تحلیل نرخ نفوذ ماشین حفار تمام مقطع در شرایط سنگ سایی

تونل‌سازی مکانیزه در سنگ سخت با چالش‌ها و ریسک‌های متفاوتی همراه است که یکی از آن‌ها مساله نرخ نفوذ ماشین حفار تمام مقطع و وقوع پدیده آسیاب‌کاری و ایجاد تراشه‌های حفاری در شرایط مختلف زمین‌شناسی و ژئومکانیکی می‌باشد. در شرایطی که مقاومت سنگ زیاد و میزان درزه‌داری آن کم باشد، نرخ نفوذ ماشین کاهش یافته و به جای تشکیل تراشه‌های سنگی در سینه‌کار تونل، سنگ اصطلاحاً آسیاب می‌گردد. در این شرایط که آسیاب‌کاری نام‌گذاری شده است، تونل‌سازی با سایش و مصرف زیاد ابزار برشی و همچنین کاهش شدید راندمان عملیات حفاری همراه است. در این مقاله، مرز دو فرآیند آسیاب‌کاری و تشکیل تراشه بررسی می‌شود و معیاری برای تعیین حداقل نیروی نرمال در شرایط مختلف ژئومکانیکی که برای ایجاد تراشه لازم است ارائه می‌گردد. به این منظور، داده‌های مربوط به پروژه‌های تونل انتقال آب کرمان و تونل توسعه جنوبی خط 6 متروی تهران مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این راستا با مقایسه مقادیر نیروی نرمال وارد بر ابزارهای برشی و نرخ نفوذ حاصل، آستانه تغییر شرایط از پدیده آسیاب‌کاری به تشکیل تراشه مشخص می‌شود. نتایج حاصل نشان می‌دهد مقدار نیروی نرمال لازم که باید از سوی دیسک کاتر به توده سنگ دربرگیرنده سینه‌کار تونل اعمال شود تا حفاری در شرایط ایجاد تراشه رخ دهد برای سنگ‌هایی با مقاومت فشاری متوسط، بالا و خیلی بالا به ترتیب برابر با 130، 210 و 225 کیلونیوتن می‌باشد. همچنین با بررسی داده‌های خط 6 مترو، نقش درزه‌داری در فراهم نمودن شرایط تشکیل تراشه بررسی گردید و نتیجه حاکی از آن بود که مرز بین آسیاب کاری و تشکیل تراشه برای سنگ‌هایی با مقاومت متوسط، می‌تواند در rqd=75% باشد. همچنین مشخص گردید که با عبور نرخ نفوذ از آستانه‌ای خاص، افزایش اندکی در نیروی نرمال موجب افزایش قابل ملاحظه نرخ نفوذ می‌شود که این موضوع افزایش راندمان و کاهش هزینه‌های عملیاتی را در پی دارد.

Penetration rate analysis for tunnel boring machine in grinding conditions

Mechanized tunneling in hard rock is associated with various challenges and risks, one of which is the penetration rate of Tunnel Boring Machine and the occurrence of grinding and chipping in various conditions. When the strength of the rock is high and the amount of jointing is low, the penetration rate of the machine is reduced and instead of forming rock chips in the tunnel face. In these conditions, which is called grinding, tunneling is associated with wear and high consumption of cutting tools as well as a severe reduction in the efficiency of excavation operations. In this paper, the boundary between grinding and chipping processes is investigated and a criterion for determining the minimum normal force in different geomechanical conditions required to create chipping condition is presented. For this purpose, data related to Kerman Water Tunnel and Southern extension of Tehran Metro Line 6 tunnel are used. In this regard, by comparing the normal forces on the cutting tools and the resulting penetration rate, the threshold for changing conditions from the grinding phenomenon to chipping is determined. The results show that the amount of normal force required to be applied by the disc cutter to the rock mass to excavate under the chipping conditions for rocks with medium, high and very high uniaxial compressive strength are equal to 130, 210 and 225 kN, respectively. Moreover, by examining the data of Metro Line 6, the role of joints in providing the conditions for chips formation was investigated and the result showed that the boundary between grinding and chipping for medium strength rocks can be at RQD=75%. It was also found that with the penetration rate exceeding a certain threshold, a slight increase in normal force causes a significant increase in the penetration rate, which increases efficiency and reduces operating costs.