مطالعه آزمایشگاهی اندرکنش تیغه- سنگ در مرز لایه های سنگی در حفر تونل با ماشین تونل زنی تمام مقطع

مرز مشترک لایه‌‌های سنگی در عملیات استخراج و حفاری مکانیزه در معادن و تونل‌سازی چالش‌های مختلفی را به وجود می‌آورد و ممکن است بدون هشدار قبلی باعث بروز مشکلاتی مانند خرابی تیغه‌‌ها، لرزش ماشین و کاهش سرعت پیشروی شود. در چنین شرایطی، درک دقیق فرآیند برش و اندرکنش تیغه سنگ برای طراحی ماشین، موفقیت بسیار مهمی است. در این مطالعه، اندرکنش بین سنگ و تیغه برای اندازه‌گیری نیروهای برش در ناحیه مرزی دو لایه سنگی با استفاده از ماشین برش خطی کوچک مقیاس مجهز به تیغه دیسکی با قطر 54 میلی‌متر بررسی شد. نمونه‌های مورد مطالعه در حالت مختلط با ترکیبی از ماسه‏ سنگ با مقاومت 37 مگاپاسگال و دو نوع گچ مصنوعی با مقاومت‌های 21 و 24 مگاپاسگال تهیه شد. آزمایش‌‌ برش خطی در عمق‌های 1، 2 و 3 میلی‌متر انجام شد. نتایج آزمون‌ها نشان داد در نمونه‌های مختلط با رسیدن تیغه به مرز دو نمونه با مقاومت متفاوت، نیروهای عمودی و غلتشی دچار تغییرات شدید می‌‌شود. به‏ عنوان مثال و بر اساس شرایط آزمایشگاهی این تحقیق، نیروهای عمودی تا 2.7 برابر و نیروهای غلتشی تا 10.2 برابر نیروهای اولیه افزایش یافت. همچنین، نتایج آزمون‌های برش نشان داد که با افزایش عمق برش، اختلاف نیروها و نیز نسبت نیروهای مرزی به نیروهای برش سنگ در حالت برش غیرمختلط، در ناحیه مرزی کاهش می‌یابد. بر اساس نتایج این تحقیق، با توجه به این که در مرز نمونه مختلط، تیغه برشی الگوی متفاوتی از نیروهای برش را تجربه می‌‌کند، اهمیت انتخاب تیغه مناسب بر اساس الگوی تغییرات نیروهای مرزی در شرایط میدانی برای ماشین‌‌ تونل‌زنی تمام‌‌مقطع بیشتر می‌‌شود. همچنین مشاهده شد که این اختلاف نیروها منجر به شکل‌‌گیری نیروی ضربه در مرز تغییر لایه‌‌ سنگی می‌‌شود که این مساله در شرایط میدانی، ضرورت تعیین چقرمگی و سختی مناسب ابزار را برای به ‌‌حداقل رساندن خرابی آن‌ها در شرایط جبهه‌کار مختلط بیشتر نشان می‌‌دهد.

Laboratory study on cutting toolrock interaction at the interface of rock layers in TBM tunneling

In mechanized mining and tunneling operations, the interface of existing rock layers poses a variety of challenges including cutter failure, machine vibration, and low advance rate without prior notification. As a result, proper understanding of the cutting process and the toolrock interaction is critical for machine design in these circumstances. In this study, a labscale investigation on the interaction between rock and tool to determine the cutting forces at transition zone was carried out in mechanized excavation laboratory of Tarbiat Modares University using a smallscale linear cutting machine equipped with a disc cutter of 54 mm in diameter. Three types of samples were used in the study: sandstone with a strength of 37 MPa and two types of synthetic gypsum with strength of 21 and 24 MPa, in a mixed condition. Experiments with linear cutting machine were carried out at cutting depths of 1, 2, and 3 mm. Laboratory studies revealed that as the cutter approaches the interface between two soft and hard specimens in mixed specimens, the normal and rolling forces vary dramatically, and the difference in the ratio of forces in the transition zone diminishes as the cutting depth increases. It was also revealed that the ratio of boundary cutting forces to rock cutting forces in unmixed mode reduces as cutting depth increases. Taking into consideration the highly variation of cutting forces pattern at the interface, the importance of selecting appropriate cutters for tunneling machines and mechanical excavators increases in the field conditions. Also, it was revealed that the difference in cutting forces results in shock load at the transition zone where the cutter passing the interface of two rock layers. This shows the importance of proper design of cutter in respect of toughness and hardness and its impact in reducing cutter failure in mixed face conditions.