-۱ پیشگفتار

از آغاز حفاری تونلها به روش مکانیزه، پیشبینی نرخ پیشروی یکی از مسایل مهندسی تونل بوده است. این فرآیند، مستلزم تخمین نرخ نفوذ (Penetration Rate) و ضریب بهرهوری (Utilization factor) است. نرخ نفوذ نسبت طول حفاری شده به مدت زمان انجام حفاری به صورت پیوسته است. نرخ پیشروی نسبت طول واقعی حفاری شده به کل زمان حفاری، نگهداری و سایر توقفات است. نرخ پیشروی برابر با حاصل ضرب نرخ نفوذ در ضریب بهرهوری است و یا به عبارتی دیگر، ضریب بهرهوری نسبت زمان حفاری ماشین به کل زمان عملیات تونلسازی است.

تا کنون پژوهشگران بسیاری در زمینهی عملکرد TBM مطالعه کردهاند. برخی به بررسی نرخ نفوذ اکتفا و گزارههایی را بر اساس پارامترهای TBM یا خصوصیات تودهسنگ ارایه نمودهاند. به عنوان مثال راکسبورو و فیلیپس (Roxborough and Phillips) بر اسـاس نیروی غلتشی دیسک کاترهای ویشکل [۱] (V-Shape)، اسنودن (Snowdon) و همکاران بر اساس نیرویهای قایم و غلتشی دیسک کاتر [۲]، سانیو (Sanio) با بررسی تنش کششی مورد نیاز برای تشکیل تراشه [۳]، تارکوی (Tarkoy) و سپس گراهام (Graham) بر اساس مقاومت فشاری تک محوری [۴]، اینائورتو (Innaurato) و همکاران با بررسی

* تهران؛ بزرگراه کردستان جنوب؛ نبش خیابان هفدهم؛ پلاک ۱؛ شرکت مهندسین مشاور هندسه پارس؛ کدپستی: ۱۴۳۸۸-۷۴۶۹۴؛ شمارهی تلفن: ۰۲۱-۸۸۳۳۷۴۵۵؛ دورنگار: ۰۲۱-۸۸۳۳۷۴۵۶؛ رایانامه: omid.frough@gmail.com

پیشبینی نرخ پیشروی TBM با استفاده از رویکرد سیستمهای مهندسی سنگ: ص ۲۵-۱۳

عدد طبقهبندی ویکهام (RSR) و مقاومت فشاری تک محورهی سنگ بکر [۵]، پالمستروم (Palmstrom) بر پایهی شاخص تودهسنگ [۶] (RMI) و بینیاوسکی (Bieniawski) بر اساس قابلیت حفاری تودهسنگ ( RME: Rock Mass [7] (Excavability گزارههایی را برای تخمین نرخ نفوذ پیشنهاد نمودهاند. یاگیز (Yagiz) در سال ۲۰۰۷ با ارزیابی تاثیر خواص تودهسنگ بر عملکرد TBM، یک گزارهی تجربی برای تخمین عملکرد TBM ارایه داده است .[۸] مدلهایی نیز با در نظر گرفتن مقاومت فشاری تک محورهی سنگ بکر و فاصلهداری ناپیوستگیها و اندیس نفوذ میدانی TBM برای پیشبینی نرخ نفوذ توسعه داده شده است [۹] و .[۱۰]

کیم (Kim) تاثیر RMR، RQD و آب زیرزمینی بر ضریب بهرهوری را با روش فازی مدلسازی نموده است .[۱۱] بناردوس (Benardos) با استفاده از شبکهی عصبی مصنوعی تاثیر پارامترهایی مانـند RMR، UCS، RQD و همچنیـن ضریب پایداری، شـرایط آب زیرزمینی و عمق تونل بر نرخ پیشـروی TBM را تخمین زده است .[۱۲] فروغ

و همکاران نیز با استفاده از روشهای آماری، مدلی برای تخمین تاثیر شرایط تودهسنگ با توجه به RMR بر بهرهوری

و توقفات TBM ارایه نمودهاند .[۱۳]

مدلهای CSM، NTNU و QTBM به عنوان مدلهای اصلی پیشبینی عملکرد TBM شناخته شدهاند. این مدلها مبنای متفاوتی دارند و معمولاً در یک پروژه، هر دو روش در کنار هم به کار میروند. مدل CSM یک مدل تئوری-تجربی است که اولین نسخهی آن توسط ازدمیر (Ozdemir) و همکاران در سال ۱۹۷۷ ارایه شده است .[۱۴] این مدل بر
مبنای بانک اطلاعاتی حاصل از آزمایش بزرگ مقیاس برش خطی که میتواند نیروهای مورد نیاز برای برش سنگ و پارامترهای مربوط به آن را اندازهگیری کند، بنا شده است .[۱۵] مدل NTNU پس از شروع حفاری مکانیزه در نروژ با استفاده از اطلاعات جدید به روز شده است. این مدل بر مبنای اطلاعات سیستماتیک ۳۵ پروژه در بیش از ۲۵۰ کیلومتر تونل توسعه یافته است .[۱۶] مدل QTBM توسط بارتن (Barton) به منظور تخمین نرخ نفوذ و نرخ پیشروی TBM و بر اساس سیستم طبقهبندی تودهسنگ Q بنا شده است. تاثیر جهتداری ناپیوستگیها، مقاومت فشاری و

کششی سنگ بکر، شاخص عمر CLI و درصد کوارتز سنگ و پارامترهای موثر اندرکنش بین سنگ و ماشین در آن در نظر گرفته شده است .[۱۷]

-۲ رویکرد سیستمهای مهندسی سنگ

سیستمهای مهندسی سنگ برای اولین بار توسط هادسون (Hudson) در سال ۱۹۹۲ معرفی شده است و از آن زمان به طور گستردهای در حل مسایل مهندسی به کار رفته است. این روش در مطالعات زیستمحیطی، مدیریت زبالهها و پسماندها، طراحی فاضلاب شهری، آلودگی هوا، پایداری شیب و طراحی سازههای زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفته است. بررسی میزان خطرات زیستمحیطی، میزان آلودگی رودخانهها و مدیریت زبالههای هستهای نمونههایی از کاربرد این روش است .[۱۸]

این روش در مهندسی سنگ نیز کاربردهای گستردهای داشته است. از آن جمله میتوان به کاربرد آن در تحلیل پایداری شیبها طراحی تونلها و سازههای زیرزمینی مانند گزینش محل ساخت نیروگاه زیرزمینی توسط شانگ (Shang) و همکاران در سال [۱۹] ۲۰۰۰، ارزیابی ریسکهای ژئوتکنیکی در حفر تونل متروی آتن توسط بناردوس و کالیامپاکوس (Benardos & Kaliampakos) در سال [۲۰] ۲۰۰۴، ارزیابی ناپایداری تونلها توسط شین (Shin) و همکاران در سال ۲۰۰۹ اشاره نمود .[۲۱] این روش در ارزیابی پایداری شیب نیز توسط محققین مورد استفاده قرار گرفته که میتوان به تحقیقات کاکایی و زارع نقدهی در سالهای ۲۰۱۱ و ۲۰۱۲ اشاره نمود [۱۸] و .[۲۲] فروغ و ترابی در سال ۲۰۱۳ با استفاده از سیستمهای مهندسی سنگ گزارهای برای تخمین توقفات TBM بر اثر پارامترهای تودهسنگ ارایه نمودهاند .[۲۳]

در رویکرد سیستمی، ماتریسهای اندرکنش ابزاری قوی هستند که تاثیر متقابل پارامترهای موثر بر یکدیگر را در مقیاسی برابر میسنجد. در ماتریس اندرکنش پارامترهای موثر روی قطر اصلی ماتریس قرار میگیرند و اندرکنش پارامترها با یکدیگر بر حسب آن با کدگذاری، در عناصر غیر قطری ماتریس مشخص میشود. در شناسایی پارامترهای بحرانی، مسیرهای تاثیرگذار، حلقههای برگشتی و ارزیابی تکنیکهای انتخابی مهندسی از ماتریس اندرکنش استفاده

۱۴

دوفصلنامهی علمی-پژوهشی مهندسی تونل و فضاهای زیرزمینی؛ دورهی ۲؛ شمارهی ۱؛ تابستان ۱۳۹۲

میشود .[۲۴]

در ماتریسهای اندرکنش پارامترهای اصلی در قطر اصلی ماتریس قرار داده میشوند. شکل ۱ اندرکنش دو پارامتر A و B را نشان میدهد. ماتریسهای اندرکنش ابزاری قوی برای استفاده در رویکرد سیستمهای مهندسی سنگ و نمایش مکانیسمهای تاثیر عوامل اصلی بر یکدیگر هستند.

شکل -۱ ماتریس اندرکنش برای دو پارامتر A و [۲۴] B

طبق نظر هادسون، پنج روش مختلف برای کدگذاری ماتریس اندرکنش وجود دارد. این روشها شامل روش دوتایی، روش کدگذاری دوم به روش نیمه عددی خبره (ESQ)، روش استفاده از شیب نمودار پارامترها، روش تطبیقی از یک رویکرد سیستمی مستقیم و روش صریح است. روش ESQ در میان سایر روشها، تا حد زیادی موفق بوده و تاکنون کاربرد گسترهایی داشته است. این روش، نوع

تعمیمیافتهای از روش دوتایی و دارای پنج کلاس کدگذاری از ۰ تا ۴ است (جدول (۱، .[۲۵]

جدول -۱ توصیف رتبههای قراردادی در ماتریس اندرکنش به روش [۲۴] EQS
پارامتر
مقدار

عدم وجود اندرکنش ۰
اندرکنش ضعیف ۱
اندرکنش متوسط ۲
اندرکنش قوی ۳
اندرکنش بحرانی ۴

-۳ مطالعات موردی

برای بررسی تاثیر شرایط تودهسنگ بر نرخ پیشروی، سه پروژهی تونلسازی مکانیزه مورد مطالعه قرار گرفته است. دادههای مورد نیاز از تونلهای انتقال آب کرج قطعهی ۱ و ۲ و تونل انتقال آب قمرود قطعات ۳ و ۴ با طول کلی ۴۵ کیلومتر، شامل ۲۲ واحد سنگی به دست آمده است.

تونل انتقال آب کرج، قطعهی ۱ با طول ۱۶۰۴۲/۳۰۸ متر و شیب طولی ۰/۱۳۷) ۰ /۰۰۱۳۷ درصد) با استفاده از DS-TBM با قطر تمام شدهی ۳/۹ متر اجرا شده است. این تونل در سازند البرز قرار دارد. سنگهای تشکیل دهندهی منطقه، بیشتر از رسوبات آذرآوارای شامل توف سبز، توف برشی، توف سیلتی ماسهسنگهای توفی و تودههای نفوذی مونزودیوریت و مونزوگابرو، کنگلومرای ریزدانه، بخشهای سیلت و گدازه و حتی آگلومرایی است (شکل (۲، .[۲۶]

شکل -۲ مقطع زمینشناسی مسیر تونل انتقال آب کرج قطعهی [۲۶] ۱

۱۵

پیشبینی نرخ پیشروی TBM با استفاده از رویکرد سیستمهای مهندسی سنگ: ص ۲۵-۱۳

تونل انتقال آب کرج قطعهی ۲ از حوالی روستای کندر رسوبی مانند ماسهسنگ و سیلتاستون، واحدهای دارای
با طول ۱۳۴۷۰/۸ متر و شیب طولی ۰/۰۰۱۳۷ با استفاده از منشا آذرآواری مانند توف و ماسهسنگ توفی هستند.
همان TBM قطعهی اول بعد از اورهال تا پاییندست سد همچنین بخش بزرگی از مسیر از سنگهای آذرین شامل
تنظیمی کرج اجرا شده است. دادههای مورد استفاده از متراژ مونزودیوریت، مونزوگابرو، میکروگابرو و برش لاوایی آندزیتی
۱۳۵ تا متراژ ۱۰۶۳۹ به دست آمده است. واحدهای
تشکیل شده است .[۲۷] در شکل ۳ مقطع زمینشناسی
تودهسنگی تشکیلدهندهی مسیر تونل شامل سنگهای مهندسی مسیر قطعهی دوم تونل کرج نشان داده شده است.

شکل -۳ مقطع زمینشناسی مسیر تونل انتقال آب کرج قطعهی [۲۷] ۲

قطعات ۳ و ۴ تونل انتقال آب قمرود به طول ۱۸ کیلومتر، بخشی از تونل بلند قمرود با قطر تمام شدهی ۳/۸ متر و دبی طراحی ۲۳ متر مکعب بر ثانیه است. تودهسنگهای درونگیر این تونل، شامل ماسه سنگهای ریزدانه کوارتزدار با درجهی دگرگونی اندک، شیل و اسلیتهای متورق، شیستهای گرافیتی، شیستهای کوارتز و میکادار و رگههای کوارتزیتی هستند. در انتهای این بخش از تونل آهکهای متورق و نیمهمتورق و آهکهای رسی-ماسهای نازک تا متوسط لایه قرار گرفتهاند. در شکل ۴ مقطع زمینشناسی مهندسی مسیر قطعهی ۳ و ۴ تونل قمرود نشان داده شده است [۲۸] و .[۲۹]

-۴ برآورد نرخ پیشروی با استفاده از RES

برای ارایهی مدلی برای تخمین نرخ پیشروی با استفاده از RES علاوه بر شرایط کیفی زمین درونگیر تونل، پارامترهای تودهسنگ نیز در ماتریس اندرکنش در نظرگرفته شده است.

این پارامترها در کاهش بهرهوری یا نرخ نفوذ دستگاه حفاری یا هر دو تاثیرگذار هستند. به این ترتیب با در نظر گرفتن پارامترهای موثر، اندرکنش و تاثیر آنها بر یکدیگر نیز در این مدل لحاظ شده است. امتیازدهی به این پارامترها بر اساس جدول ۲ انجام شده است.

• ناپایداری احتمالی: یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار بر توقفات دستگاه حفاری و کاهش ضریب بهرهوری است و بر اساس زمان خودپایداری تونل تقسیمبندی شده است.

• فاصلهداری ناپیوستگیها: این پارامتر علاوه بر تاثیر در شرایط پایداری یکی از عوامل مهم گیر افتادن کاتر هد است. این پارامتر همچنین بر نرخ نفوذ میز تاثیرگذار است. فاصلهداری ناپیوستگیها با توجه به تقسیمبندی RME و برحسب تعداد درزه در متر مکعب تودهسنگ در نظر گرفته شده است.