پیوندهای مفید
آمار
| تعداد نشریات | 8 |
| تعداد شماره‌ها | 414 |
| تعداد مقالات | 5,478 |
| تعداد مشاهده مقاله | 6,010,334 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 5,299,917 |
بهینه‌سازی عملکرد TBM با معرفی نمودار اندرکنش نفوذ-نیروی عمودی | ||
| نشریه مهندسی عمران امیرکبیر | ||
| مقاله 21، دوره 53، شماره 11، بهمن 1400، صفحه 4951-4968 اصل مقاله (1.72 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/ceej.2020.18675.6919 | ||
| نویسنده | ||
| ابراهیم فرخ* | ||
| گروه مکانیک سنگ و تونلسازی، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه امیرکبیر، تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| در مراحل طراحی و اجرای پروژه‌های حفاری تونل با TBM، بهینه‌سازی پارامترهای عملکرد به منظور به حداکثر رساندن نفوذ ابزار برشی و سرعت پیشروی ضروری است. در این راستا، انجام آزمایش‌های آزمایشگاهی می‌تواند نتایج ارزشمندی به دست بدهد، اما به دلیل وجود برخی نواقص برای چنین آزمایش‌هایی (به عنوان مثال اختلاف زیاد بین نیروی چرخشی اندازه‌گیری شده در آزمایشگاه و داده‌های واقعی میدانی)، نیاز به اصلاح چنین روش‌هایی همچنان وجود دارد. تاکنون تلاش‌های بسیار کمی برای بررسی عملکرد بهینه ابزار برشی (به عنوان مثال نیروی عمودی و نیروی چرخشی) بر اساس اطلاعات پروژه‌های تونلی تکمیل شده از سراسر جهان انجام شده است. در این مقاله برای بررسی پارامترهای عملکرد TBM و بهینه‌سازی آنها، ابتدا یک بانک اطلاعاتی گسترده تهیه شده است و در ادامه روابط بین پارامترهای مختلف این بانک اطلاعاتی با دو شاخص نیروی عمودی و نیروی چرخشی مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج این تحلیل‌ها، مشخص شده است که سرعت خطی ابزار برشی با دو پارامتر شاخص نیروی عمودی (NFI) و شاخص نیروی چرخشی (RFI) ارتباط مستقیم دارد. در این راستا، دو رابطه با استفاده از تجزیه و تحلیل آماری داده‌های بیش از 260 پروژه تونلی برای ارزیابی هر دو شاخص NFI و RFI توسعه یافته است. روابط مربوطه به ترتیب دارای ضریب تعیین 77 و 68 درصد هستند. در ادامه بر مبنای این روابط، یک فرآیند بهینه‌سازی برای به حداکثر رساندن نفوذ ابزار برشی و سرعت پیشروی با استفاده از محدودیت‌های مختلف عملیاتی (شامل ظرفیت نیروی ابزار برشی، محدودیت گشتاور کله حفار، محدودیت‌های هندسه برش و محدودیت نرخ نفوذ) ارائه شده است. در این فرآیند، در مرحله اول، نمودار اندرکنش نفوذ-نیروی عمودی ابزار برشی با در نظر گرفتن سه محدودیت حداکثر ظرفیت باربری ابزار برشی، حداکثر مقدار نفوذ به دلیل محدودیت‌های هندسی ابزار برشی، و حداکثر گشتاور مجاز کله حفار در مقادیر مختلف سرعت چرخش آن محاسبه شده است. در مرحله دوم، با استفاده از رابطه ارائه شده برای شاخص نیروی عمودی و نمودار اندرکنش نفوذ-نیروی عمودی، حداکثر مقدار نفوذ دیسک برشی محاسبه شده است. در نهایت، با استفاده از روابط ارائه شده برای محاسبه نرخ پیشروی و با در نظر گرفتن تأخیرات توقف برای تعویض دیسک‌های برشی، نحوه به حداکثر رساندن نرخ پیشروی توضیح داده شده است. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| بهینه‌سازی؛ عملکرد TBM؛ نمودار اندرکنش؛ شاخص نیروی عمودی؛ شاخص نیروی چرخشی | ||
| موضوعات | ||
| تونل | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Optimization of TBM Performance using Force-Penetration Interaction Diagram for Hard Rock | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Ebrahim Farrokh | ||
| Mining Engineering, Amirkabir University, Tehran, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| In the phase of the design of a TBM, it is essential to optimize the cutter head characteristics concerning cut and cutter geometry parameters to maximize both cutter penetration and TBM advance rate. In this regard, valuable results have been achieved from numerical simulations and laboratory tests, however, due to the presence of some shortcomings for such methods (e.g. high difference between rolling force measured in the laboratory and actual field data), there is a high demand by the industry to conduct actual field data analyses. So far, very few efforts have been made to study the optimum cutter performance (e.g. penetration, normal force, and rolling force) based on the information of completed tunnel projects from around the world. To investigate the influence of various parameters on the cutter penetration and to provide basic guidelines for the evaluation of the optimum TBM performance in hard rock conditions, an extensive field database is compiled. Based on the data analysis of this database, it is found that the linear speed of the cutters has a direct correlation with two major parameters of normal force index (NFI) and rolling force index (RFI). In this regard, two formulas are generated using statistical analysis of the data from around 260 tunnel projects to evaluate both NFI and RFI. The corresponding formulas have a coefficient of determination of 77 and 68%, respectively. These formulas are used in an optimization process to maximize cutter penetration using the interaction of various operational constraints (cutter load capacity, cutter head torque limit, cutter geometry constrains, and cutter head penetration rate limits). The produced interaction diagram is called the force-penetration interaction diagram. The new findings of this study can provide a foundation to improve the design process of hard rock TBMs and to optimize their performance considering various project setting parameters. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Optimization, TBM performance, Interaction diagram, Penetration, NFI, RFI | ||
| مراجع | ||
|
[1] Abu Bakar, M.Z., 2012. “Saturation effects on mechanical excavatability of sandstone under selected rock cutting tools”. Ph.D. Thesis, Missouri University of Science and Technology, USA, p. 245. [2] Cho, J.W., Jeon, S., Jeong H.Y., Chang, S.H., 2013. “Evaluation of cutting efficiency during TBM disc cutter excavation within a Korean granitic rock using linear-cutting-machine testing and photogrammetric measurement”. Tunneling and Underground Space Technology, Vol. 35, pp. 37-54. [3] Choi, SW., Chang, SH., Park, YT., Lee, GP., Bae, GJ., 2014. “Comparative analysis of cutter acting forces and axial stresses of single and double disc cutters by linear cutting tests”. J. Korean Tunn. Undergr. Space Assoc., 16(2), pp. 181–191. [4] 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, pp. 435-441. [5] 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), pp. 238-246. [6] Lislerud, A., 1997. Principles of Mechanical Excavation. Tamrock Corp, POSIVA 97-12. [7] Ma, HS., Gong, QM., Wang, J., Yin, LJ., Zhao, XB., 2016a. “Study on the influence of confining stress on TBM performance in granite rock by linear cutting test”. Tunn. Undergr. Space Technol., 57, pp. 145–150. [8] Ma, HS., Gong, QM., Wang, J., Zhao, XB., Yin, LJ., Miao, CT., He, GW., 2016b. “Linear cutting tests on effect of confining stress on rock fragmentation by TBM cutter”. Chin. J. Rock Mech. Eng., 35(2), pp. 346–355. [9] Ozdemir, L., Miller, R., Wang, F.D., 1978. “Mechanical Tunnel Boring Prediction and Machine Design”. NSF APR73- 07776-A03. Colorado School of Mines. Golden, Colorado, USA. [10] 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. [11] 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”. Ph.D. Thesis, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, USA, p. 249. [12] Rostami, J., 2008. “Hard Rock TBM cutterhead modeling for design and performance”. Geomechanics and Tunnelling, 1 (1), pp. 18–28. [13] Roxborough, FF., Phillips, HR., 1975. “Rock excavation by disc cutter”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 12(12), pp. 361–366. [14] Sanio, H.P., 1985. “Prediction of the performance of disc cutters in anisotropic rock”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 22 (3), pp. 152-163. [15] Snowdon, RA., Ryley, MD., Temporal, J., 1982. “A study of disc cutting in selected British rocks”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 19 (3), pp. 107–121. [16] 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), pp. 278-288. [17] Farrokh, E., Kim, D.Y., Kyung, S.B., 2015. “Rotary Cutting Test for Hard Rock TBM Performance Evaluation”. World tunneling conference 2016, Dubrovnik, Croatia. [18] Qi, G., Zhengying, W., Hao, M., 2016. “An experimental research on the rock cutting process of the gage cutters for rock tunnel boring machine (TBM)”. Tunn. Undergr. Space Technol., 52, pp. 182-191. [19] Choi, SO., Lee, SJ., 2015. “Numerical study to estimate the cutting power on a disc cutter in jointed rock mass”. KSCE J. Civil Eng., 1–12. [20] Gong, QM., Jiao, YY., Zhao, J., 2006a. “Numerical modelling of the effects of joint spacing on rock fragmentation by TBM cutters”. Tunn. Undergr. Space Technol., 21(1), pp. 46–55. [21] Gong, QM., Zhao, J., Hefny AM., 2006b. “Numerical simulation of rock fragmentation process induced by two TBM cutters and cutting space optimization”. Tunn. Undergr. Space Technol., 21(3–4). [22] Innaurato, N., Oggeri, C., Oreste, PP., Vinai, R., 2007. “Experimental and numerical studies on rock breaking with TBM tools under high stress confinement. Rock Mech. Rock Eng., 40(5), pp. 429–451. [23] Labra, C., Rojek, J., Oñate, E., 2016. “Discrete/finite element modelling of rock cutting with a TBM disc cutter”. Rock Mech. Rock Eng., 50(3), pp. 621–638. [24] Liu, HY., Kou, SQ., Lindqvist, P., Tang, CA., 2002. “Numerical simulation of the rock fragmentation process induced by indenters”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 39, pp. 491–505. [25] Ma, HS., Yin, LJ., Ji, HG., 2011. “Numerical study of the effect of confining stress on rock fragmentation by TBM cutters”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 48(6), pp. 1021–1033. [26] Abu, Bakar, MZ., Gertsch, L., Rostami, J., 2014. “Evaluation of fragments from disc cutting of dry and saturated sandstone”. Rock Mech. Rock Eng., 47(5), pp. 1891–1903. [27] Balci, C., 2009. “Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM in a highly fractured rock formation: a case study in Kozyatagi-Kadikoy metro tunnel, Turkey”. Tunn. Undergr. Space Technol., 24(4), pp. 423–435. [28] Cho, JW., Jeon, S., Yu, SH., Chang, SH., 2010. “Optimum spacing of TBM disc cutters: a numerical simulation using the three–dimensional dynamic fracturing method”. Tunn. Undergr. Space Technol., 25(3), pp. 230–244. [29] Pan, YC., Liu, QS., Liu, JP., Huang, X., Liu, Q., Peng, XX., 2018a. “Comparison between experimental and semi–theoretical disc cutter cutting forces: Implications for frame stiffness of the linear cutting machine”. Arab J. Geosci. [30] Pan, YC., Liu, QS., Liu, JP., Liu, Q., Kong, XX., 2018b. “Full–scale linear cutting tests in Chongqing Sandstone to study the influence of confining stress on rock cutting efficiency by TBM disc cutter”. Tunn. Undergr. Space Technol., 80, pp. 197–210. [31] Pan, YC., Liu, QS., Peng, XX., Liu, Q., Liu, JP., Huang, X., Cui, X., Cai, T., 2019. “Full‑scale linear cutting tests to propose some empirical formulas for tbm disc cutter performance prediction”. Rock Mech. Rock Eng. [32] Thyagarajan, MV., 2018. “The comparison of cutting forces on disc cutters in constant vs variable penetration modes”. MS thesis, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, USA. [33] Tumac, D., Balci, C., 2015. “Investigations into the cutting characteristics of CCS type disc cutters and the comparison between experimental, theoretical and empirical force estimations”. Tunn. Undergr. Space Technol., 45, pp. 84–98. [34] 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., Vol. 52, pp. 182–191. [35] Dogruoz, C., Rostami, J., Keles, S., 2018. “Study of correlation between specific energy of cutting and physical properties of rock and prediction of excavation rate for lignite mines in Çayırhan area”. Geol. Environ., Vol. 77, pp. 533–539. [36] Yurdakul, M., Gopalakrishnan, K., Akdas, H., 2014. “Prediction of specific cutting energy in natural stone cutting processes using the neurofuzzy methodology”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 67, pp. 127–135. [37] Bilgin, N., Demircin, M.A., Copur, H., Balci, C., Tuncdemir, H., Akcin, N., 2006. “Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 43, pp. 139–156. [38] Cardu, M., Iabichino, G., Oreste, P., Rispoli, A., 2017. “Experimental and analytical studies of the parameters influencing the action of TBM disc tools in tunnelling”. Acta Geotech., Vol. 12(2), pp. 293–304. [39] Gong, Q.M., Du, X.L., Li, Z., Wang, Q.X., 2016. “Development of a mechanical rock breakage experimental platform”. Tunn. Undergr. Space. Technol., Vol. 57, pp. 129–136. [40] Labra, C., Rojek, J., Oñate, E., 2016. “Discrete/finite element modelling of rock cutting with a TBM disc cutter”. Rock Mech. Rock Eng., Vol. 50(3), pp. 621–638. [41] Xia, Y.M., Guo, B., Tan, Q., Zhang, X.H., Lan, H., Ji, Z.Y., 2018. “Comparison between experimental and semi–theoretical cutting forces of CCS disc cutters”. Rock Mech. Rock Eng., Vol. 51, pp. 1583–1597. [42] Rostami, J., 2013. “Study of pressure distribution within the crushed zone in the contact area between rock and disc cutters”. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 57(1), pp. 172–186. [44] Farrokh, E., 2014. “Disc cutting tests with a rotary cutting machine in a Korean granite, Technical forum”. Hyundai engineering and construction, Seoul. [45] Jakobsen, P.D., 2014. “Estimation of soft ground tool life in TBM tunnelling”. PhD Dissetation, NTNU University, Norway. [46] Turtscher, M., Spiegl, M., Purner, M., 2013. “SIM TUNNEL PRO 2.0 user manual. Version: STP 2.0_2013_08_15”. [47] Farrokh, E., Kim, DY., 2018. “A discussion on hard rock TBM cutter wear and cutterhead intervention interval length evaluation”. Tunn. Undergr. Space Technol., 81, pp. 336-357. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 610 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 827 |
||