صفحه اصلی مقاله های بخش معدن ماشین حفر تمام مقطع تونل

ماشین حفر تمام مقطع تونل

این مورد را ارزیابی کنید
(3 رای‌ها)

 

بنام ایزد منان

 

تنظیم: سعیده عسکرزاده

93/2/24

مهندسی استخراج معدن

 

 

ماشین حفر تمام مقطع

تونل TBM


مقدمه :

در جریان توسعه و پیشرفت تونلسازی مکانیزه معلوم شد که مقاومت سنگ ، عامل محدود کننده اصلی در حفر توسط ماشین تونلسازی محسوب می شود . ابداع ماشین حفر تونل (T.B.M  ها ) که با برش -دهنده های دیسکی بنحو مناسبی تجهیز شده ، تنها پیشرفت عمده صورت گرفته در روند مکانیزاسیون تونلسازی بوده است . این ماشینها به میزان زیادی حوزه کاربرد تونلسازی برای دستیابی به نرخهای بالاتر پیشروی و همچنین در شرایط سنگی
سخت تر ، که قبلا خارج از حیطه عملکرد ماشینها بود ، را افزایش داده است .

آشنایی:

این ماشین ها ، تمام مقطع تونل های دایره ای را بطور یکجا حفر می کنند ، و با علامت اختصاری tbm که حروف اول نام انگلیسی دستگاه است نشان داده می شوند . تکامل و گسترش این دستگاه ها سبب شده است که آهنگ پیشروی تونلها در حد قابل توجهی افزایش یابد . امروزه در سنگ های سخت نیز برای حفر تونل از این ماشینها استفاده می کنند .

اولین ماشین از این نوع در سال 1880 میلادی به قطر 2.13 متر بکار گرفته شد و سرعت پیشروی آن 35 متر در هفته بود . همین نوع ماشین دو سال بعد برای حفر بخشی از یک تونل آزمایشی در کنار پروژه اصلی تونل زیر دریای مانش بکار رفت . این تونل به طول تقریبا 1600 متر در زیر دریا حفر شد که آهنگ پیشروی آن در سنگهای گچی 15 متر در روز بود .

این آزمایشهای اولیه ، توانایی ماشین برای حفر سریع تونلها را نشان داد .در واقع اولین ماشین تونل کنی واقعی از این نوع طی سالهای 1950 میلادی توسط شخصی به نام جیمز رابینز[1] در امریکا ساخته شد که قادر بود در انواع مختلفی از سنگ ها و تحت شرایط زمین شناختی متفاوت تونل حفر کند.کوششهای بعدی ، به منظور ساخت ماشینهای تمام مقطعی بود که در شرایط سخت زمین شناختی ، قادر به حفر تونل باشد که آهنگ پیشرفت و تکامل در این زمینه در مقایسه با پیشرفتهای اولیه این ماشین ها محدودتر است . در واقع شروع اصلی این تحقیقات ، کوششهای رابینز[2] درسال 1957 برای ساخت ماشینهایی بود که بتوانند در سنگهای

 خیلی سخت نیز با راندمان معقول ، تونل حفر کند .

 

 

 

شکل-1-  TBMبزرگ استفاده شده در حفاری کوه یوکا[3]

1- قسمتهای مختلف tbm:

صرفنظر از مدل و سیستم ماشین ، در تمامی آنها قسمتهای اصلی به شرح زیر وجود دارد .

 

 

                                                               شکل-2- قسمتهای مختلف  TBM

-1-1- بدنه[4] :

بدنه ماشین محور اصلی دستگاه را تشکیل می دهد که تمام قسمتها مثل صفحه حفار ، الکتروموتورها ، سیستم هیدرولیک و نظایر آنها بر روی آن نصب شده اند . بسته به نوع ماشین ، اجزای بدنه متفاوت است ولی در حالت کلی ، از مجموعه ای از اجزای فولادی تشکیل شده است . موتورهای محرکه دستگاه ، انرژی لازم برای چرخش صفحه حفار را تأمین میکنند . البته بین الکتروموتور اصلی و صفحه حفار ، سیستم جعبه دنده وجود دارد که به کمک آن می توان سرعتها و گشتاورهای مختلفی را برای صفحه حفار تأمین کرد .

در بعضی از ماشینها الکتروموتور  ، مجاور صفحه حفار است و تعدادی دیگر ، موتور محرکه در عقب دستگاه قرار دارد و حرکت چرخشی بوسیله محوری که در امتداد محور ماشین تعبیه شده است ، به صفحه حفار منتقل می شود .

-1-2- صفحه حفار[5] :

مهمترین قسمت دستگاه صفحه حفار آن است که در جلو دستگاه قرار دارد . این صفحه که عمومأ دایره ای شکل است ، حول محور خود که منطبق بر محور دستگاه و محور تونل است می چرخد . ابزار حفاری بر روی این صفحه نصب می شوند .

شكل -3- صفحه حفار ماشین تمام مقطع ساخت کارخانه آلپاین[6]

صفحه حفار ممکن است مسطح یا کمی مخروطی و به شکل صفحه پر ، یا به صورت ستاره مرکب از بازوهای فلزی باشد . گاهی نیز  صفحه حفار ، مرکب از تعدادی صفحه کوچکتر دایره ای (چرخک ) است که بر روی هر یک از آنها ابزار  حفاری نصب شده است و این صفحات کوچک به طور مجزا می چرخند و مقطع تونل به کمک مجموعه آنها حفر می شوند .

 

 

شكل -4- صفحه حفار ستاره ای

-1-3- ابزار برش[7] :

ابزار برش بر روی صفحه حفار نصب می شوند و حفر سنگ در واقع به کمک این ابزار انجام می گیرد .بسته به نوع زمینی که باید حفر شود ابزار برش متفاوت است ، که در حالت کلی به چهار دسته تقسیم می شوند :

   - ابزار برش برای حفر زمینهای نرم

  - ابزار برش برای حفر سنگهای نرم

- ابزار برش برای حفر سنگهای متوسط

- ابزار برش برای حفر سنگهای محکم و سخت

 

به هر حال ، ابزار برش مناسب برای هر یک از رده های یاد شده متفاوت است که در زیر به شرح آنها می پردازیم :

الفابزار برش برای ماشینهای مخصوص زمینهای نرم :

در بعضی از ماشینهای مربوط به زمینهای نرم ، ابزار برش ناخنهای فلزی اسکنه مانند و نوک تیزی هستند که بر صفحه حفار نصب می شوند . این ناخنها انواع مختلفی دارند و هر کارخانه شکل ویژه خود را می سازد . در حالت کلی این ناخنها قابل تعویض اند و نوک آنها از جنس مواد سخت ساخته شده است . بطوریکه دیده می شود این ابزار شبیه ابزاری است که در تراش فلزات بکار می رود و ضمن حرکت این ناخنها بر سنگ زمین را می خراشند . با توجه به گرمایی که در اثر اصطحکاک این ابزار با سنگ ایجاد می شود اصولأ کاربرد این ابزار محدود شده است .

جدول -1- جدول رده بندی سنگها بر اساس قابلیت حفاری به وسیله ماشینهای تونل کنی

رده بندی

مقاومت فشاری

تک محوری بار

                         نوع سنگ

زمین نرم

 

رس ، سیلت و شن سیمانی نشده ، مارن

سنگ نرم

کمتر از 550

شیل ، توف ، سنگ رس ، ماسه سنگ

سنگ نیمه سخت

550 تا 1700

بعضی از انواع بازالت ، گرانیت و آندوزیت .انواع متوسط ماسه سنگ ، آهک ، دولومیت ، چاک ، ریولیت ، گنایس و شیست

سنگ سخت

بیش از 1700

بعضی از انواع بازالت ، گرانیت و آندوزیت . ماسه سنگ و آهکی که به خوبی سیمانی شده اند . مرمر ، چرت ، دیوریت ، کوارتزیت و آرژنیت

 

 

ب ابزار برش برای ماشینهای حفر سنگ :

بسته به سختی سنگ ، ابزار برش متفاوتی در ماشینهای مربوطه بکار می رود که متداولترین آنها در شکل زیر آمده است . این ابزار را می توان به دو گروه کلی دیسکها و غلتکها تقسیم کرد .

اول- دیسکها[8] :

از جمله مهمترین ابزار برش این ماشینها دیسکها هستند که به طور موفقیت آمیزی برای حفر سنگهای نرم و متوسط بکار می روند این ابزار از دیسک تیز تشکیل شده است که حول محور خود قادر به چرخش است و به آرایه های مختلفی در صفحه حفار نصب می شود . لبه تیز دیسک قابل تعویض است ومعمولأ آنرا از فولاد سخت شده و یا کاربید تنگستن می سازند . دیسک ممکن است به صورت مجزا بر روی صفحه حفار نصب شود و یا اینکه مجموعه چندتایی از آنها یک دیسک مرکب را تشکیل دهند که محور مشترک دارند .

 

 

 

 

شكل -5-  نمای سرهای دیسک دوار از جلوی TBM

 

دیسکها برای حفر سنگهایی با مقاومت تا    1700 bar بسیار مناسباند اما اگر سختی و قابلیت سایش سنگ زیاد باشد ، در سنگهایی که مقاومت آنها به مراتب کمتر از این حد هستند نیز کارایی ندارند . در سالهای اخیر ، لبه تیز دیسکها را از جنس کاربید تنگستن می سازند که این امر سبب می شود که این ابزار در سنگهای سخت تر نیز کارایی خوبی داشته باشند .

دوم - غلتکها

نوع دیگری از این ابزار برش که در ماشینهای حفر سنگ بکار می روند ، غلتکها هستند . این ابزار بر روی سنگ می غلتند وبا توجه به فشاری که در محل تماس ابزار با سنگ بر آن اعمال می کنند ، سبب خرد شدن سنگ
می شوند .

غلتکها خود به دو گروه تقسیم می شوند و تفاوت آنها در دندانه های دستگاه است که در نوع اول از جنس فولاد آبدیده و در نوع دوم از جنس کاربید تنگستن است .

نوع اول با انجام عملیات حرارتی بر روی فولادهای آلیاژی تولید می شود و آنها را در سطح خارجی غلتک که معمولأ مخروطی شکل است ، نصب می کنند .

در مواردی که سنگها به گونه ای باشد که دندانه های فولادی کارایی لازم را نداشته باشند ، از دندانه های کاربید تنگستن استفاده می کنند . سطح حفار این دندانه ها با کاربید تنگستن  پوشیده شده است . شکل دندانه ها نیز متفاوت می باشد ، بعضی از آنها به حالت اسکنه معمولی هستند و انواع دیگر ، سر گرد مخروطی شکل دارند که زاویه راُس مخروطی بین 60 تا 120 درجه تغییر می کند . گاهی نیز دندانه ها به شکل نیمکره اند و به حال انتخاب نوع دندانه ها تابع وضعیت سنگ و سختی آن است .

دندانه های کاربید تنگستن معمولأ با مکانیسم پودر کردن ، سنگ را حفر می کنند و مکانیسم تراشه برداری از سنگ در مورد آنها ، اهمیت چندانی ندارد . گرچه این دندانه ها قادرند سنگهای با مقاومت بیشتر را حفر کنند اما در عین حال گرانند و سرعت نفوذ آنها پایین است و نرمه زیادی تولید می کنند .

-2- آرایه های ابزار برش در صفحه حفار :

در ماشینهای تونل کنی مخصوص زمین های نرم ، معمولأ فقط از یک نوع ابزار برش استفاده می شود اما در مورد ماشینهایی که در سنگ کار می کنند ، امکان دارد که در یک ماشین ، از ابزار برش متفاوتی استفاده شود .

به طور کلی ، ابزار برش را که بر صفحه حفار نصب می شوند ، به سه گروه مرکزی ، میانی و محیطی تقسیم
می کنند و هر یک از این ابزار با توجه به وظیفه ای که در حفر جبهه کار تونل به عهده دارند انتخاب می شوند .

 

 

شكل -6- آرایه های  ابزارر برشی که بر روی صفحه حفار ماشین نصب شده است

الف ابزار برش مرکزی[9] :

این ابزار ، وظیفه حفر مرکز جبهه کار را به عنوان بخش حفاری پیشاهنگ به عهده دارند و معمولأ مرکب از یک یا چند ابزار برش غلتکی هستند . علت آن است که تا قبل از برش حفره مرکزی جبهه کار ، ابزار برش دیسکی نمی توانند به خوبی عمل برش سنگ را انجام دهند . در حقیقت وظیفه ابزار برش مرکزی ، حفر مرکزی و آماده سازی جبهه کار برای سایر ابزار برش است .

ب ابزار برش میانی[10] :

این ابزار در واقع بدنه اصلی سیستم حفاری دستگاه را تشکیل می دهند وحفر بخش عمده ای از سطح جبهه کار ، به عهده آنهاست ، بسته به جنس و سختی سنگ جبهه کار ، این ابزار از نوع دیسکی یا غلتکی انتخاب می شوند .در

مواردی که ماشین برای حفر زمینهای نرم طراحی می شود ، به جای انواع دیسکس یا غلتکی ، از دندانه های حفار استفاده می کنند . این ابزار به حالت عمود بر صفحه حفار ، نصب می شوند .

ج ابزار برش محیطی[11] :          

این ابزار در محیط صفحه حفار نصب می شوند و وظیفه آنها برش سطح جانبی تونل و حفظ شکل آن است . این ابزار نیز معمولأ از نوع دیسکی یا غلتکی هستند . برای اینکه خلاصی لازم بین لبه خارجی این ابزار و سطح تونل تأمین شود ، معمولأ این ابزار را کمی به حالت مایل نصب می کنند و بنابراین سطح آنها عمود بر سطح جبهه کار نیست . این امر سبب می شود که فرسایش این ابزار ، بیش از فرسایش سایر ابزار برش باشد . به همین جهت آنها را از فولادهای آلیاژی ویژه و یا کاربید تنگستن های مقاوم تر می سازند .

تعداد کل ابزار برش لازم برای صفحه حفار ، تابع قطر ماشین است و با افزایش قطر ، افزایش می یابد . به عنوان مثال ، تعداد ابزار برش در یک ماشین به قطر 4 متر 25 عدد و در مورد ماشینی به قطر 8 متر ، 50 عدد می باشد .

 

 

 

 

 

 

شكل -7- آرایه ابزار برش در ماشین ساخت کارخانه رابینز به قطر 5 متر

 

-3- چنگ زن ها :

برای اینکه دستگاه بتواند به کمک جکهای جلو برنده به جلو حرکت کند ، باید بتواند به جایی تکیه کند و اگر پوشش اصلی تونل در پشت دستگاه استحکام کافی نداشته باشد ، نمی توان جکهای طولی را به این پوشش ها تکیه داد و به کمک آنها دستگاه را جلو برد . این جکها در پیرامون دستگاه و به موازات محور آن تعبیه می شوند و تعداد آن ها به گونه ای است که فشار یکنواختی را به سیستم آن بخش از تونل که در پشت دستگاه قرار دارد ، منتقل
می کنند .                                            

در حالت کلی ، سیستم نگهداری موقت تونل در پشت دستگاه ، امکان ارائه چنین سیستمی را ندارد و بنابراین در پیرامون ماشین و به حالت عمود بر محور آن ، تعدادی جک تعبیه می کنند که دو به دو در امتداد هم قرار دارند وبه نام چنگ زن معروفند . در هر ماشین معمولأ دو سری چنگ زن در جلو و عقب دستگاه تعبیه می شوند . به ترتیبی که خواهیم دید ، پس از آنکه چنگ زن ها به دیواره تونل متکی شدند ، صفحه حفار دستگاه به وسیله جکهای رانش به تدریج به جلو رانده می شوند . در انتهای جکهای چنگ زن ، صفحات فلزی موقتی شکل نصب می کنند تا فشار وارد بر دیواره تونل کم شود و در آن فرورفتگی ایجاد نشود . حداکثر فشار مجاز در این حالت بین 1/ 0 تا 2/0 مگا پاسکال است . جکهای جلوبرنده دستگاه به این چنگ زن ها متصل اند .

-4- جک های رانش صفحه حفار[12] :

جکهای رانش از یک سو به چنگ زن ها و از سوی دیگر به صفحه حفار متکی هستند و وظیفه رانش این صفحه به جلو را ، به عهده دارند تعداد این جکها در دستگاههای مختلف متفاوت و معمولأ 5 عدد است .

-5- سیستم بارگیری و تخلیه مواد حفر شده[13] :

قطعات سنگها و موادی که بوسیله صفحه حفار از جبهه کار کنده می شوند ، باید از محل جبهه کار به پشت ماشین منتقل شوند تا دستگاه بتواند به حفاری خود ادامه دهد . اگر سیستم دفع مواد متناسب با ماشین نباشد ، آهنگ پیشروی ماشین ، علیرغم ظرفیت بالای آن محدود به توانایی ماشین در دفع مواد خواهد شد . بنابراین ، مواد حفر شده باید بلافاصله به پشت دستگاه منتقل شده و در آنجا به داخل نوار نقاله یا واگنهایی که مواد را به بیرون تونل حمل می کنند تخلیه شوند .

در بسیاری موارد ، در محیط صفحه حفار ، سطل هایی تعبیه می شود که مواد حفاری شده به داخل آنها ریخته شده و از درون این سطلها بر روی نوار نقاله ای که از بدنه دستگاه می گذرد تخلیه می شوند . سرعت چرخش سطلها باید به گونه ای باشد که موادی که در آنها می ریزند به آسانی تخلیه شوند و نیروی گریز از مرکز مانع تخلیه آنها نشود .

 

-6-  بازوی نصاب[14] :

در اغلب ماشینها ، یک بازوی هیدرولیکی تعبیه شده است که به کمک آن می توان قطعات بتنی یا فلزی را که برای نگهداری تونل بکار می رود ، در جای خود نصب کرد .

-7- عملکرد TBM ها در سنگ :

شرایط اجرائی تونلسازی بر مبنای نرخ پیشروی تحت تاثیر عوامل متعددی در شرایط سنگی مختلف و بویژه قابلیت TBM قرار دارد . عوامل مهم دیگر قطر تونل حفر شده ، طبیعت و شرایط زمین و بالاخص وجود بهم ریختگی یا زمینهای تحت تنش بالا و وجود آب زیرزمینی می باشند . عوامل زیادی علاوه بر تعمیر و نگهداری و جنبه های اجرائی کلی ، بر زمان برش ماشین تاثیر دارند که همه اینها بر عملکرد کلی TBM اثر دارند .آقای Parkers عوامل موثر بر عملکرد TBM را به 5 دسته تقسیم کرده و آنها را در جدول صفحه بعد آورده است . Parkers با توجه به اطلاعات مربوط به عملکرد TBM  ها در 10 کشور مختلف ، پیشنهادات زیر را ارائه داده است :

1- بر اهمیت و توجه به بررسیهای اولیه زمین شناختی بیشتر و گسترده تر تاکید شود و بویژه منافع و اثراتی که چنین مطالعاتی بر بهبود عملکرد TBM ها دارند ، بایستی بیشتر شناسانده شوند و بر آن تاکید گردد .

 

جدول -2- عوامل موثر بر عملکرد TBM و نرخهای بالقوه تونلسازی

بر مبنای مطالعات صورت گرفته در 65 تونل در آمریکا ، اروپا ، استرالیا ، و آفریقای جنوبی ، مهمترین عامل موثر در نرخ پیشروی TBM ، قطر تونل است .

جدول -3- بهترين نرخ پيشروي TBM

                                         

 

 

 

 

 

 

2- توجه بیشتری برای یافتن تکنیکهای بررسی مقدماتی زمین شناسی هم قبل از احداث تونل و هم در جریان حفر و احداث تونلهای پیشرو بایستی مبذول شود .

3- تلاش بیشتری جهت کاستن از زمان بیکاری TBM باید انجام شود .

4-قابلیت کار ماشین برای دامنه گسترده تری از شرایط زمین بویژه قابلیت کار آن در شرایط زمینهای نا پایدار بایستی از طریق توسعه و پیشرفت بیشتر ماشین افزایش یابد .

یک جنبه مهم موثر بر نرخ نفوذ TBM ، نوع سنگ است که در ارتباط با مقاومت سنگ می باشد .

-8- نحوه کار ماشین:

-8-1- عمل حفر :

به طور کلی مراحل حفاری ماشین را به چهار مرحله می توان تقسیم کرد :

الف ) مرحله اول استقرار دستگاه :

 در این مرحله ، ماشین در جلو جبهه کار تونل مستقر می شود . چنگ زنهای جلو و عقب که تعدادشان معمولأ 8 تا است ، باز می شوند و به دیواره تونل گیر می کنند .در این حالت جک عقب دستگاه آزاد است . صفحه حفار که به ابزار برش مناسب مجهز شده است ، با سرعت ثابت می چرخد و جبهه کار تونل را حفر می کند . در این حالت جکهای رانش به صفحه حفار فشار وارد می کنند و آنرا به جلو می رانند

ب ) مرحله دوم انجام چرخه حفاری :

در این مرحله عمل حفاری ادامه می یابد و صفحه حفار به جلو رانده می شود تا اینکه جکهای رانش تا آخر باز شوند . میزان پیشروی در هر نوبت در دستگاه های مختلف  متفاوت است  و بین  3/0 تا  2 متر تغییر می کند . در

 این حالت قسمت عقبی دستگاه به وسیله جکهای ویژه به جلو کشیده می شود جکهای گیرش عقبی آزادند .

ج) مرحله سوم استقرار مجدد ماشین :

در این مرحله ، جکهای گیرش عقبی دستگاه باز می شوند و به کف تونل گیر می کنند . صفحه حفار نیز به آهستگی می چرخد تا یکی از بازوهای نگهدارنده آن به حالت قائم قرار گیرد . و در این حالت این بازوی هیدرولیکی باز می شود و به کف تونل تکیه می کند . سپس چنگ زنها جمع می شوند و در این حالت وزن دستگاه بوسیله جک گیرش عقبی وبازوی نگهدارنده صفحه حفار تحمل می شود .

 

د ) مرحله چهارم جلورفتن ماشین :

در این مرحله ، با جمع شدن جکهای رانش صفحه حفار ماشین به جلو کشیده می شود . پس از جلورفتن دستگاه ف چنگ زن ها مجددأ باز می شوند و به دیواره تونل گیر می کنند . پس از استقرار چنگ زنها ، جکهای گیرش عقبی و بازوی نگهدارنده صفحه حفار جمع می شوند و بدین ترتیب ماشین برای شروع مجدد حفاری آماده می شود .

-8-2- تخلیه مواد :

 همانگونه که گفتیم ، مواد حفر شده بوسیله سیستم ویژه ای که معمولأ مرکب از سطلهای تعبیه شده در پیرامون صفحه حفار است ، از جلو جبهه کار جمع آوری شده و به داخل نوار نقاله ای که از داخل دستگاه می گذرد ، به پشت ماشین هدایت می شود . گرچه معمولأ محدودیتی برای ابعاد مواد حفر شده و انتقال آنها وجود ندارد ،اما اگر ابعاد قطعات حفر شده خیلی بزرگ باشد ، ممکن است گیر کنند و عمل انتقال مواد را متوقف سازند .

از سوی دیگر ، مواد خیلی نرم نیز علاوه بر مشکل تهویه ممکن است مخلوطی را تولید کنند که به شدت ساینده باشند . در بعضی از ماشینها در مجاورت صفحه حفار ، پرده هایی تعبیه می شود که گرد و غبار را می گیرد ، این ذرات ، در اثر اسپری آب جدا می شوند .

-8-3- تعویض ابزار برش :

ابزار برش ، به هر حال عمر مفید معینی دارند و هر چند وقت یکبار باید آنها را تعویض کرد . در اولین ماشینها ، تعویض ابزار برش فقط از طرف جلو ماشین امکان پذیر بود و این کار مشکلات زیادی داشت زیرا دسترسی به جلو ماشین آسان نبود و بدین منظور می بایست تمام ماشین مقداری به عقب کشیده شود تا بتوان عمل تعویض را انجام داد .

در ماشین های جدید ، تعویض ابزار برش از پشت صفحه حفار ماشین انجام می گیرد که کار ساده ای است و نیازی به عقب کشیدن ماشین ندارد .

 

 

-8-4 - نگهداری تونل :

 برای اینکه ماشین بتواند به طور مداوم پیشروی کند ، می بایست بخش حفاری شده تونل در پشت ماشین بلافاصله نگهداری شود . البته طراحی سیستم نگهداری و مسایل فنی مربوط به آن خود مبحث جداگانه ای است که مجال پرداختن به آن در اینجا نمی باشد . اما به منظور آشنایی با چگونگی نگهداری تونلها در اینجا به شرح سیستم نگهداری یکی از تونلهای مترو در پاریس می پردازیم :

  قطر این تونل 7 متر بود که با ماشین T.B.M  ساخت کارخانه رابینز به قطر 7 متر ، طول 16 متر و وزن آن 270 تن ، حفر شد .

با توجه به وجود آب در این تونل ، برای رفع گل و لای در کف تونل و آماده سازی کف برای حرکت قطارهایی که حمل مواد حفر شده را به عهده داشتند ، بلافاصله در پشت ماشین ، قطعاتی از بتن مسلح پیش ساخته به طول 1 متر موسوم به کف بند نصب می شد که جزئی از حلقه نگهدارنده دایره ای شکل تونل را تشکیل می دادند . بر روی این کف بند ، ریل گذاری می شد تا امکان رفت و آمد قطارها فراهم شود .

   برای جلوگیری از ریزش تونل در محلی که ماشین مشغول کار بود ، بسته به مورد ، بلافاصله پشت سر صفحه حفار و یا در محل چنگ زنها ، حائل بندی می شد که این حائل بندیها عبارت از قابهای فلزی پیش ساخته ای بودند که به فاصله یک متری هم نصب می شدند که این فاصله در واقع میزان پیشروی ماشین در هر چرخه حفاری بود . این کار به کمک جکهای 40 تنی انجام می گرفت و در حالی که قاب به سقف تونل فشرده شده بود ، در جای خود محکم می شد . پس از نصب قابهای فلزی ، در پشت آنها صفحات فولادی موجدار نصب می کردند که این کار به کمک دستگاه ویژه ای موسوم به ارابه جاگذاری انجام می گرفت . این صفحات فلزی موجدار به هنگام بتن ریزی دیواره اصلی تونل بر جا می ماند ولی در مواردی که زمین محکم بود ، قابهای فلزی را باز می کردند تا مجددأ در جای دیگر از آنها استفاده شود .

پس از آنکه تونل 10 تا 20 متر پیشروی می کرد ، در این قسمت ، سیستم نگهداری دائمی تونل مرکب از دیواره سازی بتنی به ضخامت 35 سانتیمتر اجرا می شد و بخش کف بند که قبلأ نصب شده بود ، قسمتی از دیواره را تشکیل می داد .

-9- تجزیه و تحلیل تئوریکی نیروهای دیسک:

عملکرد یک برش دهنده دیسکی را می توان توسط پارامترهای زیر نشان داد :

1-  نیروی محوری (Ft) : متوسط نیروی اعمالی عمود بر جهت نیروی غلتش که برای نگهداشتن دیسک در عمق مورد نیاز نفوذ لازم است


(3-1)                                                

(3-2)                                                

با ترکیب معادلات 3-1 و3-2 و تنش مربوطه به نیرو خواهیم داشت :

(3-3)                                                     

 

که : L    : طول وتر قوس تماس                     : زاویه لبه دیسک

         D :قطر دیسک                              =مقاومت فشاری تک محوره سنگ

         P : عمق نفوذ دیسک                        Ft :نیروی فشاری محوری

         A:سطح تماس دیسک تصویر شده

رابطه 3-3 بر این فرض استوار است که مقاومت فشاری سنگ ، مقاومت نفوذ را تعیین می کند . فرض دیگر در این تحلیل این است که نیروی محوری (Ft) در زمان غلتیدن دیسک ثابت باقی می ماند . شکل 3-3(ب) نیروی غلتشی (Fr) و شرط برش دیسک فرض شده برای این تحلیل نشان داده شده است .

    (3-5) 

    (3-6)                                                                                                        

با ترکیب معادلات 3-5 و 3-6 نتیجه می شود که :

(3-7)                               

2- نیروی غلتش (Fr):نیروی متوسط اعمال شده در جهت برش و نیروئی است که موجب غلتش دیسک در عمق نفوذ مورد نیاز می شود .

3- بار (Q) : حجم سنگ حفر شده با برش دهنده دیسکی که بر حسب فاصله برش بیان می شود .

4-انرژی ویژه (SE): کار انجام شده برای برش واحد حجم سنگ با برش دهنده دیسکی .

-10- طرح و عمل TBM :

بهبود و افزایش عملکرد : کاربرد رو بتزاید TBM ها جهت حفر سنگهای آذرین و دگرگونی با مقاومت بالا و ویژگیهای سایندگی ایجاب نمود که تلاش تحقیقاتی گسترده ای برای یافتن راههائی جهت بهبود عملکرد چنین ماشینهائی صورت گیرد . بهبود عملکرد TBM در سنگهای سخت و افزایش قابلیت حفر تونلهائی با قطر بزرگتر با نرخهای بالاتر حفر ، موجب افزایش انرژی مصرفی آنها شده است . آبفشان در عملکرد برشی دیسک بهبود قابل ملاحظه ای ایجاد کرد و به عنوان روشی که بهبود عمده ای در فرآیند حفر و برش ایجاد کرده مطرح است . این بهبود بطور خاص به کمکی که آبفشان در تمیز کردن مسیر برش ، برش دهنده دیسکی میکند ، مربوط است . تاثیرات دیگری که استفاده از آبفشانها در بهبود عملکرد برش دارند ناشی از موارد زیر می باشد :

1- کاهش نیروهای اعمالی برای برش در برش دهنده ها

2-افزایش عمر برش دهنده ها ناشی از خنک کردن آنها

3- کاهش میزان گرد و غبار تولیدی علاوه بر بالابودن توان انتقال مواد کنده شده .

در تلاش برای یافتن روشی جهت بهبود عملکرد TBM ها ، یکی از موثرترین روشها ارزیابی دقیق عملکرد حفر پیش بینی شده در شرایط سنگی است که تونلسازی قرار است در آن انجام گیرد . آگاهی دقیقتر از شکلها و حالتهای اجرائی مورد انتظار مبنائی برای قضاوت در مورد تحقیق پیش بینی های بعدی به دست می دهد . این آگاهی ها بویژه در مورد تعیین نوع برش دهنده و ترتیب قرار گیری و آرایش بهینه آنها بر روی پیشانی برشی موثر است . متغیرهای مهم متعدد دیگری وجود دارند که تغییر آنها می تواند منجر به بهبود عملکرد حفر شود ، ولی از آنجائی که کنترل و هماهنگی چنین تغییراتی مشکل است ، اقدام به چنین تغییراتی می تواند منجر به بدتر شدن عملکرد حفر گردد .

جمع بندی و ملاحظات نهائی  : فرآیند حفر تونل در 30 تا 40 ساله اخیر تغییرات عمده ای را شاهد بوده است و بدون شک مهمترین تغییر ابداع و معرفی ماشینهای حفر تونل (TBM) با قابلیت حفر در سنگهای سست و با قطرهای بالای 11 متر بوده است . این ماشینها امکان حفر تونلهای طویلتر و بزرگتر و با زمان کمتر را میسر
ساخته اند.  ملاحظات ذیل مهمترین ویژگیهای چنین ماشینهائی را برای حفر تونل بیان می دارد :

1-اندازه تونل و قابلیت تغییر :TBM  ها امکان حفر تونل در مقیاسهای جالب توجهی را فراهم آورده اند . در سالهای 1963 تا 1964 ،TBM رابینز با قطر 11.18 متر ، فشار محوری 273 تن و توان 746 کیلو وات پیشانی برشی به نحو موفقیت آمیزی در حفر 5 تونل که هر کدام 503 متر طول داشتند ، بکار گرفته شد . شرایط سنگی تونلها ماسه سنگ و رس همراه با میان لایه های از ماسه سنگ سخت و سنگ آهک بود . این ماشین اصلاح شد و با قطر 10.34 متر برای حفرتونل دوبانده ای در زیر رودخانه و در ماسه سنگ ها چندین گسل آن را قطع کرده بودند ، بکار گرفته شد . این مثال نه تنها به منظور نشان دادن قابلیت حفر قطر های بزرگ تونلی برای TBM بلکه برای بیان قابلیت تغییر پذیری آن برای اصلاح و تطبیق با سایر شرایط ارائه شده است .

2-شرایط سنگ سخت :  انواع سنگهای سخت نظیر سرپانتین ،سنگ سبز ، چرت و برش توسط JARVA TBM یا برش دهنده های 3 دیسکه با دانه های کاربید تنگستنی ، قطر 6.10 ، فشار محوری 1000 تن و توان مصرفی پیشانی برشی 615 کیلو وات حفر شده اند . نرخهای نفوذ بالای 1.5 متر در ساعت با نرخ حداکثر 32.9 متر در روز و 111 متر در هفته با این ماشین بدست آمده است .

3-بهبود عملکرد حفر : بهترین رقمهای پیشروی برای یکی از 2 TBM بکار گرفته شده در یک تونل مشخص (تونل انحرافی نیروگاه برقی Vinstra) در نروژبا طول 17 کیلومتر) بطور متوسط m/week167 و در بهترین هفته به m/week  275  و نرخ متوسط نفوذ m/h  3  دست یافت . بوضوح مشاهده می شود که نرخ حفر از مقادیر پیش بینی شده ، بیشتر بوده است . در روش حفر با TBM نیاز به وسائل نگهداری کمتری است . در مناطق گسله به منظور کنترل موثر باید زمین را به نحو مکفی نگهداری کرد که این کار با استفاده از قابهای فولادی قوسی ، توری فولادی ، و پیچ سنگ صورت می گیرد .

ماشین های کوچک و جمع و جور : طراحی TBM های کوچک و جمع و جور حوزه کاربردهای آتی این
ماشین ها را افزایش خواهد داد . یک گام عمده در این راستا توسط SYNDER  صورت گرفته است که TBM  جمع و جوری با قطر 4.87 و قابلیت حفر تونلهائی با شعاع قوس 12.2 متر با دیوارگیرهای افقی یا قائم ساخته است . ماهیت جمع و جور بودن این نوع TBM ، نه تنها آن را  از نظر طولی کوتاهتر می سازد ، بلکه وزن را سبکتر ، قابلیت مانور را بیشتر و شعاع چرخش را  کوچکتر می کند . این نوع ماشین قابلیت تغییر پذیری و انعطاف پذیری برای عملیت در دامنه گسترده ای از شرایط زمین را دارا است .

4- دامنه گسترده کاربرد : اطلاعات موجود در حال حاضر بیانگر کاربرد و عملکرد TBM  در دامنه گسترده ای از انواع سنگهاست . چنین ماشینهائی را نمی توان برای کار در انواع مختلف شرایط سنگی طراحی کرد ، در عین حال شرایط عملکرد و اجرائی را نیز می توان با دقت خوبی پیش بینی نمود .

5- انتخاب پیشانی برشی : طرح پیشانی برشی و انتخاب برش دهنده ها جهت دستیابی به نرخهای اجرائی  حفر پیش بینی ، هنوز زمینه ای است که نیاز به بررسی و ارزیابی دقیق دارد . اطلاعات و آگاهیهای تفصیلی از شرایط سنگی که تونل در آن حفر می شود ، می تواند به میزان زیادی در انتخاب صحیح پیشانی برشی ، نوع برش دهنده و آرایش آنها در پیشانی برشی کمک کند .

6- برش دهنده های دیسکی : گسترش دامنه کاربرد TBM  ها برای انواع سنگهای سخت تر و دستیابی به نرخهای بالاتر حفر تونل هنوز نیاز به توسعه ، کارهای تجربی و تحقیقات در زمینه عملکرد برش دهنده ها دارد . نظرات زیر در مورد عملکرد برش دهنده های دیسکی ارائه شده است .

الف – افزایش نظر دیسک بنحو زوبتزایدی فشار محوری را بالاتر برد ولی در نیروی غلتشی تغییر عمده -ای ایجاد نمی کند . با افزایش قطر دیسک ، انرژی ویژه و بار ( حجم سنگ کنده ششده در واحد طول تونل ،معمولا مترمکعب بر کیلومتر ) تغییر عمده ای را متحمل نمی شوند .

ب- با افزایش عمق نفوذ دیسک ، نیروی محوری و غلتشی بطور مشابه افزایش نشان می دهند . انرژی ویژه به نحو قابل توجهی کاهش می یابد و بار سنگ خرد شده در عمقهای بالا تر نفوذ و افزایش میابد.

ج- هر چه زاویه لبه دیسک افزایش می یابد نیروی محوری بطور مشابه افزایش می یابد ، ولی نیروی غلتشی بطور جزئی تحت تاثیر قرار می گیرد .

د-برای سرعتهای برشی دیسک بالای حدود 200 میلیمتر در ثانیه ، نیروهای غلتشی و محوری و انرژی ویژه و بار سنگ خرد شده تغییر عمده ای نشان نمی دهند .

7- قابل اعتماد بودن TBM ها : حفر تونل توسط TBM یک روش با اعتماد بالائی برای حفاری است . انتخاب نوع TBM ، نیروی محوری و طرح پیشانی برشی ، عوامل اصلی و حیاتی هستند که مستلزم ارزیابی و بررسی دقیق در ارتباط با نوع سنگ و محیط زمین شناسی ای که ماشین در آن عمل می کند ، می باشند . TBM را می توان برای حفر در بیشتر شرایط زمین شناختی انتخاب کرد و اطلاعات کافی از عملکرد TBM  در انواع سنگها و ویژگیهای اجرائی آنها در انواع سنگها موجود می باشد .

پیشرفتهای قابل توجهی در زمینه حفر چاه با استفاده از پیشانهای برشی مجهز به برش دهنده های  دیسکی و بویژه با ماشینهای حفر چاه TITAN در انگلستان که بیشترشان با قطر 2.44 متر و بزرگترین آنها با قطر حفر شده اند ، صورت گرفته است . 



[1] James Robbins

[2]  Robbins

[3] Yucca Mountain

[4] Machine body

[5] Cutter head

[6] Alpine

[7] Cutting tools

[8] Disc cutter

[9] Center cutters

[10] Face cutters

[11] Gauge cutters

[12] Thrust jacks

[13] Mucking system

[14] erector

 

خواندن 1663 دفعه آخرین ویرایش در سه شنبه, 27 خرداد 1393 ساعت 10:58
برای ارسال نظر وارد سایت شوید
صفحه اصلی مقاله های بخش معدن ماشین حفر تمام مقطع تونل