برآورد مشخصات و بهینه‌سازی موقعیت قرارگیری دیسک‌های محیطی در ماشین‌های تونل‌زنی سنگ‌های سخت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار؛ دانشکده‌ی مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک)، e.farrokh@aut.ac.ir

چکیده

یکی از اهداف مهم در فرایند طراحی کله حفار، جانمائی صحیح دیسکهای ناحیه محیطی است. با توجه به اینکه سطح مقطع نفوذ دیسکهای محیطی در سینه کار، کمتر از مقدار مشابه دیسکهای ناحیه میانی است، نیروی عمودی اعمال شده از طرف آنها به سینه کار کمتر است. برای جلوگیری از ایجاد پله بین این دیسکها و در نتیجه اعمال نیروهای نامتقارن به دیسکها و سازه کله حفار، لازم است که فاصله داری دیسکهای ناحیه محیطی به تدریج از ناحیه میانی به سمت محیط کله حفار کم شود تا شرایط حفاری بهینه برای این دیسکها فراهم شود. طراحی فاصله داری و زوایای قرارگیری دیسکهای محیطی به صورت تجربی انجام می شود، از این رو در برخی موارد مشاهده شده است که عدم رعایت کاهش فاصله داری، منجر به وارد شدن آسیب به سازه کله حفار شده است. در این مقاله با استفاده از اصول حفاری بهینه (بر اساس نسبت فاصله داری به نرخ نفوذ (S/p))، و با به کارگیری نسبت سطح مقطع نفوذ (نسبت سطح مقطع نفوذ دیسک ناحیه محیطی به سطح مقطع نفوذ دیسک ناحیه میانی) و سطح تماس واقعی دیسک برشی (که به صورت ترسیمی برای حالات مختلف نرخ نفوذ محاسبه شده است)، یک روش برای برآورد فاصله داری بهینه دیسکهای برشی، نیروی عمودی اعمال شده به آنها، و همچنین زوایای قرارگیری آنها ارائه شده است. این روش بر اساس یک فرایند سعی و خطا پایه ریزی شده است و مقادیر اولیه مورد نیاز در این فرایند برای پارامترهای زاویه انحراف آخرین دیسک ناحیه محیطی و زاویه بین آخرین دیسک ناحیه میانی و اولین دیسک ناحیه محیطی، بر اساس تحلیل آماری خصوصیات طراحی کله حفار تعدادی از ماشینهای تونلزنی زمینهای سخت تعیین شده است. نتایج به دست آمده از تحلیلها نشان می دهد که اختلاف سطح مقطع واقعی نفوذ با سطح مقطع تئوری نفوذ برای دیسکهای میانی در مقادیر نفوذ کم در حد چند درصد است اما در نفوذهای بیشتر از 10 میلیمتر، این اختلاف به بیشتر از 10 درصد می رسد. نتایج تحلیلها برای مقادیر نسبت سطح مقطع نفوذ نیز بیانگر این است که این نسبت در زوایای انحراف کمتر از 30 درجه به کمتر از 40 درصد می رسد. برای تشریح مراحل ارائه شده در روش بهینه سازی خصوصیات طراحی دیسکهای محیطی، یک مثال با ذکر جزئیات طراحی و نتایج نهایی آن ارائه شده است. نتایج روش ارائه شده می تواند نقش مهمی در ارتقاء روشهای تجربی طراحی جانمائی دیسکهای محیطی و بهینه سازی طراحی ماشینهای تونلزنی داشته باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Positioning the Peripheral Cutters in Hard Rock TBMs

نویسنده [English]

  • E. Farrokh
Mining Eng. Department, Amirkabir University f Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

One of the most important goals in the design process of the TBMs is to determine the proper positions of the peripheral cutters. Since the actual penetration of the peripheral cutters in the tunnel face is lower, the normal force applied by them to the tunnel face is also lower. In order to avoid ridge formation between these cuters and to avoid asymmetric forces applied to the flanks of the cutters, it is necessary to gradually reduce the cutter spacing in the peripheral area of the cutterhead. The design of the peripheral cutters’ parameters (spacing and tilt angle) are usually performed experimentally, and there is no theoretical background for it in the literature. In this paper, an empirical model is introduced to determine the optimum configuration of the peripheral cutters on the cutterhead profile. This model is developed based on the principles of the optimum excavation using the optimum ratio of spacing to penetration rate (S / p), as well as the information of design details of a number of hard rock TBMs from around the world. The results of this model provide the optimum spacing of disc cutters and their corresponding tilt angles and normal forces for the peripheral cutters.

کلیدواژه‌ها [English]

  • TBM
  • Cutterhead
  • Lace design
  • Gage cutter
Abu Bakar, M. (2012). Saturation effects on mechanical excavatability of sandrock under selected rock cutting tools. Ph.D. Thesis, Missouri University of Science and Technology, USA.
Bruland, A. (1998). Hard rock tunnel boring. Ph.D. Thesis, The Norwegian University of Science and Technology, Trondheim.
Eskikaya, S., Bilgin, N., Balci, C., & Tuncdemir, H. (2005). From research to practice: Development of Rapid Excavation Technologies. Underground Space Use: Analysis of the Past and Lessons for the Future – Erdem & Solak (eds), Taylor & Francis Group, London, 435-441.
Farrokh, E. (2013). Study of utilization factor and advance rate of hard-rock TBMs. PhD Dissertation, The Pennsylvania State University, USA.
Farrokh, E., & Kim, D.Y. (2018). A discussion on hard rock TBM cutter wear and cutterhead intervention interval length evaluation. Tunn Undergr Space Technol, 81, 336-357.
Farrokh, E., Kim, D.Y., & Kyung, S.B. (2015). Rotary cutting test for hard rock TBM Performance Evaluation. World tunneling conference, Dubrovnik, Croatia.
Farrokh, E., Rostami, J. & Laughton, C. (2012). Study of various models for estimation of penetration rate of hard rock TBMs. Tunn. Undergr. Space Technol., 30, 110-123.
Geng, Q., Wei, Z.Y., Meng, H. (2016). An experimental research on the rock cutting process of the gage cutters for rock tunnel boring machine (TBM). Tunn. Undergr. Space Technol., 52, 182–191.
Geng, Q., Wei, Z.Y., Ren, J.H. (2017). New rock material definition strategy for FEM simulation of the rock cutting process by TBM disc cutters. Tunn. Undergr. Space Technol., 65, 179–186
Gertsch, R., Gertsch L., & Rostami, J. (2007). Disc cutting tests in Colorado Red Granite: Implications for TBM performance prediction. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 44(2), 238-246.
Lislerud,  A. (1997). Principles of mechanical excavation. Tamrock Corp, POSIVA 97-12.
Ozdemir, L., Miller, R., & Wang, F.D. (1978). Mechanical tunnel boring prediction and machine design. NSF APR73- 07776-A03. Colorado School of Mines. Golden.
Rostami, J. (1993). Design optimization, performance prediction and economic analysis of tunnel boring machine for the construction of the proposed Yucca Mountain nuclear waste repository. Ms. Thesis, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, USA.
Rostami, J. (1997). Development of a force estimation model for rock fragmentation with disc cutters through theoretical modeling and physical measurement of crushed zone pressure. Dissertation, Colorado School of Mines.
Rostami, J., & Chang, S.H. (2017). A Closer Look at the Design of Cutterheads for Hard-rock Tunnel-Boring Machines, Engineering.
Roxborough, FF., & Phillips, H.R. (1975). Rock excavation by disc cutter. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 12(12), 361–366.
Tuncdemir, H., Bilgin, N., Copur, H., Balci, C. (2008). Control of rock cutting efficiency by muck size. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 45 (2), 278-288.
Zhang, Z., Zhang, K., Dong, W., Zhang, B. (2020). Study of rock‑cutting process by disc cutters in mixed ground based on three‑dimensional particle flow model. Rock Mechanics and Rock Engineering.