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                                                                                                               

هاگس در سال 1986 مدلی شبیه مدل گراهام که نیروی عمودی وارد بر برش دهنده های

 دیسکی – مقاومت فشاری تک محوره – دور – تعداد و شعاع برش دهنده ها را منظور

 می کرد ارائه کرد. این مدل تاثیرات ناپیوستگی ها را منظور نمی کرد.

 مدل ارائه شده توسط هاگس به صورت زیر می باشد و کاربرد ان در لایه های زغال

 معتبر است.

1-6                                                                                 

 که در آن:

  نرخ نفوذ بر حسب متر برساعت

  نیروی محوری وارد بر هر برش دهنده بر حسب کیلو نیوتن

  سرعت چرخش تاج حفار بر حسب

  تعداد برش دهنده های دیسکی در هر شیار

  مقاومت فشاری تک محوره بر حسب مگا پاسکال

  شعاع متوسط برش دهنده های دیسکی بر حسب متر

 ایناراتو در سال 1991 مدلی ارائه کرد که در آن با استفاده از RSR به پیش بینی نرخ نفوذ

 پرداخت . ایناراتو در مدل خود مقاومت فشاری تک محوره را به عنوان یک فاکتور مستقل

 از RSR در نظر گرفت.

 ساندین و واستد در سال 1994 مدلی را ارائه کردند که در آن از شاخص نفوذ و قابلیت حفر

 استفاده شده بود. این مدل نا پیوستگی های توده سنگ – نیروی وارد بر برش دهنده ها و

 سرعتچرخش تاج حفار را منظور می کند.                                                                                                    8

 این مدل بر مبنای سه مطالعه موردی در سوئد بر روی سنگهای دگرگونی و آذرین بدست

 آمده است.

 با توجه به مدلهای ارائه شده می توان دریافت که مدل یا روش واحدی برای پیش بینی نرخ

 نفوذ وجود ندارد. جهت مقایسه مقادیر مربوط به ویژگی های سنگ نرخ نفوذ ماشین در عمل

 و نرخ نفوذ پیش بینی شده توسط برخی مدلهای ارائه شده برای تعدادی از سنگها در جدول

 1-2 آورده شده است.

 در تمامی موارد میزان نفوذ TBM و نیروی محوری توسط گشتاور یا ظرفیت ترابری

 سیستم محدود می شود.

                     جدول 1-2: مقایسه روشهای پیش بینی نرخ نفوذ با مقادیر واقعی

______________________________________________________________

                                                                                       مقاومت سنگ

 پیش بینی نرخ نفوذ با روشهای              کارایی TBM در عمل                     

                                                                                                                  نوع سنگ

 فارمر/ گلوسپ   گراهام   هاگس            کششی برزیلی      UCS  

_______________________________________________________________

     3/6       8/2     9/2           6/7                 134           3/13        188  Falkirk Doloston

         2/5       1/3     3/3           4/10              108            13           139   Oatka Dolostone

                           9/4      7/5            10                99               8            80    Sodus Shale 

        9/5        3/4       5            8/6                141            15           128  Limest

                           7/5      8/6          4/10                98            8/6           68    Maplewood Shale

      9/6        4/3     7/3          9/7                112           1/10        130   Grimsby                                                                                                                                                     Sandstone Wet

    5/11        1/4     6/4                                                 1/6          208   Grimsby                                                                                                                                                                Sandstone Dry

     3/5        4/2       4/2           8                 145             17         237    Romeo       

                                                                                                 Dolostone

        1/7        2/3       5/3          3/9               137            1/12       168     Markgraf                                                                                                                                                            Dolostone

      7/15       1/99     5/18         6/9               33              3/1           10   Austin Chalk________________________________________________________

 مقدار پیش بینی شده نرخ نفوذ تقریبا" همیشه کمتر از آن مقداری است که در عمل بدست

 می آید. مدل فارمر – گلوسوپ مقادیر بیشتری را نسبت به دو مدل دیگر پیش بینی کرده است

 تعداد زیاد رابطه های موجود بیانگر عدم قطعیتی است که در پیش بینی   وجود دارد.

 بعضی از این روابط از با نک های اطلاعاتی محدود نتیجه شده اند و استفاده آگاهانه از آنها

 توصیه می شود. به طور کلی استفاده از چندین رابطه توصیه می شود. میزان نیروی محوری

 به دست آمده از این روابط باید حدود 20 – 15 درصد جهت تعیین نیروی محوری ماشین افزا یش داده شود.

 فصل دوم

___________

 2- آزمون مورد نیاز برای پیش بینی بهره وری

  TBM

 برداشت های زمین شناسی – نمونه گیری و آزمایش روی سنگها مبنایی برای پیش بینی بهره

 وری است. نتایج حاصل از آزمایش علاوه بر کمک به طراحی پوشش تونل پیمانکار را با

 شرایط زمین قبل از ساخت آ شنا می کند و به ان امکان تخمین هزینه و تعیین برنامه زمانی

 و انتخاب نگهداری و تجهیزات حفر مناسب را می دهد. در پروژه های حفر مکانیزه معمولا"

 10 -15 کیلو گرم از سنگهای میزبان تونل جهت آزمایش به آزمایشگاه فرستاده می شود.

 برخی از این آزمایشها عبارت اند از : آزمون تعیین تردی – آزمایش اندیس سوشار- آزمون

 سایش – آزمون پانچ و غیره که در ادامه توضیح داده می شوند.

 2-1- آزمون تعیین تردی:

 این آزمون اصولا" یک آزمون ضربه است. برای آزمایش ابتدا نمونه سنگ در یک سنگ

 شکن تا ابعاد 2/11 – 16 میلی متر خرد می شود. سپس 189 سانتی متر مکعب از سنگهای

 خرد شده ( برای چگالی 65/2 حدود 500 گرم می شود) را در ظرفی که برای این آزمایش

 طراحی شده است می ریزند( شکل 2-1 الف)                                                                                  

 شاخص تردی معادل درصد سنگی است که از سرند 2/11 میلی متر عبور می کند وقتی که

 نمونه مورد آزمایش 20 مرتبه توسط وزنه 14 کیلو گرمی از ارتفاع 25 سانتی متری تحت

 خردایش قرار می گیرد شاخص تردی را با   نمایش می دهند.

 2-2- آزمایش جی سیورز:

 این آزمون یک حفاری کوچک مقیاس است ( شکل 2-1 ب) . عرض لبه سر مته استفاده شده

 در حفاری 5/8 میلی متر و زاویه گوه آن 110 گراد می باشد . نیروی قائم وارد بر سر مته

 20 کیلو گرم نیرو است و اندیس جی سیورز برابر با نفوذ سر مته به دهم میلی متر بعد از

 200 دور چرخش آن است. این اندیس را با  نمایش می دهند.

 2-3- آزمون سا یش:

 در این آزمون سنگ خرد شده با ابعاد کمتر از یک میلی متر روی صحفه فولادی چرخان

 ریخته می شود . ( شکل 2-1 ج) و مقدار سایش  برابر با مقدار جرم کم شده از قطعه

 سخت فلزی به میلی گرم بعد از 100 دور چرخش صفحه می باشد .( زمان ازمایش 5 دقیقه

 است). قطعه فلزی تحت نیروی عمودی 10 کیلو گرم نیرو قرار دارد و طول و عرض آن

 30 و10 میلی متر می باشد. شعاع پخ شدگی گوشه ها 15 میلی متر است.

شکل2-1: الف) آزمون تردی ب) اندیس جی سیورز ج) آزمون سایش                           

 2-4- آزمون اند یس سوشار:

 مقداراندیس سوشار عبارت ا ست از قطر ناحیه سا ییده شده یک میخ فولادی به دهم میلی متر

 بعد از اینکه یک سانتی متر تحت نیروی 7 کیلو گرم روی سنگ کشیده می شود.( شکل 2-2)

 شکل2-2: آزمون اندیس سوشار

 5-2- آزمون های برش آزمایشگاهی:

 2-5-1- آزمون برش خطی:

 اگر نمونه های با اندازه کافی در دسترس باشد آزمون برش آزمایشگاهی با استفاده از ماشین

 برش خطی (LCM) صورت می گیرند( شکل 2-3)

 در این آزمون نمونه های سنگی در ابعاد سانتی متر درون بتن و در یک جعبه

 فولادی که محدودیت لازم را تامین کند قرار می گیرند و توسط یک بازوی هیدرولیکی بر

 روی برش دهنده نیرو اعما ل می شود. سرعت برش دهنده ثابت و برابر با 25 سانتی متر بر

 ثانیه است. هر ترکیبی از نفوذ و فاصله داری برش دهنده ها می تواند با این تجهیزات مورد

 بررسی قرار گیرد. بهترین ترکیب ترکیبی است که با حداقل انرژی ویژه بیشترین مقدارتراشه

 ایجاد شود. آزمون LCM از برش دهنده های با اندازه واقعی استفاده می کند و توانایی اعما ل

 دامنهای از بار گذاری و نفوذ برش دهنده که در ساختگاه اتفاق می افتد را دارد.                                                                                                            شکل2-3: دستگاه برش خطی

 ا ز آنجایی که نتایج نیازی به منظور کردن تاثیر مقیاس ندارند می توانند به طور مستقیم برای

 پیش بینی نرخ نفوذ ا ستفاده شوند. ولی تفاوت میان سنگ مورد آزمایش و توده سنگ برجا

 باعث به وجود آمدن تفاوت های در سختی نسبی میان توده سنگ و TBM می شود که باید

 در نظر گرفت. تجهیزات آزمون برش خطی در انستیو مکانیک خاک(EMI) مدرسه عالی

 معدن کلرادو موجود می باشد. این آزمون حدود 20 سال است که استفاده می شود و قابل

 اعتماد بودن نتایج آن ا ثبات شده است. این آزمون می تواند جهت بهینه کردن مطالعات نیز

 استفاده قرار گیرد. مثلا" می تواند در تعیین فاصله برش دهنده ها و هندسه آنها جهت

 دستیابی به بالاترین نرخ نفوذ استفاده شود. مواد حاصل از خردایش می تواند جمع آوری

 شده وجهت تعیین توزیع اندازه تراشه ها مورد تحلیل قرار گیرد. این اطلاعات هنگامی

 مفید است که مواد حاصل از خردایش در زیر سازی استفاده شود.

 2-5-2- آزمون برش دورانی:

 برای پروژه های بزرگ حفر تونل ی

 

تعداد صفحات:130

متن کامل را می توانید دانلود نمائید چون فقط تکه هایی از متن در این صفحه درج شده (به طور نمونه) و ممکن است به دلیل انتقال به صفحه وب بعضی کلمات و جداول و اشکال پراکنده شده یا در صفحه قرار نگرفته باشد که در فایل دانلودی متن کامل و بدون پراکندگی با فرمت وردwordکه قابل ویرایش و کپی کردن می باشند موجود است.

:: برچسب‌ها: پایان نامه عمران , پایان نامه کارشناسی عمران , پایان نامه ارشد عمران , مقاله عمران , مقاله کارشناسی عمران , مقاله ارشد عمران , تحقیق عمران , رشته عمران ,
:: بازدید از این مطلب : 25

|

امتیاز مطلب : 0

|

تعداد امتیازدهندگان : 0

|

مجموع امتیاز : 0