک
شرایط زمین شناسی شده است. در کشورهای مختلف و توسط شرکت های مختلف سازنده
TBM دامنه وسیعی از روشهای پیش بینی ضریب بهره وری استفاده می شود.
اصولا" این روشها بر مبنای تحلیل نظری و داده های تجربی بنا نهاده شده اند. در حالت
کلی می توان روشهای ارائه شده را به دو گروه تقسیم کرد. روشهای کاملا" تجربی و
روشهای تئوری/ تجربی. گروه اول بر مبنای داده های جمع اوری شده از زمین و استفاده
از تحلیل رگرسیون میان پارامترهای ماشین خواص سنگ و نرخ نفوذ حاصل شده اند.
روشNTH یک نمونه از این روشها است. گروه های دیگر بر جزئیات فرایند برش
در سنگ تحلیل نظری فرایند شکست سنگ با ابزار مکانیکی و نیروهای وارد بر هر برش
دهنده به منظور دستیابی به یک نرخ نفوذ مشخص متمرکز شده اند.
روش CSM و برخی از روشها که توسط کارخانه های سازنده TBM توسعه داده شده اند
در این گروه قرار می گیرند. این روشها می توانند در بهینه کردن طرح تاج حفار به کار
گرفته شوند. نیروهای اعمال شده بر برش دهنده که توسط این روشها تعیین می شوند میتواند
در تخمین نیروی محوری گشتاور و توان مورد نیاز نیز استفاده شود.
در حالت عمومی روشهای پیش بینی بهره وری بر مبنای قواعد زیر پایه گذاری شده اند:
1) داده های حاصل از زمین یا آزمایش
2) آزمایشهای کوچک مقیاس ( ازمونهای شاخص)
3) آزمایشهای بزرگ مقیاس
4) روشهای تجربی
5) مدلهای تئوری
به عنوان مثال روش پیش بینی NTH ترکیبی از قواعد 1- 2- 4 است و روش CSM
شامل تمامی قواعد ذکر شده می شود.
در تمام روشهای پیش بینی بهره وری نمونه گیری صحیح یک عامل کلیدی است. اگر نمونه
های مورد ازمایش معرف ( نماینده شرایط واقعی زمین) نباشند نتایج پیش بینی قا بل اعتماد
نخواهد بود. تخمین بهره وری TBM در سنگهای سخت یک فرایند بسیار پیچیده است که به
شرایط زمین شناسی خواص توده سنگ و جزئیات ماشین( مانند اندازه برش دهنده ها-
فاصله و بار اعمالی بر آنها) مربوط می شود. فرایند برش و نفوذ در سنگ توسط برش
دهنده مستلزم شکست کششی- برشی و فشاری سنگ است
درزه ها و شکستگی ها تا حدودی نرخ نفوذ ماشین را بهبود می بخشند.
بر اساس مطالعات صورت گرفته میان و نرخ نفوذ همبستگی خوبی در TBM های
سنگ سخت وجود دارد.
در این رابطه میزان تنش های برجا و مقاومت فشاری
توده سنگ می باشد
1-1- نرخ پیشروی:
نرخ پیشروی ماشین از دو پارامتر عمده حفر و نگهداری تاثیر می پذیرد. گاهی اوقات
هنگام نصب پوشش امکان حفر وجود ندارد( مثلا" TBM های سپردار) یا وجود مناطق
برشی که حفر درون آنها بدون تحکیم – امکان گیر افتادن ماشین را زیاد می کند باعث
کاهش ضریب بهره وری می شود. عاملی که در حفر سنگ نقش کلیدی را بازی می کند
نرخ نفوذ است. نرخ پیشروی به صورت زیر تخمین زده می شود.
نرخ نفوذ ضریب بهره وری = نرخ پیشروی
2-1- نرخ نفوذ:
نرخ نفوذ TBM های به صورت تیپیک با توجه به خوا ص ماده سنگ تخمین زده می شود.
وابستگی نرخ نفوذ به فاصله داری و شرایط درزه ها کاملا" شناخته شده است. تنها روشی
که تاثیر ناپیوستگیها را لحاظ کرده است روش انسیتو تکنولوژی نروژ است.
در ادامه به برخی از معادلات تجربی که بر مبنای داده های آزمایشگاهی برای تعیین نرخ
نفوذ ارائه شده اند اشاره می شود
تارکی در سال 1973 روشی را برای پیش بینی نرخ نفوذ تنها بر مبنای سختی سنگ
پیشنهاد کرد که در آن سختی سنگ با استفاده از بازگشت چکش اشمیت و سختی سایشی
سنگ محاسبه می شد.
بزرگترین عیب روش تارکی عدم منظور کردن ویژگی های ماشین و توده سنگ که در
ضریب بهره وری TBM بسیار موثر می باشد.
گراهام در سال 1976 برای سنگ های که مقاومت فشاری انها در دامنه 140- 200 مگا
پاسکال می باشد رابطه زیر را ارائه کرد:
که در آن:
میزان نفوذ تاج حفار به میلی متر وقتی تاج حفار یک دور می زند.
نیروی عمودی اعمال شده بر هر برش دهنده بر حسب KN
UCS مقاومت فشاری تک محوره بر حسب MPa
رگسبوروگ و فیلیپس در سال 1975 بر مبنای تحلیل عددی مدلی را ارائه کردند که
قطر برش دهنده های دیسکی و نیروی محوری روی آنها مقاومت فشاری تک محوره و
زاویه لبه دیسکها را منظور می کرد. در این مدل ویژگیهای توده سنگ از قبیل نا پیوستگیها
در نظر گرفته نمی شود.
ساختار این مدل دقیقا شبیه مدل گراهام می باشد با این تفاوت که زاویه لبه کاترها نیز در
مدل منظور شده است.
ازدمیر در سال 1978 مدلی را ارائه کرد که بر مبنای آن با توجه به قطر- موقعیت- نفوذ
و فاصله داری برش دهنده های دیسکی – مقاومت فشاری تک محوره – مقاومت برشی و
زاویه لبه دیسکها- نیروی نرمال و نیروی غلتشی دیسکها محاسبه می شد. این مدل تاثیر
نا پیوستگی ها را منظور نمی کرد.
فارمر و گلوسوپ در سال 1980 رابطه زیر را برای سنگ های رسوبی ارائه کردنند.
1-2
که در آن:
میزان نفوذ تاج حفار به میلی متر وقتی تاج حفار یک دور می زند.
مقاومت کششی برزیلی بر حسب MPa
نیروی محوری اعمال شده بر هر برش دهنده بر حسب KN
هاگس برای معدن کاری در معادن زغال رابطه زیر را ارائه کرد:
1-3
که در آن :
میزان نفوذ تاج حفار به میلی متر وقتی تاج حفار یک دور می زند.
D قطر دیسک بر حسب میلی متر ( فرض شده است که تنها یک دیسک در هر شیار
وجود داشته باشد)
نیروی اعمال شده بر هر برش دهنده بر حسب KN
UCS مقاومت فشاری تک محوره می باشد.
بامفورد در سال 1984 یک مدل چند خطی به صورت زیر ارائه کرد که در ان نرخ
نفوذ به عنوان تابعی از سختی چکش اشمیت- نیروی محوری ماشین – اندیس نفوذ
مخروطی و زاویه مقاومت برشی بیان شده بود.
این مدل تنها بر مبنای داده های حاصل از یک تونل حاصل شده بود لذا تاثیر تغییرا ت
قطر تونل را نمی توا نست منظور کند.
1-4
که در آن:
P نرخ نفوذ بر حسب متر در ساعت
S سختی چکش اشمیت
T نیروی محوری ماشین بر حسب تن
N شاخص نفوذ مخروطی بر حسب نیوتن بر میلی متر
زاویه مقاومت برشی بر حسب درجه
سانیو در سال 1985 مدلی را برای تخمین نرخ نفوذ به صورت غیر مستقیم ارائه کرد.
سانیو نشان داد که نسبت بین نرخ نفوذ عمود بر لایه بندی و موازی لایه بندی برابر با نسبت
بین اندیس بار گذاری نقطه ای عمود بر لایه بندی و موازی لایه بندی است.
روش سانیو می تواند به عنوان یک فاکتور تصحیح در سنگهای با نا پیوستگی نزدیک به
هم استفاده شود.
بوید در سال 1986 مدلی متفاوت با مدلهای اشاره شده ارائه کرد.
در مدل فرض شده بود که هر متر مکعب توده سنگ به مقدار انرژی خاصی بر حسب
KWh برای خردایش نیاز دارد که به ان انرژی ویژه می گویند.
اگر سطح مقطع تونل و انرژی ماشین مشخص باشد نرخ نفوذ به راحتی با دانستن انرژی
ویژه سنگ محاسبه می شود.
این مدل معمولا" برای پیش بینی نرخ نفوذ ماشین های حفار بازویی استفاده می شود.
رابطه ارائه شده توسط بوید به صورت زیر می باشد:
1-5
که در آن:
نرخ نفوذ بر حسب متر بر ساعت
توان تاج حفار بر حسب کیلووات
انرژی ویژه بر حسب کیلووات ساعت بر متر مکعب
مقطع تونل
مک فیت – اسمیت و فاول در سال 1977 روابطی را برای پیش بینی انرژی ویژه سنگها
ارائه کردنند.
از معایب این روش این ا ست که انرژی ویژه تنها به خواص سنگ بستگی نداشته و به ابعاد
تراشه های ایجاد شده بستگی زیادی دارد بعلاوه انرژی منتقل شده به سنگ ا لزاما" همان
انرژی ماشین نیست. لذا این روش هنگامی می تواند مناسب باشد که هم ویژگیهای ماشین
و هم ویژگیهای سنگ شناخته شده باشد.
در جدول 1-1 مقادیر انرژی ویژه برای چند سنگ آورده شده است.
جدول 1-1 : انرژی ویژه سنگهای مختلف
_____________________________________________________________
ماسه سنگ هوازده شده دولومیت – اهک – سنگهای گرانیت- گنیس – کوارتزیت
نوع سنگ
لای سنگ - شیل رسوبی سخت سخت - شیست
____________________________________________________
انرژی ویژه
2/11 8/16 2/25
