ماشین حفر تمام مقطع (TBM)

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مقدمه
حفاری با ماشین های حفر تونل در شرایطی طول تونل زیاد بوده و همچنین سرعت پیشروی بالا مورد نظر باشد و مشکل خاص زمین شناسی زیاد منطقه وجود نداشته باشد اقتصادی می نماید ولی در حالت کلی این روش نمی تواند به صورت کامل جایگزین حفاری به روش آتشباری و چالزنی شود.


تاریخچه
اولین TBM در تاریخ ۱۸۸۰ میلادی به کار گرفته شد و توانست به سرعت پیشروی ۳۵ متر در هفته برسد بعد از این زمان با گسترش تکنولوژی و صنعت تولید دستگاه های مکانیزه تونل زنی سیر صعودی به خود گرفت و پیشرفت قابل ملاحضه ای نمود بطوریکه:
در سال ۱۹۵۰ ماشین TBM رابینز ساخته شد.
در سال ۱۹۵۴ TBM رابینز با قطر ۸۵/۷ متر برای حفر تونل های سدی در سنگهای شیلی به کار گرفته شد.
در سال ۱۹۵۷ TBM رابینز برای حفر سنگ سخت طراحی گردید.
در سال ۱۹۷۰ شرکت های جاروا، رابینز و هابگر TBMهایی طراحی کردند که برای سنگهای سخت و ساینده سرعت حفاری بالایی بدست می دادند. رفته رفته نسل های جدید TBM حتی برای سنگهای سخت و ساینده نیز با سرعت پیشروی بالا طراحی گردیدند.


قسمت های مختلف ماشین TBM
قسمت های اصلی TBM عبارتند از:



  • بدنه machine body
منظور از بدنه TBM محور اصلی دستگاه می باشد (شاسی دستگاه) که همه اجزاء TBM مثل صفحه حفار، الکترو موتورها، سیستم هیدرولیک و غیره روی بدنه دستگاه سوار شده اند.

TBM-2.jpg


  • صفحه حفار cutter head
صفحه حفار مهمترین قسمت دستگاههای TBM می باشد که وظیفه خرد کردن و پیشروی TBM را بر عهده دارد. بر روی صفحه حفار ابزار برش قرار می گیرد و با دوران و چرخش صفحه حفار این ابزار سنگ را خرد می نماید. صفحه حفار می تواند به شکلهای مختلفی مانند کمی مخروطی یا مسطح یا به صورت ستاره ای یا به شکل سه پر باشد همچنین در برخی از TBM های اولیه و آزمایشی صفحه حفار می تواند از تعدادی صفحه و واحد حفاری کوچکتر تشکیل شده باشد.
TBM-3.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
انواع ابزار برشی که در TBM ها مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از :


۱- ابزار برش اسکنه ای
از این نوع ابزار برش با اسم ناخن های فلزی اسکنه ای نیز نام می برند. و مخصوص زمین های نرم و غیر ساینده می باشد. چون اساس خرد کردن سنگ بر اثر اصطکاک بین این ابزار برش و سنگ استوار می باشد این ناخن های فلزی که امکان دارد قسمت های تماسی آنها با سنگ یا فلزات یا جنس سخت آبداده شده باشند قابل تعویض می باشند.

TBM-4.jpg

۲- ابزار برش مخروطی:
ناخن های مخروطی شکل بیشتر مخصوص رودهدرها می باشند. ولی در TBM ها و سپرها نیز برای زمین های نرم تا متوسط بکار می روند. ناخنهای مخروطی به پنج نوع تقسیم می شوند:

  • مخروطی شعاعی
  • مخروطی خمیده به جلو (۴۵)، نیروی محوری بیشتری منتقل می نماید. با جت آب بهتر به کار می رود.
  • مخروطی نیم خمیده به جلو (۳۰)
  • با تماس نقطه ای، قابل چرخش حول محوری
  • ناخنهای مخروطی ناقص، قسمت تماس قابلیت چرخش دارد.


3-دیسک های برش:
بکار بردن دیسک های برش در TBM ها انقلابی در حفر سنگهای سخت TBM ها بوجود آورد در ابتدا ترکیبی از دیسک و ناخن های حفاری را در TBM ها گرفتند این دیسک ها به خاطر قدرت باربری بیشتر و سایش کمتر مورد توجه قرار گرفته اند جنس دیسک ها می تواند از فولاد سخت ساخت و در ساختمان آن از کاربیدتنگستن نیز استفاده نمود .

TBM-6-80x80.jpg

4-دیسک های نگین دار :
دیسک های نگین دار مخصوص سنگ های ساینده می باشند.


5-دیسکهای مرکب:
این ابزارهای برش در واقع دیسک های چندگانه می باشند و از چند دیسک که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند بوجود می آیند و انواع مختلف دارند.


6-غلتکها:
این نوع ابزار برش با مکانیزم خرد کردن سنگ را حفر می نماید و در سنگهای با مقاومت بالا و سایندگی زیاد، اگر دیسکها و دیسکهای مرکب کارایی نداشته باشند، بکار می رود. غلتکها در دو نوع ساخته می شوند:

  • غلتکهای با دندانه های فولادی
  • غلتکهای با دندانه های کاربیدتنگستن
که نوع دوم در برابر ساشی مقاومت بیشتری دارد ولی از معایب آن سرعت نفوذ کم و تولید نرمه و پودر سنگ زیادتر می باشد.
سطح صفحه حفار را به قسمتهای مختلف تقسیم می نمایند و ابزارهای برش را در این قسمت ها مرتب می نمایند و قرار می دهند.

الف- قسمت برش مرکزی:​
ابزاری که در این قسمت قرار می گیرند وظیفه حفر مرکز تونل را به عهده دارند و قبل از سایر واحدهای حفاری با سنگ درگیر می شوند و محیط را برای عملکرد بهتر ابزارهای حفاری آماده می سازند. این ابزارها معمولاً از چند برش دهنده دیسکی و غلتکی تشکیل شده اند.

ب- قسمت برش میانی:​
این قسمت در واقع قسمت اصلی صفحه حفار می باشد و حفر بخش عمده ای از سطح جبهه کار به عهده آنهاست. ابزار نصب شده در این قسمت عمد به سطح جبهه کار قرار می گیرند و برای زمین های سخت تا نرم از ابزار برش دهنده دیسکی تا ناخن های حفاری استفاده می نمایند.

ج- قسمت برش محیطی:​
وظیفه این قسمت برش سطح جانبی تونل می باشد و ابزاری که در این قسمت نصب می شوند از دیسک تا ناخن های حفاری می تواند متغیر باشد این ابزارها نصب به سطح جبهه کار زاویه دار قرار می گیرند تا بدنه دستگاه TBM با سطح تونل خلاصی داشته باشد و گیر نکند. به این علت فرسایش این ابزارها بیشتر می باشد.

  • چنگ زنها

چنگ زن جلویی ، چنگ زن عقبی
  • جکهای رانش صفحه حفار
  • سیستم بارگیری و تخلیه مواد حفر شده
  • بازوی نصاب
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مراحل کار TBM

مرحله حفر توسط TBM
الف:. استقرار دستگاه
TBMمستقر شده و چنگ زنها به دیواره فشار وارد می کنند، جک عقبی بالاست.


ب. عمل حفر انجام می شود
پیشروی صفحه حفار تا ۳/۰ تا ۲ متر انجام می شود.

ج- استقرار مجدد دستگاه
جک عقبی باز می شود

د- جلو رفتن ماشین
چنگ زن ها به طرف جلو حرکت می کنند.
  • تخلیه مواد حفر شده
  • تعویض ابزار برش
  • نگهداری تونل

بررسی عملکرد TBM
بررسی عملکرد TBM اطلاعات خوبی در مورد انتظاراتی که باید از TBM ها داشته باشیم را مشخص می نماید. پایه و اساس بررسی عملکرد TBM ها اکثراً به بررسی تاریخچه تونل هایی که تا کنون با TBMها حفر شده اند و مشکلات مواجهه در football carnival آن پروژه ها مربوط می شود. برای شروع بررسی عملکرد TBM ها در مرحله اول باید تعاریف و اصطلاحات مشخص و بررسی گردند.

تعاریف و اصطلاحات لازم برای بررسی عملکرد TBM
۱- آهنگ نفوذ Penetration rate
این شاخص آهنگ نفوذ TBM در سنگ هنگام حفاری را بیان می کند بر حسب میلیمتر بر یک دور چرخش صفحه حفار و یا متر در casino roulette ساعت بیان می شود.
  • آهنگ نفوذ با سرعت چرخش صفحه حفار رابطه مستقیم دارد.
  • آهنگ نفوذ در سنگهای سخت کمتر از سنگهای نرم می باشد.
به عنوان مثال آهنگ نفوذ در شیل با مقاومت فشاری mpa 30 حدود ۳/۷ m\n
آهنگ نفوذ در دولومیت با مقاومت فشاری mpa 180 حدود ۳/۱m\n
آهنگ نفوذ در سنگهای رسوبی به اساس مقاومتشان ۱/۲ تا ۸/۲ m\n بر آورد شده است.


۲- آهنگ پیشروی (advance rate)
آهنگ پیشروی میزان پیشروی TBM (پیشروی تونل) را مدت معینی مشخص می نماید بنابراین آهنگ پیشروی واحدهای مختلفی می تواند داشته باشد. مثل متر بر شیف یا متر بر روز یا متر بر ماه و غیره.
آهنگ پیشروی از آهنگ نفوذ به علت توقف های ماشین همیشه کوچکتر می باشد.
آهنگ پیشروی به عوامل مختلفی بستگی دارد مانند:
  • شرایط زمین
  • طراحی تونل
  • عوامل محیطی
  • سیستم مدیریت
  • قابلیت ماشین


۳- آماده بودن ماشینavailability
منظور از آماده بودن ماشین در صد زمانی است که طی آن در طول حفاری تونل ماشین آماده حفاری است. این زمان از کسر زمان لازم برای استقرار دستگاه و تعمیرات آن و نصب سیستم نگهداری و آماده سازی زمین و غیره از زمان کل بدست می آید. آماده بودن ماشین در حدود ۶۰تا۹۰ در صد است و بطور متوسط ۷/۸۶ در صد در نظر می گیرند.


۴- بهره دهی ماشین utilization:
بهره دهی ماشین عبارت است از در صد زمانی نسبت به زمان کل یک شیف که در آن دستگاه در حال حفاری بوده است.
بهره دهی ماشین عموماً کوچکتر از زمان آماده بودن ماشین است معمولاً بین ۳۰تا۳۶ در صد می باشد و بطور متوسط آن را ۲/۳۳ در صد در نظر می گیرند.


۵- وزن TBM
وزن ماشین تابعی از قطر ماشین است و با افزایش قطر ماشین وزن آن نیز افزوده می شود. بطوریکه:
وزن ماشین به قطر ۲ متر ۲۰ تن و وزن ماشین به قطر ۶ متر ۱۳۰ تن است.


۶- نیروی رانش:
منظور نیرویی است که به صفحه حفار اعمال می گردد و صفحه حفار با آن نیرو به سینه کار فشار می آورد این نیرو در اکثر TBM ها بوسیله میله های هیدرولیکی و از طریق بلبرینگ اصلی دستگاه به صفحه حفار وارد می شود. ولی در بعضی ماشین ها سیستم اعمال نیرو بوسیله حفر چال پیشاهنگ در سینه کار است بدین صورت که چالی در سینه کار حفر شده و سیستم چالزن در این چال حفر شده توسط جکهایی محکم می شود و صفحه حفار را به سینه کار فشار می دهد. برای محاسبه نیروی رانش به صورت سرانگشتی می توان گفت که نیروی رانش لازم به ازای هر متر مربع صفحه حفار ۴۳تن برآورد می شود و برای برآورد متوسط نیروی رانش لازم برای هریک از کاراکترهای دیسکی نیروی رانش لازم به ازای کیلونیوتن حدود ۵۰ برابر قطر تونل بر حسب متر می باشد.


۷- گشتاور صفحه حفار:
این پارامتر عبارت است از میزان گشتاوری که برای چرخش صفحه حفار اعمال می گردد. حفاری و پیشروی TBM در اثر ترکیب نیروی رانش و گشت آور اعمالی توسط صفحه حفار بوجود می آید.
گشتاور صفحه حفار برای TBM به قطر ۳ متر حدود ۱۲۰تن.متر است.
گشتاور صفحه حفار برای TBM به قطر ۶ متر حدود ۳۵۰تن.متر است.


۸- سرعت دوران :
منظور سرعت دوران صفحه حفار می باشد. سرعت دوران برای ماشین های مختلف بین ۵ تا ۳۰ دور در دقیقه تغییر می کند ولی بطور معمول بین ۸ تا ۱۸ دور در دقیقه است.


۹- توان ماشین:
عبارت از مقدار نیروی اعمالی در واحد زمان توسط ماشین می باشد و برای ماشین به قطر ۳ متر حدود ۲۰۰ کیلو وات و برای ماشین به قطر ۶ متر حدود ۶۰۰ کیلو وات تغییر می کند. توان ماشین متناسب با مجذور قطر ماشین می باشد.


۱۰-اندیس قابلیت حفاری(DRI):
اندیس قابلیت حفاری Drilhing Rate Index پارامتری می باشد که میزان حفاری سنگ را مشخص می نماید. برای تعیین DRI دو روش وجود دارد.

الف. با استفاده از نمودارها و روابط تجربی موجود
بر اساس جنس سنگ و مقاومت فشاری آن نمودارهای ارائه شده که می توان از روی آن نمودارها اندیس قابلیت حفاری سنگ را تعیین کرد.
همچنین از روابط تجربی مانند رابطه ذیل برای تعیین DRI hsjthni kl,n:

DRI=E ×σc-۰.۶​

۶c: مقاومت فشاری تک محوری سنگ mpa
E : فریب مربوط به جنس سنگ (عددی بین ۱۰۰۰-۵۰۰)


ب- با استفاده از آزمایشهای استانداردی برای تعیین DRI تدوین شده است که با استفاده از این آزمایش ها نیز می توان DRI را دقیقاً تعیین نمود.
  • آزمایش تردی شکنندگی
  • آزمایش حفر مینیاتوری


۱۱- اندیس عمر کاتر CLI
شاخص عمر کاتر cutter Life Index بیانگر میزان مصرف کاتر در حفاری می باشد هر چقدر این پارامتر بزرگتر باشد یعنی مصرف کاتر کمتر می باشد.


۱۲- انرژی ویژه se
انرژی ویژه عبارت است از مقدار انرژی که برای حفر واحد حجم سنگ مصرف می شود.


مکانیسم های حفاری در TBM
برای بررسی عملکرد TBM دانستن مکانیسم های حفاری سنگ توسط TBM لازم و ضروری می باشد. زیرا دانستن این مکانیزم ها، عوامل تاثیر گذار در کارکرد TBM را بهتر مشخص می نماید.
در TBM حفاری و عمل نفوذ در سنگ به دو شکل انجام می گیرد.
  • بریدن سنگ
  • خرد کردن سنگ

در روش اول (بریدن سنگ) ابزارهای برش با خراشیدن و تراشیدن سنگ عمل حفاری را انجام می دهند که این نوع حفاری مخصوص ابزارهای برش مخروطی شکل می باشد. و در این نوع مکانیسم حفاری تولید نرمه زیاد بوده و مصرف ابزار برش نیز به علت ساییدگی زیاد آنها بالا می باشد همچنین میزان انرژی مخصوص لازم نیز در این نوع روش حفاری بالاست.

ولی در روش دوم (خرد کردن سنگ) ابزارهای برش با بهره گیری از مقاومت کشش کم سنگ ها نیروی تراست و گشتاور صفحه حفاری را ترکیب نموده و باعث خرد کردن سنگ می شوند در این نوع سیستم حفاری اساس کار بر تولید هر چه بیشتر چیپس های سنگ می باشد و تا جایی که ممکن است باید نرمه کمتر تولید شود. این نوع سیستم حفاری بیشتر مخصوص انواع کاتر دیسک ها می باشد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
روش های پیش بینی عملکرد TBM
با پیشرفت کاربری TBM ها در انواع پروژه های تونل سازی باعث شده که مطالعات زیادی در مورد پیش بینی عملکرد آنها صورت پذیرد. روش های پیش بینی عملکرد TBM را می توان به دو صورت کلی زیر تقسیم بندی نمود.
الف- روابطی که بر اساس بر آورد نیروی برشی تک تک کاترها ارائه شده است و پایه و اساس ریاضی دارند.
ب- روابطی که بر اساس تجارب گذشته تونل زنی با انواع TBM ها ارائه شده اند و پایه و اساس تجربی دارند.

به دلیل تاثیر زیاد عوامل محیطی و مدیریتی در کارکردTBMها استفاده از روشهای تجربی کارایی بالاتری دارد. روشهای تجربی برآورد کارایی TBM به دو دسته تقسیم می شوند دسته اول از خصوصیات سنگ بکر استفاده می نماید ولی دسته دو که جامعتر نیز می باشد خصوصیات توده سنگ را مد نظر قرار می دهد.

پیش بینی نرخ نفوذ TBM از روی خصوصیات سنگ بکر:
روابط گوناگونی ارائه شده است که با در نظر گرفتن خصوصیات سنگ بکر پارامترهایی مانند نرخ نفوذ TBM را مشخص می نمایند و سعی در برآورد کارایی TBM دارند.



دانلود روابط نرخ نفوذ TBM
 

پیوست ها

  • tbm1.pdf
    140.8 کیلوبایت · بازدیدها: 0

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
عملکرد TBM در انواع مختلف سنگ
الف. عملکرد ماشین ها در سنگ های سخت
در سنگ های سخت عامل کنترل کننده عملکرد ماشین سرعت نفوذ می باشد و مسئله گیر کردن در TBM و نگهداری قسمت حفر شده و نصب نگهداری دائم مشکلات زیادی در عملکرد TBM ایجاد نمی نماید.
سنگ های سخت به خاطر مقاومت فشاری بالا میزان انرژی بیشتری را برای حفاری لازم دارند بنابراین TBMهای مخصوص سنگهای سخت سنگینتر و گرانتر می باشند تا بتوانند میزان انرژی لازم را تامین نمایند همچنین علاوه بر قوی تر بودن و سنگین تر بودن دستگاه برای اعمال نیروی عمودی بیشتر کاترهای مورد استفاده در سنگهای سخت باید توانایی تحمل بار زیادی را که ماشین قرار است اعمال نماید داشته باشند به این منظور کاترهایی ساخته شده است که هر کدام تحمل بار تا ۲۵ تن را دارند رابینز از جمله کسانی است که در طراحی ماشینهای حفر تونل در سنگ های سخت مطالعات زیادی داشته اند.
مسئله دیگر سنگهای سخت سایندگی زیاد این سنگها می باشد برای فایق آمدن به این موضوع دیسک های برش TBM را از الیاژهای سخت مثل کاربیدتنگستن می سازند و یا دکمه هایی از کاربیدتنگستن را در لبه کاتر قرار می دهند تا هم دستگاه در برابر سایش مقاومت بیشتری داشته باشد و هم اصطکاک بین کاتر و سنگ زیاد شود تا کاترها بدون چرخش حول محورشان روی سنگ لغزنده بلکه همواره کاترها با دوران حول محور کاتر روی سنگ حرکت کرده و سنگ را خرد نمایند.
با ساختن ابزار برش با توان باربری بالا و ساییده شدن کم امروزه در سنگ های با مقاومت فشاری تا ۳۵۰ mpa تونل هایی با قطر زیاد را می توان با TBM حفر نمود.

ب- عملکرد ماشین ها در زمین های متوسط تا ضعیف با کم شدن مقاومت فشاری سنگ و مشاهده شدن آثار مربوط به زمین های با زمان خود ایستایی پایین مسئله ای که عملکرد TBM را کنترل می نماید علاوه بر سرعت نفوذ مسئله نگهداری موقت تونل و نگهداری سینه کار می باشد.
با گذر از شرایط زمین های متوسط به زمین های ضعیف مسئله کنترل کننده کارکرد TBM دیگر سرعت نفوذ نخواهد بود و سرعت پیشروی باید در نظر گرفته شود زیرا نگهداری سینه کار و نگهداری موقت تونل کنترل کننده اصلی عملکرد TBM می باشند. همچنین با ادامه شرایط ضعیف تر استفاده از انواع سپرها برای رسیدن به سرعت پیش روی بالا و حتی برای امکان پذیر بودن حفاری بدیهی می نماید.


طراحی TBM ها
مسئله طراحی TBM موضوع مهم و مفصلی می باشد بطوریکه تمام مسائل مطرح شده تا کنون و روشهای بررسی عملکرد TBM ها هدفشان در نهایت طراحی TBM مناسب برای هر پروژه ای می باشد طراحی TBM از مسائلی مانند مسائل ذیل تاثیر می پذیرد.
۱- شرایط زمین
۲- ویژگی های زمین شناسی منطقه
۳- شرایط آب زیرزمینی
۴- ویچگی های تکتونیکی منطقه
۵- مسائل اقتصادی
۶- نوع پروژه​


پارامترهایی که در طراحی کلی TBMها مشخص می شود عبارتند از :
۱- تعداد جانمایی و مشخصات کاترها
۲- نرخ گردش
۳- نیروی رانش
۴- گشتاور صفحه حفار
۵- توان دستگاه​
البته مشخص است که طراحی جزئی TBM حساس تر و مهم تر می باشد و پارامترهای دخیل تر نیز بسیار بیشتر خواهد بود.


تعداد برش دهنده ها:
در مورد مشخص نمودن تعداد برش دهنده ها باید در مرحله اول فاصله بهینه کاترها از یکدیگر تعیین شود و بعد با داشتن فاصله بین کاترها از هم s و داشتن سطح صفحه حفار تعداد کاترها مشخص می شود.
برای تعیین فاصله بهینه کاترها از هم مطالعات زیادی انجام گرفته است.
در این مطالعات پارامتر مورد بررسی تغییرات انرژی مخصوص برای حالت های مختلف آرایش کاترها بوده است بدین صورت که رابطه بین انرژی مخصوص و نسبت عمق نفوذ به فاصله کاترها از هم مورد بررسی قرار می گرفته و که کمترین انرژی مخصوص را به خود اختصاص می داده است بهترین فاصله و عمق برش را مشخص می نماید.
چنانچه در نمودارها نیز مشخص است برای های بین ۱۰ تا ۱۵ میزان انرژی مخصوص به حداقل مقدار خود می رسد.
همچنین جدولی نیز ارائه شده است تا از روی آن به ازای مقاومت فشاری سنگ بتوان میزان بهینه را تعیین نمود.



مقاومت فشاری تک محوری mpaنسبتویژگی سنگ
کمتر از۲۵۳سنگهای ضعیف تا متوسط
۱۰۰-۲۵۵-۱۰سنگهای محکم
بیشتر از ۱۰۰۱۰-۱۵سنگهای خیلی محکم


قطر کاتر:
افزایش قطر دیسک سبب افزایش نیروی رانش می شود اما تاثیر چندانی در نیروی چرخش انرژی مخصوص و دهش ندارد.


عمق نفوذ:
میزان عمق نفوذ کاتر (P) برای انواع مختلف سنگ ها بین ۱۵ تا ۲۵ میلیمتر می باشد.
با افزایش عمق نفوذ دیسک در سنگ نیروی رانش و چرخش اضافه می شود ولی انرژی مخصوص کاهش می یابد.


زاویه لبه دیسک:
با افزایش زاویه لبه دیسک نیروی رانش افزایش می یابد.
با افزایش زاویه لبه دیسک نیروی چرخش تغییر چندانی نمی کند.
با تغییر زاویه لبه دیسک دهش بدون تغییر باقی می ماند.
با تغییر زاویه لبه دیسک انرژی مخصوص تغییر کمی می کند.


سرعت برش:
تا سرعت ۲۰۰، سرعت برش تاثیری به نیروی رانش- چرخش و انرژی مخصوص و دهش ندارد.

تکنولوژی های جنبی در TBM
۱- استفاده از tbm در تونل زنی تونل های با قطر کوچک​
۲- استفاده از واتر جت در TBM​
۳- استفاده از لیزر در کنترل مسیر TBMها​
۴-ماشین های با صفحه حفار متغیر​
 
بالا