پایان نامه فرایند گزینش ماشین حفاری مناسب جهت تونل سازی و بررسی مکانیزم حفاری پروژه امامزاده هاشم
مقدمه:
در چندسال اخير ايجاد فضاهاي زيرزميني رشد فزاينده اي داشته است. اگر قبلاً اين فضاها فقط براي مقاصد خاصي مانند معدنكاري و يا حمل و نقل در محل هاي صعب العبور و كوهستاني استفاده مي گرديد، اما امروزه به علت زندگي شهري و توسعه شهرنشيني، مشكلات تراكم و كمبود فضاهاي سطحي، ايجاد سازه هاي زيرزميني از توجه خاصي برخوردار شده است و كاربرد اين سازه ها را در زمينه هاي مختلف گسترش داده است. تنوع كاربري و الزامات موجود، موجبات گسترش و رشد صنعت تونلسازي و احداث سازه هاي زيرزميني را فراهم آورده است.
1-1- دسته بندي فضاهاي زيرزميني:
امروزه فضاهاي زيرزميني جهت حل مشكل حمل و نقل جاده اي بيرون و درون شهري انتقال آب، خدمات آب رساني همگاني، ايجاد مراكز صنعتي مانند نيروگاهها، انبارها و پناهگاهها، سيستم فاضلاب، مترو، معدنكاري و موارد بيشمار ديگر، مورد استفاده قرار مي گيرند.
اين فضاها برحسب شيب، سطح مقطع و طول به سه دسته كلي تونلها[1]، چاهها[2] و مغارها[3] تقسيم مي شوند. در جدول شماره 1-1- دسته بندي صورت گرفته براي سه نوع فضاهاي ذكرشده بر مبناهاي مختلف آورده شده است.
جدول 1-1 دسته بندي فضاهاي زيرزميني برمبناهاي مختلف (3)
مبناي دسته بندي | تونلها | چاهها | مغارها |
الف- عمق | كم عمق
عميق |
كم عمق
عميق |
كم عمق
عميق |
ب- نوع زمين | سخت
نرم مختلط |
سخت
نرم مختلط |
سخت
نرم مختلط |
ج- روشهاي احداث | 1- چالزني و آتشباري
2- ماشينهاي حفر تونل 3- ماشين حفار بازويي 4- كندن و پوشاندن 5- لوله گذاري 6- حفر با جت آب |
1- چالزني و آتشباري
2- حفر بصورت چاه كورپا از بالا به پايين 3- گشادكردن دريل 4- Downslashin 5- حفاري مكانيزه |
1- چالزني و آتشباري
2- حفاري مكانيكي |
د- پوشش | 1- پوشش بتني
2- پوشش يا قطعات پيش ساخته چدني 3- بتن پاشيده 4- بدون پوشش 5- پوشش يا وسائل نگهداري فولادي |
1- پوشش بتني
2- پوشش با قطعات پيش ساخته چدني 3- بتن پاشيده 4- بدون پوشش 5- پوشش يا وسائل نگهداري فولادي |
1- پوشش بتني
2- پوشش پاشيده |
1-2- مطالعات و طراحي:
تونل: يك گذرگاه زيرزميني باريك، دراز و افقي و يا نزديك به افقي است كه از ابتدا و انتهاي آن به هواي آزاد راه دارد و براي انتقال آب، فاضلاب، عبور قطار، رفت و آمد وسائل نقليه و تأسيسات زيرزميني مختلف و معدن بكار مي رود.
ايجاد يك تونل طي دو مرحله اصلي يعني طراحي و احداث صورت مي گيرد. طراحي به عمل تصوركردن و طرح ريزي تركيب اصلي و پارامترهاي ارزشمند يك سيستم، نقشه، عمليات و يا كار هنري گفته مي شود كه لازمه آن به ويژه در مورد تونل جمع آوري اطلاعات مربوط به زمين است. اين اطلاعات به سه دسته عمده تقسيم مي شوند:
1- اطلاعات فيزيكي و مكانيكي مانند: مقاومت فشاري سنگ، قابليت حفاري و غيره.
2- اطلاعات زمين شناسي مانند: جنس سنگها، ژنز آنها، گسلها و غيره
3- اطلاعات آب مانند: سطح ايستايي، ضريب نفوذناپذيري و غيره
مرحله بعد از طراحي كه به مدد اطلاعات مربوط به زمين صورت مي گيرد. احداث تونل مي باشد. براي آنكه تونلي احداث گردد ابتدا بايد حفر و سپس نگهداري شود كه نگهداري بطور دائم يا موقت ميباشد.
حفر: مجموعه عملياتي است كه منجر به ايجاد يك حفره در زمين مي شود. اين عمليات و يا به عبارت ديگر عمليات واحد شامل عمليات توليدي و عمليات جانبي يا كمكي مي باشد.
عمليات جانبي: آن عملياتهايي هستند كه خود مستقيماً در ايجاد تونل نقشي ندارند، اما براي تداوم كار لازمند و در حقيقت به عمليات توليدي، خدمات رساني مي كنند. مانند تهويه، آبكشي، روشنايي و حتي بعضي، نگهداري را نيز جزء اين بخش مي دانند.
عمليات توليدي: مستقيماً با حفر تونل در ارتباط هستند براي اين كار بايد ابتدا سنگ شكسته شود[4] و يا خاك كنده شود[5] و سپس مواد به محلي مناسب منتقل گردند.[6]
براي شكستن سنگ و يا كندن خاك احتياج است كه ابتدا در آنها نفوذ شود[7] و سپس خاك كنده و سنگ خرد گردد.[8] نفوذ در سنگ به طرق مختلف ميسر است به صورت مكانيكي مانند: حفاري و يا استفاده از ابزار برنده به صورت حرارتي، صوتي، جت آب و … و براي خردكردن سنگها نيز از انواع مختلف انرژي استفاده مي شود، از جمله از انرژي شيميايي مانند انفجار، انرژي مكانيكي مانند باVس و گوه و يا سرمته ها.
كندن خاك نيز به شيوه هاي مختلف صورت مي گيرد، از جمله روشهاي هيدروليكي مانند استخراج محلولي[9] و يا روشهاي مكانيكي مانند سرمته هاي چنگكي يا ناخني[10].
گام بعدي انتقال مواد كنده شده است تا ادامه عمليات امكان پذير باشد، براي اين منظور مواد كنده شده بارگيري مي شوند[11] و سپس جابه جا مي گردند.[12]
1-2-1- عمليات پيوسته:
با پيشرفت و ترقي جامعه بشري و رشد روزافزون اين صنعت و با توجه به طولاني بودن چرخه عمليات در روشهاي غيرپيوسته مانند چالزني، آتشباري، بارگيري و باربري احتياج به شيوه هايي بود كه از سرعت بيشتري برخوردار باشند و در نتيجه روشهاي پيوسته حفر مورد توجه قرار گرفتند و به سرعت پيشرفت كرد تا جايي كه پيشرفت دستگاههاي تونلزني حفاظ دار امكان احداث تونل را در اعماق زمين، در سطوح نزديك به زمين در نقاط كم استحكام زمين و حتي در زير درياها به وجود آورده است. استفاده از اين دستگاهها در همه نقاط با كمترين استحكام و بيشترين فشارهاي سطح زمين از قبيل بسترهاي پست خاكي كه نرم و روان هستند نيز امكان پذير است.
البته تونلزني با دستگاههاي مكانيزه نبايد و نمي تواند به طور كامل جايگزين ساير روشهاي حفر تونل شود ولي از نظر فني و اقتصادي در جايگاههايي كه روشهاي ديگر كاربرد ندارند و يا مسافت حفاري شده زياد باشد. با سرعت پيشروي بالا مدنظر مي باشد و يا اگر محدوديتهاي سخت زيست محيطي در سطح زمين حاكم باشد، مي تواند مورد استفاده قرار گيرد.
مهمترين مزايا و معايب استفاده از اين گونه دستگاهها چنين است:
مزايا:
- سرعت پيشروي بالا و مكانيزه بودن روش حفاري
- اجراي دقيق حفر تونل به لحاظ يكنواختي سطح مقطع و عدم انحراف از مسير مشخص شده
- حداقل تأثيرات منفي بر روي زندگي در سطح زمين
- ايمني بالا در حين حفاري.
- روشهاي ساختماني هماهنگ با شرايط محيط.
- كيفيت بالا و امكان تحكيم اقتصادي تونل.
معايب:
- دوره نسبتاً طولاني طراحي، ساخت و نصب دستگاه
- اقتصادي نبودن براي حفر تونل هاي كوتاه
- خطر عملكرد نامناسب هنگام تغييرات ناگهاني و پيش بيني نشده ساختار تركيب زمين.
چنانچه قرار باشد از اين گونه دستگاهها بطور موفقيت آميز استفاده شود، طراحي دقيق دستگاه روش تحكيم مناسب و پشتيباني دقيق لازم است. تجربه و دانش فني از پيش نيازهاي اصلي يك طرح اقتصادي و منطقي از نظر فني مي باشد.
1-3- ملاحظات طراحي:
جدول 1-2 ملاحظات طراحي براي انتخاب روش احداث تونل براي روش چالزني و آتشباري، ها و ماشين حفار بازوئي را به طور مقايسه اي مطرح نموده است.
جدول 1-2 ملاحظات طراحي براي انتخاب روش (3)
——- | چالزني و آتشباري | TBM | ماشين حفار بازويي |
انفجار هوا و صداهاي شديد | امكان آن وجود دارد ولي با به كارگيري آتشباري تأخي | وجود ندارد | وجود ندارد |
نرخ متوسط پيشروي گرفتگي با اندازه متوسط | 30 فوت در روز | 100 فوت در روز | 40 فوت در روز |
شناسايي گماله اي | اهميتي ندارد | بسيار مهم | گاهي مواقع مهم |
قلوه سنگ و رسوبات يخچالي | چالزني مشكل ولي مطمئن ترين روش است | براي قله سنگها مشكل ولي براي رسوبات يخچالي مناسب است | براي قله سنگها چندان مناسب نيست. ولي براي رسوبات يخچالي مناسب است |
دانه ريز رسي | چندان مشكل نيست | از جنبه جابجايي و انتقال بسيار مشكل | مشكل |
مقاومت فشاري سنگ | براي هر مقاومتي قابل استفاده است | براي سنگهايي با مقاومت فشاري بيش ازKSI40 كارايي ندارد | براي سنگهاي با مقاومت فشاري بيش ازKSI 14 كارايي ندارد |
تلرانس در حين احداث | در زمينهاي بد با مشكل مواجه مي شود | رضايت بخش خواهد بود | گاهي با مشكل برخورد مي كند. |
قوس با انحناي تونل | شعاع انحناي قوس نبايد كمتر از 100 فوت باشد (عامل كنترل كننده شعاع انحناء تجهيزات باربري و انتقال مواد كنده شده است) | شعاع انحنا نبايد كمتر از 575 فوت باشد | مي تواند به قوسهاي تندتر وارد شود (عامل كنترل كننده شعاع قوس تجهيزات انتقال مواد كنده شده است) |
شرايط مختلف زمين | در هر شرايطي مي تواند تطبيق نمايد | بسيار مشكل با شرايط مختلف انطباق مي يابد | انطباق پذيري چندان مشكل نيست |
چالزني | نسبت به شرايط زمين بسيار حساس است | نيازي نيست. | نيازي نيست |
گرد و غبار | در حين چالزني و آتشباري گرد و غبار بسيار زياد است | بسيار زياد | مقداري گرد و غبار |
حفاري اكتشافي | مشكلي ندارد | براي انجام حفاري اكتشافي در حين احداث ماشين بايد طراحي خاص وجود داشته باشد. | مشكلي ندارد |
گسلها | در برخورد بايد احتياط كرد. از جنبه نگهداري مشكل ولي از جنبه حفر آسان است | از گسلهاي عريضتر از 30 فوت نمي تواند گذر كند. گسلهاي با عرض 3 تا 30 فوت براي گذركردن بينهايت مشكل است | نيمه مشكل |
انعطاف پذيري | بسيار بالا | بسيار صلب (غيرقابل انعطاف) | متناوب |
ميزان خردشدگي | با نوع مواد منفجره كاربردي، روش خرجگذاري و الگوي آتشباري، ميزان خردشدگي قابل كنترل است | با انتخاب برش دهنده فشار محوري پشت ماشين، فاصله برش دهنده ها از هم و آرايش آنها ميزان خردشدگي قابل كنترل است | با انتخاب نوع سرمته و فاصله بين آنها ميزان خردشدگي قابل كنترل است |
تونلهاي گازدار | بسيار سخت | مشكل | نسبتاً سخت متوسط |
شيب | هرشيبي ولي به بيش از 18 درجه | براي شيبهاي افقي تر خوب است براي زواياي شيب بيش از 5 درجه مناسب نيست ماشينهاي خاصي براي كار در زاويه بيش از 20 درجه طراحي شده اند | براي زواياي شيب بيش از 5 درجه مناسب نيست |
مشكل آب زيرزميني | مي تواند بسهولت كنترل شود | كنترل آن بسيار سخت است | قابل كترل است |
هزينه اوليه | چندان زياد نيست | بسيار بالا است. (نسبت هزينه كل به هزينه ماشين برابر 15 تا 20 است.) | متوسط |
حفر به كمك جت (آب) | نيازي به جت (آب) نيست | براي سنگهاي بسيار سخت (s بزرگتر از 40) نياز به جت آب است. | براي سنگهاي با s بيشتر از 14 نياز به جت آب است |
زمان موردنياز براي راه اندازي | حدود يك ماه | سه تا 18 ماه براي راه اندازي | يك ماه يا بيشتر |
طول تونل | طولهاي كوتاهتر، بيش از 10000 فوت | براي طولهاي كوتاهتر از 10000 فوت به كار نمي رود (مگر اينكه ماشينهاي مورد استفاده در دسترس باشند) | بيش از 10000 فوت (در شرايط ايده آل، در طولهاي بزرگتر مي تواند به كار گرفته شود) |
مكانيزاسيون | چندان بالا نيست | بسيار بالا | متوسط |
حفر جنبه كار مختلط | چندان مشكل نيست (انعطاف پذيرترين روش) | بسيار مشكل (حداقل انعطاف پذيري) | چندان مشكل نيست |
رفتارنگاري جهت حفر | چندان مهم نيست | بسيار مهم | گهگاه مهم |
انتقال سنگ كنده شده | بسيار انعطاف پذير (قطار، كاميون و …) | انتقال سنگ خردشده از جبهه كار به پشت ماشين توسط نوار نقاله و سپس توسط قطار يا كاميون انجام مي گيرد | حمل سنگ خردشده از جبهه كار به پشت ماشين نياز به بازوي جمع كننده و نوار نقاله و سپس قطار يا كاميون دارد. |
حفر تونلهاي چندگانه | به كار گرفته مي شود | مورد استفاده قرار نمي گيرد | معمولاً مورد استفاده قرار نمي گيرد |
فرسودگي (درزه دارشدن) جداره فضايي اطراف | براي چالهاي با خرجگذاري زياد، بسيار بالاست | زياد نيست (بر جداره تأثير نمي گذارد) | متوسط |
سروصدا | بسيار زياد (در حين آتشباري) | نه چندان زياد | ميزان سروصدا متوسط |
تعداد كارخانجات توليدكننده | متعدد | درآمريكا 3 يا 4 كارخانه | در آمريكا 3 يا 4 كارخانه |
حفر چندمرحله اي يا مقطعي جبهه كار | هميشه امكان پذير است | غيرممكن است | امكانپذير است |
قابليت دسترسي به دهانه يا مدخل ورودي | مهم نيست | بسيار مهم است مگر اين كه براي انتقال نياز به حفر چاه باشد | برخي مواقع مهم است |
پيش نگهداري و پايدارسازي زمين | اجراي پيش نگهداري زمين مشكل نيست. | بسيار مشكل است مگر اين كه ماشين براي اين منظور طراحي شده باشد | چندان مشكل نيست |
پيوستگي يا عدم پيوستگي عمليات | چرخه اي، متناوب غيرپيوسته | پيوسته | پيوسته |
ميزان پيشروي بستگي دارد به: | طول، آرايش و فاصله رديفي چالها و نوع ماده منفجره | سختي سنگ، ساييدگي سنگ، گشتاور و توان و سرعت دوران و وزن و نوع برش دهنده هاي ماشين | سختي سنگ، گشتاور، توان، سرعت دوران و نوع برش دهنده سنگ |
زمان خودنگهداري موردنياز زمين براي عمل حفر (بدون اصلاح زمين) | حداقل 3 ساعت (بدون پيش نگهداري) | در صورتي كه زمان خودايستايي زمين صفر باشد براي كار با از سپرهاي دوغابي يا سپرهاي تعادلي با فشار زمين استفاده مي شود | 4 ساعت ارجح است |
مراحل ياروندهاي (rounds) | به ازاي حدود 12 فوت طول چال، روند يا مرحله پيشروي 10 فوت است. | پيشروي روندي يا مرحله اي نيست | پيشروي روندي يا مرحله اي نيست. |
RQD | براي كليه مقاديرRQD مناسب است | در صورتي كهRQD برابر 25 تا 45 درصد باشد روش خوبي نيست | براي كليه مقاديرRQD خوب است. |
زمينهاي رونده | مناسب نيست مگر اين كه زمين پيش تزريق و پايدار شده باشد | ماشينهايي كه به طور ويژه طراحي شده باشند مي توانند در اين زمينها عمل كنند | مناسب نيست |
شكل | هرشكلي | فقط دايره اي (باستثناي ماشينهاي خاص مانند دستگاه استخراج متحرك) | دايره اي، نعل اسبي ونعل اسبي اصلاح شده |
زمينهاي رسي، ماسه اي و سيلتي | مناسب نيست | TAB هاي سپردار خوب هستد | استفاده نمي شود. |
اندازه | با استفاده از حفر تونلهاي پيشروي پله اي هر اندازه اي تونل حفر كرد | در حال حاضر قطر 6 تا 40 فوت | با ابعاد باز و كنترل مي شود به طور كلي 5 تا 14 فوت ولي از طريق حفر پله اي هر اندازه اي مي توان حفر كرد |
زمينهاي فشاري يا مچاله شونده | گاهي مشكل | احتمالاً گيرخواهد كرد مگر اين كه پايه هاي گام زن داشته باشد يا قادر به كاهش اندازه باشد | گاهي مشكل |
مشكلات شروع كار | شديد نيست | شديد و مستلزم ملاحظات خاص است | شديد نيست |
مشكلات راهبري و هدايت | وجود ندارد | به شرايط زمين بستگي دارد. شيب و جهت بايد به شدت كنترل شود. | وجود ندارد. |
مشكلات نقشه برداري | زياد | كم | متوسط |
يكنواختي و يكساني اندازه تونل | ضروري نيست مي توان انشعاب و تغيير سطح مقطع ايجاد نمود. | بينهايت مهم | چندان مهم نيست |
بهره دهي تجهيزات | 35درصد | 40 درصد | 60 درصد |
رسهاي خيلي محكم | قابل استفاده | با استفاده از برش دهنده هاي مخصوص همراه با سپرها | استفاده نمي شود |
لرزش | پمپ زياد(درجريان آتشباري) | متوسط | بالا |
نيروي كار انساني | بسيار ماهر (ناظر آتشباري انتخابي) | بسيار ماهر و متخصص (اپراتورها و مكانيسين ها) | ماهر |
1-4- هزينه ها
همانگونه كه در معايب حفر مكانيزه گفته شد و در جدول 1-2 نيز آورده شده است، زمان و هزينه هاي ساخت اين دستگاهها بسيار بالا مي باشد، لذا براي پروژه هاي كوچك به صرفه نخواهد بود.
بطور كلي هزينه ها را مي توان به دو دسته ثابت و متغير طبقه بندي كرد. منظور از هزينه هاي ثابت هزينه هايي است كه با تغيير شرايط زمين و راندمان اجرايي ماشين تغيير نمي كند. مانند هزينه ماشين، دستگاه تهويه، سيستمهاي بارگيري و … و هزينه هاي متغير شامل هزينه هاي كارگر، انرژي، نگهداري، تعمير وسايل و … كه مي تواند با ميزان پيشروي جنس زمين و عوامل مختلفي كه با آن در اجراي طرح مواج مي شويم تغييركند.
در روش ماشيني معمولاً هزينه هاي ثابت، بالاتر از هزينه هاي متغير است ولي در روش حفاري دستي هزينه هاي متغير بالاتر است. بعنوان مثال هنگامي كه از ماشين حفاري استفاده مي شود، تمام هزينه ها تقريباً خود دستگاه مي باشد و هنگامي كه از روش حفاري دستي و سنتي استفاده مي شود اكثر هزينه ها (در صورتيكه از ماشينهايي مثل دستگاههاي هيدروليكي حفار هم استفاده مي شود)، هزينه هاي نيروي انساني و كارگر است.
معمولاً از طول مشخصي به بعد روش ماشيني اقتصادي تر به نظر مي رسد در صورتيكه قبل آن از روش حفاري دستي اقتصادي تر به نظر مي رسد.
از عوامل مؤثر ديگر مي توان به شيب تونل اشاره كرد، واضح است كه با افزايش شيب، به بالا مسائلي مانند درگيرنشدن مناسب پيشاني برشي ماشين با جبهه كار تونل و نياز تقويت جكهاي هيدروليكي ماشين براي مقابله با مؤلفه وزن ماشين مطرح مي شود و شيب به سمت پايين نيز مشكل جمع شدگي آب در جبهه كار تونل و انتقال مواد حاصل از حفاري به خارج تونل را پديد مي آورد كه در ابتداي كار بايد به اين مسائل توجه كافي داشت ولي به هر حال هزينه بالا و راندمان پايين تر خواهد بود. البته ماشينهايي براي كار در شيب به طور خاص طراحي شده اند، مثلاً ماشين حفار تمام مقطعي وجود دارد كه تا زاويه 45 درجه بالاي افق و 18 درجه پايين آن را مي تواند حفر كند.
[1] – tunnel
[2] – shaft
[3] – Covern
[4] – Rock Breaking
[5] – Soil Digging
[6] – Material Handing
[7] – Rock or Soil Penetration
[8] – Rock Fragmentation
[9] – Solution Mining
[10] – Drag Bit
[11] – Loading
[12] – Howlage or Hoisting
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.