بخشی از مقاله
ارزیابی دقت مدلهای مختلف در پیش بینی نرخ نفوذ ماشین حفاری در تونل انتقال آب گلاب
چکیده:
دستیابی به سرعت بالای حفاری و نرخ پیشرفت بالا در ماشنهای حفر تونل نیازمند بررسی کامل شرایط زمین و ویژگی های دستگاه است. بعلاوه پیش بینی دقیق میزان نفوذ و پیشرفت ماشین اهمیت زیادی در برآورد هزینه و زمان اجرای طرح دارد. روشهای نظری و یا تجربی توسط محققین مختلف جهت پیش بینی نرخ نفوذ ارائه شده است. در این تحقیق ویژگیهای مدلهای مختلف و روشی مورد استفاده آنها در پیش بینی نرخ نفوذ مورد بررسی قرار گرفته است. بعلاوه با استفاده از اطلاعات زمین شناسی و در حین حفر ماشین در تونل انتقال آب گلاب، میزان نرخ نفوذ پیش بینی شده با مقادیر واقعی ثبت شده مقایسه شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند مدلهایی که فقط از پارامترهای خصوصیات زمین شناسی و بدون در نظر گرفتن پارامترهای عملیاتی ماشین جهت پیش بینی استفاده کرده اند، به مراتب دقت پایین تری دارند. در مقابل مدلهایی که از ترکیب پارامترهای عملیاتی ماشین و خصوصیات زمین شناسی استفاده نموده اند، تطابق بهتری با مقادیر واقعی دارند. همچنین میزان دقت مدلهایی که از روشهای آماری جهت پیش بینی استفاده نموده اند، در سنگهای مختلف متفاوت است. هرچه میزان شباهت ساختار زمین شناسی به ساختار زمین شناسی که بر اساس آن مدل پیش بینی ارائه شده است بیشتر باشد، مقادیر پیش بینی شده به مقادیر واقعی نزدیکتر است. این موضوع در مدلهای حسن پور و خادمی قابل مشاهده است.
واژه های کلیدی: ماشسیز حفر تونل، پیشوا ببینی عملکرد، نروع نقو، تونل گاو
۱
1 - مقدمه
روند گسیختگی سنگ در اثر چرخش تیغه های ماشین حفر تونل توسط محققین زیادی مورد بررسی قرار گرفته است. کوک [۱] و رستمی و ازدمیر || ۲ || مراحل نفوذ در یک نمونه سنگ و عوامل موثر بر نفوذ را بیان کرده اند. همچنین گانگ [۳ و چیایا [] با استفاده از مدل سازی عددی ناحیه نفوذ تیغه برش در سنگ را مورد بررسی قرار داده اند. بر اساس فرآیند شکست پارامترهای موثر بر عملکرد ماشین رامی توان به دو دسته عمده پارامترهای مربوط به شرایط زمین و عملیاتی ماشین تقسیم نمود.
توان، نیروی رانش، ابعاد و آرایش دیسکهای برش از جمله پارامترهای عملیاتی ماشین هستند که در عملکرد ماشین حفاری تاثیرگذار هستند. نتایج تحقیقات محققین مختلف از جمله اسنودان [۵ ، رستمی و ازدمیر [۲] و گانگ و ژائو [۳، و برولند [] نشان می دهند که به طور کلی فرایند شکستگی سنگ به پارامترهای دستگاه از قبیل قطر TBM، فاصله خطی تیغه ها، قطر و پهنای نوک تیغه، نیروی فشاری و گشتاور دستگاه وابسته است. شرایط زمین شامل خصوصیات سنگ بکر و توده سنگ شامل پارامترهای متعددی مانند مقاومت فشاری، مقاومت کششی، خواص الاستیک، تردی، چقرمگی، بافت سنگ، درجه خردشدگی، درزه داری (فراوانی درزه ها)، جهت و نوع درزه ها و میزان تنشهای برجا است که بعضا در نظر گرفتن تاثیر تمامی این پارامترها بر عملکرد ماشین غیر ممکن است.
2- پیش بینی عملکرد
2-1 - پارامترهای هدف
به منظور ارزیابی عملکرد ماشین از شاخصهای مختلفی استفاده شده است. نرخ نفوذ ماشین در واحد زمان (PR) و یا نرخ نفوذ هر دور چرخش (PRev) از رایجترین معیارهای ارزیابی عملکرد ماشین هستند. با توجه به اینکه علاوه بر خصوصیات سنگ بکر و توده سنگ، پارامترهای عملیاتی ماشین نیز در نرخ نفوذ موثر هستند؛ بنابراین در دو توده سنگ مشابه به دلیل تفاوت پارامترهای عملیاتی ماشین نرخ نفوذهای متفاوت بدست خواهد آمد. برای در نظر گرفتن نرخ نفوذ به عنوان پارامتر مشخصه ای ازتوده سنگ و امکان مقایسه، پارامترهای عملیاتی ماشین باید در هر دو حالت یکسان باشد.با توجه به تنوع قطر تونلهای حفر شده و تغییر پارامترهای عملیاتی ماشین در حین حفر، از شاخصهای ترکیبی دیگری برای مقایسه و ارزیابی عملکرد ماشین در توده سنگهای مختلف استفاده می شود. مزیت استفاده از روش ترکیبی و نرمالی سازی که توسط محققین مختلف به ان اشاره شده است، قابلیت استفاده این شاخصها در ماشینها با اندازه های مختلف است [۷]، [۸]. پارامترهایی مانند نفوذ ویژه ("SP) که شاخص نرمال شده نرخ نفوذ به ازاء نیروی وارده بر هر تیغه برشی است و اندیسی نفوذ میدانی که معکوس نفوذ ویژه است، به این منظور استفاده می شوند. ساندین [۹] رابطه ای مشابه نفوذ ویژه را با نام اندیس حفر پذیری" (BI) تعریف نمود. اگرچه در این شاخصها هنوز تاثیر چرخش ماشین و هندسه تیغه های برش لحاظ نمی گردد. همیلتون [۱۰] دریافت که اندیس حفر پذیری تابعی از نیروی پیشران است و نمی تواند پارامتر مشخصه توده سنگ باشد. نتایج بررسیهای گانگ و همکاران نشان داد که اندیس حفر پذیری تابعی از نرخ نفوذ است و مقدار آن در نرخ نفوذ ۱ میلیمتر به ازاء هر دور تابعی از پارامترهای عملیاتی ماشین (گشتاور، دور در دقیقه و نیروی پیشران) نمی باشد و می تواند معرف ویژگی توده سنگ و طراحی تیغه برش باشد. بنابراین وی اندیس حفر پذیری ویژه توده سنگ (SRMBI) را به صورت اندیس حفر پذیری به ازاء ۱ میلیمتر نفوذ در هر چرخش تعریف نمود [۱۱] در جدول ۱ پارامترهای ارزیابی عملکرد ماشین و توصیف آنها بیان شده است.
۲- ۲- مدلهای پیش بینی عملکرد
در طول چند دهه گذشته مدلهای مختلف ارزیابی عملکرد ماشین حفاری معرقی و توسعه داده شده اند تا بتوانند یکی از شاخصهای ارزیابی معرفی شده در جدول ۱ را با یک یا چند پارامتر ماشین و یا شرایط زمین مرتبط نمایند. بعضی مدلها بر پایه آزمونهای برش آزمایشگاهی کوچک یا بزرگ مقیاس و بعضی بر اساس اطلاعات حین ساخت تونلهای حفر شده قبلی استوار هستند. طبیعی است که یک مدل واقعی پیش بینی عملکرد باید ترکیبی از پارامترهای موثر، اعم از داده های آزمونهای آزمایشگاهی، شرایط زمین شناسی ساختگاه و پارامترهای عملیاتی ماشین در حین اجرا باشد.
جدول ۱- پارامترهای ارزیابی عملکرد ماشین
براساس نحوه تامین داده های لازم برای توسعه مدلها، می توان مدلهای پیش بینی عملکرد ماشین را به دو دسته اصلی شامل مدلهای نظری و مدلهای تجربی طبقه بندی نمود. مدلهای نظری اولیه بر مبنای پارامترهای ماشین و معادلات تعادل نیرو و انرژی در حین برشی انجام گرفته است. بعضی از این مدلها با رویکرد نیروی وارد بر تیغه و بعضی دیگر با رویکرد انرژی ویژه ارائه شده و معمولا رابطه ای نظری میان پارامترهای سنگ با پارامترهای ماشین برقرار نموده اند. با توجه به اساسی ارائه، مهمترین ضعف این گونه مدلها، در نظر نگرفتن پارامترهای تاثیرگذار ساختاری زمین (مانند شرایط از جمله وضعیت دسته درزه ها در توده سنگ) محسوب می شود. مدلهای تجربی با بررسی همبستگی میان شرایط زمین شناسی با پارامترهای عملکرد واقعی ماشین در پروژه های تونلسازی مختلف پیشنهاد شده اند. مزیت اصلی روشهای تجربی استفاده از مطالعات میدانی و پارامترهای توده سنگ و ترکیب پارامترهای عملیاتی ماشین با شرایط زمین و همچنین خواص توده سنگ میباشد. این رویکرد از آن جهت که عملی و بر پایه تجارب بدست آمده از پروژه های واقعی است، مورد علاقه برنامه ریزان و مهندسین طراحی است. جدول ۲ تعدادی از مدلهای رایج پیش بینی نرخ نفوذ ماشین حفر تونل در سنگ سخت را به همراه رابطه ارائه شده نشان می دهد.
۳- پایگاه داده جهت ارزیابی مدلها جهت ارزیابی دقت پیش بینی مدلهای مختلف، اطلاعات ساختگاه تونل انتقال آب گلاب در نظر گرفته شد. این تونل به طول ۱۰ کیلومتر و قطر ۶/۵ متر به منظور آبرسانی به شهر کاشان به صورت مکانیزه حفر شده است. جدول ۳ مشخصات ماشین حفر تونل گلاب را نشان می دهد. پارامترهای عملیاتی ماشین مانند نیروی پیشران، توان، گشتاور و دور در دقیقه با استفاده از داده های ثبت شده حین حفاری قابل استخراج است. همچنین پارامترهای عملیاتی ماشین از روابط موجود در جدول ۱ قابل محاسبه است.
جدول ۲- مدلهای پیش بینی عملکرد ماشین
جدول ۳- مشخصات ماشین حفر تونل گلاب
با توجه به برداشتهای صورت گرفته در مطالعات صحرایی و ژئوتکنیکی و همچنین تفاوت خصوصیات ژئو مکانیکی توده سنگهای مختلف با در نظر گرفتن واحدهای سنگی در مقاطع مختلف تونل مجموعا در کل مسیر تونلی ۱۱ واحد زمین شناسی مهندسی و ناحیه خرد شده و یک ناحیه ترکدار قابل تفکیک است. در مقاطع مختلف به طول مجموع ۲۸۰۰ متر که جهت ارزیابی مدلهای پیشنهادی استفاده شده است .6واحد سنگی مختلف وجود دارد. جدول ۶ واحدهای زمین شناسی مهندسی که بر مبنای تفاوت خصوصیات سنگ شناسی، تفاوت ساختاری و خصوصیات ژئومکانیکی از هم تفکیک شدهاند را نشان می دهد [۱۸]. خصوصیات ژئو مکانیکی این واحدها شامل مقاومت فشاری تک محوری خشک و اشباع، تعداد دسته درزه ها، شرایط درزه، درصد کوارتز، چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی، ROD و رده بندی های توده سنگ بهمراه دامنه تغییرات در جدول ۵ نشان داده شده است.
۴- ارزیابی مدلهای پیش بینی عملکرد
با توجه به پارامترهای ژئو مکانیکی توده سنگ و پارامترهای عملیاتی ماشین می توان مقدار نرخ نفوذ پیش بینی شده توسط هر کدام از مدلهای ذکر شده در جدول ۲ را با مقادیر واقعی ثبت شده مقایسه نمود. مقادیر نرخ پیشروی واقعی واحدهای زمین شناسی متفاوت با استفاده از پارامترهای عملیاتی ماشین محاسبه گردید و برای با مقادیر پیش بینی شده هر کدام از مدلها مقایسه گردید.
جدول - واحدهای زمین شناسی مهندسی ارزیابی شده در تونل گلاب [۱۸]
از ایرادات وارده به مدل بارتون، نیاز به استفاده از پارامترهای متعدد و عدم دسترسی به آنها برای تخمین 2TBM) می باشد که توسط محققین مختلف به آن اشاره شده است. با توجه به اینکه مقادیر تعدادی از این پارامترها در ساختگاه تونل گلاب موجود نبود مقدار پیش بینی شده این مدل برای ساختگاه ذکر شده محاسبه نگردید. همچنین در رابطه فرخ، مقدار نفوذ به ازاء هر چرخش با رابطه جدول ۱ به نرخ نفوذ تبدیل شده و با مقدار واقعی مقایسه شده است. با توجه به منظور شدن سرعت چرخش کله حفاری در محاسبه نفوذ به ازاء هر چرخشی این پارامتر نسبت به نرخ نفوذ تطابق بهتری با نتایج واقعی دارد [۸. این تطابق بهتر که توسط فرخ به آن اشاره شده است در مقادیر محاسبه شده ساختگاه
