پیکربندی بازشوهای کله‌حفار ماشین‌های حفار تمام مقطع تونل در زمین نرم با در نظرگیری مطالعات میدانی و عددی

مشخصات مقاله

نویسندگان

داریوش محمدی، کوروش شهریار، پرویز معارف‌وند، ابراهیم فرخ

محل انتشار

Journalof Mining and Environment (JME)

سال انتشار

9 آگوست 2024

خلاصه مقاله

طراحی مناسب بازشوهای صفحه حفار در ماشین‌های حفاری مکانیزه تمام‌مقطع (TBM) یکی از مهم‌ترین عوامل تعیین‌کننده در عملکرد حفاری، به‌ویژه در زمین‌های نرم و مخلوط است. صفحه حفار، به‌عنوان جزء اصلی تماس با جبهه کار، در معرض فشار مداوم قرار دارد و شکل‌گیری بازشوهای مناسب می‌تواند نقش اساسی در بهره‌وری، جلوگیری از گرفتگی خاک و انتقال یکنواخت مصالح حفاری‌شده ایفا کند. این مقاله با جمع‌آوری یک پایگاه داده جامع از طرح‌های صفحه حفار مورد استفاده تولیدکنندگان مختلف TBM و طبقه‌بندی ۳۶ الگوی متفاوت بازشو برای ماشین‌هایی با قطر بیش از ۵ متر، اصول طراحی بهینه بازشوها را بر اساس تجارب صنعتی و داده‌های واقعی پروژه‌ها تبیین می‌کند.

در ادامه، مقاله با استفاده از روش المان مجزا، عملکرد صفحه حفار در پیکربندی‌های مختلف بازشو—در بخش مرکزی و نواحی پیرامونی—مورد تحلیل قرار می‌دهد. این ارزیابی عددی بر پایه پارامترهای مکانیکی، مشخصات خاک (چسبنده، غیرچسبنده، زمین‌های مخلوط)، و ویژگی‌های تماس ذرات انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش درصد بازشو در ناحیه مرکزی صفحه حفار برای خاک‌های چسبنده منجر به بهبود روانی خاک، کاهش احتمال گرفتگی و کاهش نیروهای رانش و گشتاور مورد نیاز می‌شود. در مقابل، برای خاک‌های غیرچسبنده و زمین‌های مخلوط، افزایش بازشو در ناحیه پیرامونی انتقال یکنواخت مصالح و جلوگیری از نقاط کور در صفحه حفار را تضمین می‌کند. این رفتار با تحلیل سه صفحه حفار مورد استفاده در پروژه‌های متروی تهران نیز تطبیق داده شده است.

به‌طور کلی نتایج مقاله بر ضرورت تفکیک صفحه حفار به دو ناحیه اصلی در طراحی بازشوها تأکید دارد: «Zone 1» شامل مرکز تا بازوهای چرخشی و «Zone 2» شامل نواحی پیرامونی تا لبه صفحه حفار. یافته‌ها نشان می‌دهد که در زمین‌های چسبنده باید درصد بازشو در ناحیه مرکزی بیشتر باشد، در حالی‌که در زمین‌های غیرچسبنده، بازشوهای وسیع‌تر در نواحی پیرامونی عملکرد بهتری فراهم می‌آورد. بر اساس ترکیب داده‌های تولیدکنندگان، شبیه‌سازی عددی و مطالعات میدانی در پروژه‌های واقعی ایران، مقاله نسبت بهینه بازشو را برای آبرفت‌های تهران ۳۰ تا ۵۰ درصد در Zone 1 و ۳۰ تا ۴۰ درصد در Zone 2 پیشنهاد می‌کند؛ محدوده‌ای که می‌تواند مبنای طراحی‌های آینده در پروژه‌های حفاری شهری قرار گیرد.