: تلفن یشماره ؛17311-47647: کدپستیشرکت مهندسین مشاور هندسه پارس؛ ؛1کردستان جنوب؛ نبش خیابان هفدهم؛ پالک تهران؛ بزرگراه *

omid.frough@gmail.comرایانامه: ؛120-11334786دورنگار: ؛11334788-120

یزیرزمین فضاهای و تونل مهندسی ینشریه

Tunneling & Underground Space Engineering (TUSE) 1312 تابستان/1 یشماره -2 یدوره

tuse.shahroodut.ac.ir

سنگ مهندسی هاییستمس رویکرد از استفاده با TBM پیشروی نرخ بینیپیش

4؛ سید محمد اسماعیل جاللی3یفرهنگ سرشک؛ 2سید رحمان ترابی؛ *1امید فروغ

مهندسین مشاور هندسه پارسبخش تونل سرپرست ؛مهندسی معدن دکترای تخصصی -1

شاهروددانشگاه ؛ معدن، نفت و ژئوفیزیکی مهندسی ؛ دانشکدهاستاد -0

ی مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک؛ دانشگاه شاهروددانشکده؛ یاردانش -7و 3

03/06/1392: مقاله؛ پذیرش 01/09/1391نوشته: دریافت دست

چکیده واژگان کلیدی

عوامل ناختش. است (Advance Rate) پیشروی نرخ بینیپیش مکانیزه، حفاری در مهم لمسای از یکی

هایزمان از تریدقیق تخمین توانمی آن یوسیله به که تاس اهمیت زحای نظر این از وریبهره بر تاثیرگذار

TBM عملکرد بینیپیش برای زیادی هایمدل. آورد دست به اجرایی هایهزینه نتیجه در و حفاری و توقف

از استفاده با مقاله این در. بوده است نفوذ نرخ بینیپیش برای مدلی تنها هاآن از بسیاری که اندیافته توسعه

بر سنگتوده پارامترهای تاثیر ،(RES: Rock Engineering Systems) سنگ مهندسی هاییستمس رویکرد

رویکرد از توام یاستفاده با پیشروی نرخ بینیپیش برای مدلی و قرارگرفته ارزیابی مورد TBM پیشروی نرخ

،کرج آب انتقال هایتونل منظور این برای. است شده هارای رگرسیون تحلیل و سنگ مهندسی هایسیستم

با که گوناگون سنگتوده واحد 00 شامل کیلومتر، 78 طول مجموع با ی سوم و چهارمقطعه ،قمرود آب انتقال تونل و دوم و اول یقطعه

از اصلح پیشروی اندیس مبنای بر دو یدرجه یهگزار یک نهایت در. است گرفته قرار مطالعه مورد ،اندشده حفاری ،DS-TBM از استفاده

.است شده هارای رگرسیون تحلیل از استفاده با سیستمی روش

مکانیزه حفاری

پیشروینرخ

وریضریب بهره

مهندسی سنگ هایسیستم

تحلیل رگرسیون

ماتریس اندرکنش

پیشگفتار -1بینی نرخ ها به روش مکانیزه، پیشاز آغاز حفاری تونل

بوده است. این ل مهندسی تونل یکی از مسای پیشروی

( وPenetration Rate، مستلزم تخمین نرخ نفوذ )فرآیند

( است. نرخ نفوذ Utilization factorوری )ضریب بهره

حفاری به ی شده به مدت زمان انجام طول حفار نسبت

نسبت طول واقعی نرخ پیشروی .استصورت پیوسته

حفاری شده به کل زمان حفاری، نگهداری و سایر توقفات

است. نرخ پیشروی برابر با حاصل ضرب نرخ نفوذ در ضریب

وری نسبت وری است و یا به عبارتی دیگر، ضریب بهرهبهره

.است تونلسازی ن عملیاتزمان حفاری ماشین به کل زما

عملکرد یبسیاری در زمینه تا کنون پژوهشگران

TBM رخی به بررسی نرخ نفوذ اکتفا و اند. بمطالعه کرده

یا خصوصیات TBMرا بر اساس پارامترهای هایی گزاره

اند. به عنوان مثال راکسبورو و فیلیپس ه نمودهسنگ ارایتوده

(Roxborough and Phillips ) بر اسـاس نیروی غلتشی

نودناس ،[1] (V-Shapeشکل )وی کاترهایدیسک

(Snowdon) م و غلتشی های قایو همکاران بر اساس نیروی

ی با بررسی تنش کشش (Sanio) سانیو، [2]دیسک کاتر

و (Tarkoy) تارکوی، [3]مورد نیاز برای تشکیل تراشه

تک بر اساس مقاومت فشاری (Graham) سپس گراهام

با بررسی و همکاران( Innaurato)اینائورتو ، [4]محوری

22-13ص : سنگ مهندسی هایسیستم رویکرد از استفاده با TBM پیشروی نرخ بینیپیش

14

( و مقاومت فشاری تک RSR) بندی ویکهامعدد طبقه

یبر پایه (Palmstrom) پالمستروم ،[5]سنگ بکر یمحوره

(Bieniawski) و بینیاوسکی[6] (RMI)سنگ شاخص توده

RME: Rock Mass) سنگاساس قابلیت حفاری توده بر

Excavability) [7]را برای تخمین نرخ نفوذ هاییگزاره

با ارزیابی 0224در سال (Yagiz) ند. یاگیزاهپیشنهاد نمود

یگزاره، یک TBMعملکرد سنگ برتاثیر خواص توده

. [8] ه استه دادارای TBMتجربی برای تخمین عملکرد

یمحورهدر نظر گرفتن مقاومت فشاری تک هایی نیز بامدل

ها و اندیس نفوذ میدانی داری ناپیوستگیسنگ بکر و فاصله

TBM و [9] اده شده است بینی نرخ نفوذ توسعه دبرای پیش

[10].

و آب زیرزمینی بر RMR ،RQDتاثیر (Kim) کیم

ه استسازی نمودروش فازی مدلوری را با ضریب بهره

ی عصبی با استفاده از شبکه (Benardos) . بناردوس[11]

و RMR ،UCS ،RQDترهایی مانـند مصنوعی تاثیر پارام

ق ایداری، شـرایط آب زیرزمینی و عمچنیـن ضریب پهم

. فروغ [12] ه استرا تخمین زد TBMتونل بر نرخ پیشـروی

های آماری، مدلی برای و همکاران نیز با استفاده از روش

ی وربر بهره RMRسنگ با توجه به تخمین تاثیر شرایط توده

.[13] انده نمودهارای TBMو توقفات

های به عنوان مدل TBMQو CSM ،NTNUهای مدل

ها اند. این مدلشناخته شده TBMبینی عملکرد اصلی پیش

دو روش در هر ،مبنای متفاوتی دارند و معموالً در یک پروژه

تجربی -یک مدل تئوریCSM روند. مدل کنار هم به کار می

و ( Ozdemir)آن توسط ازدمیر یاست که اولین نسخه

. این مدل بر [14] ه شده استارای 1444سال همکاران در

مبنای بانک اطالعاتی حاصل از آزمایش بزرگ مقیاس برش

تواند نیروهای مورد نیاز برای برش سنگ و خطی که می

تگیری کند، بنا شده اسپارامترهای مربوط به آن را اندازه

با وع حفاری مکانیزه در نروژپس از شر NTNU. مدل [15]

استفاده از اطالعات جدید به روز شده است. این مدل بر

082بیش از پروژه در 38بنای اطالعات سیستماتیک م

توسط TBMQمدل .[16] کیلومتر تونل توسعه یافته است

به منظور تخمین نرخ نفوذ و نرخ پیشروی (Barton) بارتن

TBM سنگ بندی تودهطبقه سیستمو بر اساسQ بنا شده

مقاومت فشاری و ها، داری ناپیوستگیاست. تاثیر جهت

و درصد کوارتز سنگ CLIکششی سنگ بکر، شاخص عمر

و پارامترهای موثر اندرکنش بین سنگ و ماشین در آن در

.[17] نظر گرفته شده است

سنگ مهندسی هایسیستم رویکرد -2

ای اولین بار توسط هادسونمهندسی سنگ بر هایسیستم

(Hudson) و از آن زمان ه استمعرفی شد 1440در سال

ته ل مهندسی به کار رفای در حل مسایبه طور گسترده

ها محیطی، مدیریت زبالهاست. این روش در مطالعات زیست

و پسماندها، طراحی فاضالب شهری، آلودگی هوا، پایداری

مورد استفاده قرار گرفته های زیرزمینی شیب و طراحی سازه

محیطی، میزان آلودگیبررسی میزان خطرات زیست است.

هایی از کاربرد ای نمونههای هستهمدیریت زبالهها و رودخانه

.[18] استاین روش

های در مهندسی سنگ نیز کاربرد این روش

توان به کاربرد آن در داشته است. از آن جمله می ایگسترده

های زیرزمینی ها و سازهها طراحی تونلتحلیل پایداری شیب

محل ساخت نیروگاه زیرزمینی توسط شانگ مانند گزینش

(Shang) ارزیابی [19] 0222در سال و همکاران ،

های ژئوتکنیکی در حفر تونل متروی آتن توسط ریسک

(Benardos & Kaliampakos) بناردوس و کالیامپاکوس

ها توسط شین ، ارزیابی ناپایداری تونل[20] 0227در سال

(Shin) این [21] نموداشاره 0224در سال و همکاران .

روش در ارزیابی پایداری شیب نیز توسط محققین مورد

توان به تحقیقات کاکایی و زارع استفاده قرار گرفته که می

. [22] و [18]اشاره نمود 0210و 0211های نقدهی در سال

هایسیستمبا استفاده از 0213فروغ و ترابی در سال

بر اثر TBMبرای تخمین توقفات ایگزارهمهندسی سنگ

.[23]ند اهه نمودارایسنگ پارامترهای توده

های اندرکنش ابزاری در رویکرد سیستمی، ماتریس

قوی هستند که تاثیر متقابل پارامترهای موثر بر یکدیگر را

سنجد. در ماتریس اندرکنش پارامترهای در مقیاسی برابر می

گیرند و اندرکنش موثر روی قطر اصلی ماتریس قرار می

گذاری، در عناصر غیر پارامترها با یکدیگر بر حسب آن با کد

شود. در شناسایی پارامترهای قطری ماتریس مشخص می

های برگشتی و ارزیابی بحرانی، مسیرهای تاثیرگذار، حلقه

های انتخابی مهندسی از ماتریس اندرکنش استفاده تکنیک

1392 تابستان ؛1 یشماره ؛2 یدوره زیرزمینی؛ فضاهای و تونل مهندسی پژوهشی-علمی ینامهدوفصل

12

.[24]شود می

های اندرکنش پارامترهای اصلی در قطر در ماتریس

اندرکنش دو 1شکل شوند. اصلی ماتریس قرار داده می

های اندرکنش ابزاری دهد. ماتریسرا نشان می Bو Aپارامتر

مهندسی سنگ و هایسیستمبرای استفاده در رویکرد قوی

هستند.اثیر عوامل اصلی بر یکدیگر های تممکانیس نمایش

B [24]و Aماتریس اندرکنش برای دو پارامتر -1شکل

طبق نظر هادسون، پنج روش مختلف برای کدگذاری

ها شامل روش ماتریس اندرکنش وجود دارد. این روش

دوتایی، روش کدگذاری دوم به روش نیمه عددی خبره

(ESQ روش استفاده از شیب نمودار پارامترها، روش ،)

رویکرد سیستمی مستقیم و روش صریح از یک تطبیقی

ها، تا حد زیادی موفق در میان سایر روش ESQروش .است

نوع ،است. این روش ایی داشتهگسترهبوده و تاکنون کاربرد

دارای پنج کالس کدگذاری ای از روش دوتایی و یافتهعمیمت

.[22] ،(1 جدولست )ا 7تا 2از

های قراردادی در ماتریس اندرکنش توصیف رتبه -1 جدول

EQS [24]به روش

مقدار پارامتر

2 اندرکنش وجود عدم

1 ضعیف اندرکنش

0 متوسط اندرکنش

3 قوی اندرکنش

7 بحرانی اندرکنش

مطالعات موردی -3

سنگ بر نرخ پیشروی، سه بررسی تاثیر شرایط توده برای

سازی مکانیزه مورد مطالعه قرار گرفته است. تونل یپروژه

و 1 یهای انتقال آب کرج قطعههای مورد نیاز از تونلداده

78لی با طول ک 7و 3و تونل انتقال آب قمرود قطعات 0

سنگی به دست آمده است.واحد 00کیلومتر، شامل

321/16270با طول 1 یقطعه ،تونل انتقال آب کرج

( با استفاده از درصد 134/2) 22134/2متر و شیب طولی

TBM-DS متر اجرا شده است. این 4/3 یبا قطر تمام شده

یهای تشکیل دهندهسنگ .قرار داردتونل در سازند البرز

ف سبز، توف آوارای شامل توتر از رسوبات آذربیش ،منطقه

های نفوذی های توفی و تودهسنگبرشی، توف سیلتی ماسه

های دانه، بخشمونزودیوریت و مونزوگابرو، کنگلومرای ریز

. [26] (،2شکل ) استسیلت و گدازه و حتی آگلومرایی

[26] 1ی شناسی مسیر تونل انتقال آب کرج قطعهزمین مقطع -2شکل

22-13ص : سنگ مهندسی هایسیستم رویکرد از استفاده با TBM پیشروی نرخ بینیپیش

16

از حوالی روستای کندر 0 یتونل انتقال آب کرج قطعه

با استفاده از 22134/2متر و شیب طولی 1/13742با طول

دست سد تا پایین ی اول بعد از اورهالقطعه TBMهمان

از متراژ های مورد استفادهرج اجرا شده است. دادهتنظیمی ک

به دست آمده است. واحدهای 12634تا متراژ 138

های مسیر تونل شامل سنگ یدهندهشکیلسنگی تتوده

استون، واحدهای دارایسنگ و سیلترسوبی مانند ماسه

هستند. سنگ توفیمنشا آذرآواری مانند توف و ماسه

شامل های آذرین مسیر از سنگهمچنین بخش بزرگی از

مونزودیوریت، مونزوگابرو، میکروگابرو و برش الوایی آندزیتی

شناسی زمین مقطع 3شکل . در [22] تشکیل شده است

دوم تونل کرج نشان داده شده است. یمهندسی مسیر قطعه

[22] 2 یشناسی مسیر تونل انتقال آب کرج قطعهزمین مقطع -3شکل

11تونل انتقال آب قمرود به طول 7و 3قطعات

1/3 یتونل بلند قمرود با قطر تمام شدهکیلومتر، بخشی از

ثانیه است. متر مکعب بر 03و دبی طراحی متر

های ماسه سنگ شاملهای درونگیر این تونل، سنگتوده

شیل و ،دگرگونی اندک یریزدانه کوارتزدار با درجه

های کوارتز های گرافیتی، شیست، شیستهای متورقاسلیت

. در انتهای این بخش هستندهای کوارتزیتی و میکادار و رگه

-های رسیو آهکمتورق های متورق و نیمهآهکاز تونل

4شکل اند. درگرفتهالیه قرار ای نازک تا متوسطماسه

تونل 7و 3 یشناسی مهندسی مسیر قطعهزمین مقطع

.[29]و [22] قمرود نشان داده شده است

RES از استفاده با پیشروی نرخ برآورد -4مدلی برای تخمین نرخ پیشروی با استفاده از یهارایبرای

RES عالوه بر شرایط کیفی زمین درونگیر تونل، پارامترهای

سنگ نیز در ماتریس اندرکنش در نظرگرفته شده است. توده

ذ دستگاه حفاری وری یا نرخ نفواین پارامترها در کاهش بهره

نظر گرفتن . به این ترتیب با در هستندگذار یا هر دو تاثیر

ها بر یکدیگر نیز در پارامترهای موثر، اندرکنش و تاثیر آن

یازدهی به این پارامترها بر این مدل لحاظ شده است. امت

انجام شده است. 2جدول اساس

:ترین عوامل تاثیرگذار یکی از مهم ناپایداری احتمالی

وری بر توقفات دستگاه حفاری و کاهش ضریب بهره

بندی بر اساس زمان خودپایداری تونل تقسیم است و

شده است.

این پارامتر عالوه بر تاثیر در ها: داری ناپیوستگیفاصله

کاتر هد افتادن گیر یکی از عوامل مهم شرایط پایداری

. این پارامتر همچنین بر نرخ نفوذ میز تاثیرگذار است

بندیها با توجه به تقسیمداری ناپیوستگیاست. فاصله

RME سنگ مکعب توده و برحسب تعداد درزه در متر

در نظر گرفته شده است.

این پارامتر نیز تاثیر زیادی ها:ناپیوستگی داریجهت

1392 تابستان ؛1 یشماره ؛2 یدوره زیرزمینی؛ فضاهای و تونل مهندسی پژوهشی-علمی ینامهدوفصل

12

.در نظر گرفته شده است RMEبندی تقسیمدارد و با توجه به TBMوری در نرخ نفوذ و ضریب بهره

[22]تونل انتقال آب قمرود 4و 3مسیر قطعات شناسی زمین مقطع -4شکل

دهی پارامترهای موثر بر نرخ پیشرویامتیاز -2جدول

نشانه پارامتر امتیازدهی

4 3 2 1 صفر

صفر a P1 71< 10 - 71 8 - 10 < 8*ناپایداری احتمالی

>02 02 - 18 18 - 1 1 - 7 7 -صفر b P2*داری ناپیوستگیفاصله

- - موازی مایل عمود P3 *داری ناپیوستگیجهت

- c P4 112< 42 - 112 32 - 42 < 32*مقاومت فشاری

- - جریان مرطوب خشک P5 *شرایط آب زیرزمینی

- - زیاد کم ندارد P6 وجود رس

- - زیاد متوسط کم P7 سایندگی سنگ

- - زیاد کم ندارد P8 لهیدگی

- - - دارد ندارد P9 سینه کار مختلط

- - زیاد کم ندارد P10 تصاعد گازهای سمی

RMEبندی * بر اساس طبقه

a :ناپایداری احتمالی بر مبنای زمان خود ایستایی بر حسب ساعت

b :مکعب هر مترناپیوستگی بر مبنای تعداد درزه در داری فاصله

c :مقاومت فشاری سنگ بکر بر حسب مگاپاسکال

22-13ص : سنگ مهندسی هایسیستم رویکرد از استفاده با TBM پیشروی نرخ بینیپیش

12

ترین مهم سنگ بکر: یمقاومت فشاری تک محوره

بر روی سایر عوامل در پارامتر مقاومتی سنگ است و

نظر گرفته شده نظیر پایداری و به خصوص میزان نفوذ

دیسک کاتر به سنگ تاثیر دارد. این پارامتر نیز با توجه

در نظر گرفته شده است. RMEبندی به تقسیم

:اصلی دلیلآب زیرزمینی شرایط آب زیرزمینی

وری در و به طبع آن کاهش بهره TBMتوقفات

ی به دست آمدهها بوده است. تجربهپروژهبسیاری از

های مختلف نشان داده است که جریان آب در پروژه

تواند مشکالت زیادی ایجاد نماید. می

های وجود رس و کانی های چسبنده:وجود رس و کانی

بارگیری و ،کالگینگ یچسبنده عالوه بر ایجاد پدیده

حمل مصالح حاصل از حفاری را نیز دچار اختالل

نماید. می

های ساینده مانند کوارتز در کانی سنگ:سایندگی

های کوارتزی در بین سنگ و همچنین وجود رگهتوده

نرم از عوامل فرسایش و یا خرابی ابزار برشی یالیه

کاهش وری سببعالوه بر کاهش ضریب بهره است و

شود.مینیز نرخ نفوذ

:کاتر گیر افتادن سپر و سببلهیدگی یپدیده لهیدگی

سازی آن ممکن است زمان زیادی صرف آزاد شده و هد

شود.

کار مختلط عالوه بر گیر هجبه کار مختلط:هجبه

، ممکن است باعث افزایش نرخ کاتر هدانداختن

فرسایش ابزار حفاری و حتی آسیب دیدن آن شود. این

را نیز به همراه دارد.موضوع کاهش نرخ نفوذ

:گازهای سمی عالوه بر خطرات تصاعد گازهای سمی

جانی، با توجه به استفاده از تجهیزاتی مانند ماسک و

شود. با توجه به می وریکاهش بهرهسبب کپسول هوا

خردگی و آسیب تجهیزات نوع گاز در مواردی

بروز تاخیرات و توقفات ناخواسته الکترونیکی، سبب

شود. کاهش بازدهی تهویه نیز از دیگر اثرات آن می

است.

تشکیل ماتریس اندرکنش برای ،3جدول با توجه به

پارامتر بیان شده، پارامتر یازدهم یعنی نرخ 12عالوه بر

شده پیشروی مورد انتظار نیز در قطر اصلی ماتریس گنجانده

کند، آخر عبور می یدرایه که از . ستون اندرکنشیاست

سنگ درونگیر تونل، نرخ دهد که چگونه تودهنشان می

به همین دهد.ثیر قرار میرا تحت تا ورد انتظارپیشروی م

خ اثر نر یدهنده، نشانشکل سطر عبوری از این درایه

در واقعیتاین کاربرد بر سیستم است. مورد انتظارپیشروی

صفر شدن دلیل و است نرخ پیشروی بالقوه زیرادارد؛ وجود ن

ر یازدهم نیز همین مسئله است. های سطدرایه تمامی

مجموع تمام وانجام ESQروش کدگذاری ماتریس نیز با

و مجموع تمام کدهای ستون Cکدهای سطر با عنوان علت

برای هر پارامتر محاسبه شده است. Eبه عنوان اثر

ماتریس اندرکنش -3جدول

C∑ اثر

تعل

P1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 7 4

7 P2 2 2 2 2 2 0 2 0 3 11

3 2 P3 2 1 2 1 1 2 1 3 10

3 2 2 P4 2 2 0 2 1 2 0 2

2 2 2 2 P5 2 2 2 2 2 3 3

0 1 2 2 0 P6 2 1 2 2 0 9

3 2 2 2 2 2 P7 2 2 2 3 6

3 2 2 0 1 2 1 P8 2 0 3 12

0 2 2 3 1 1 0 2 P9 2 0 11

2 2 2 2 2 2 2 2 2 P10 3 3

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 P11 0

∑E 20 1 0 2 2 1 6 4 1 2 22

1392 تابستان ؛1 یشماره ؛2 یدوره زیرزمینی؛ فضاهای و تونل مهندسی پژوهشی-علمی ینامهدوفصل

19

زمانی که مجموع مقادیر عددی هر سطر )علت( و

منتقل مجموع مقادیر هر ستون )اثر( به محورهای مختصات

دار آورند. در این نمواثر را پدید می-نمودار علت شوند،

گیرند، راست نمودار قرار می-پارامترهایی که در بخش پایین

د و پارامترهای واقع در باال بر روی سیستم تسلط دارن

چپ تحت اثر سیستم قرار دارند. هیستوگرام شدت -سمت

ترین دهد کدام پارامترها بیشها نیز نشان میاندرکنش

نش را در سیستم دارند.اندرک

اثر و -به ترتیب نمودار علت 6شکل و 2شکل در

هیستوگرام شدت اندرکنش پارامترها نشان داده شده است.

نرخ ) 11اهده می شود، پارامتر مش 2شکل در همانطور که

تحت اثر سیستم قرار دارد. از طرف دیگر کامالً (پیشروی

ترین تاثیر را بر سیستم بیش 4و 1، 6، 3، 0پارامترهای

برای هر (C+E)مجموع علت و اثر یمحاسبهدارند. با

د.هیستوگرام شدت اندرکنش را رسم نمو توانپارامتر می

دهد ناپایداری بالقوه و لهیدگی نیز نشان می 6شکل

یتغییر کهترین اندرکنش را در سیستم دارند بطوریبیش

گذارد. توقفات بلند سیستم می برها تاثیر زیادی اندک در آن

های مکانیزه بر اثر این دو عامل نیز حفاری در تونل

این امر است. یدهندهنشان

اثر-نمودار علت -2شکل

هیستوگرام شدت اندرکنش پارامترها -6شکل

ARi اندیس پیشروی که از این پس یمحاسبه برای

(1) ی، از گزارهسنگشود، برای هر واحد تودهنامیده می

و 12تا 1مربوط به پارامترهای iکه بطوری .شوداستفاده می

j دهد. همچنین سنگ مورد نظر را نشان میواحد تودهia

که با استفاده از استضریب وزنی هر کدام از پارامترها

M گزاره. در این [24] شودمحاسبه می (2) یگزاره

امتیاز اختصاص داده شده به هر ijPو ijP مقدارترین بیش

را نشان ARi یمحاسبه ینحوه 4جدول است. پارامتر

دهد.می

(1) 𝐴𝑅𝑖(𝑖𝑗) = ∑ 𝑎𝑖 × 𝑃𝑖𝑗

10

𝑖=1

(0) 𝑎𝑖 =1

𝑀𝑃𝑖𝑗×

(𝐶 + 𝐸)

∑ (𝐶 + 𝐸)𝑖%

پیشروی، نرخ و اندیس بین برای بررسی ارتباط

2جدول در وارزیابی با تحلیل رگرسیون، مختلف هایگزاره

را نشان هاگزارهاین نیز نمودار 2شکل آورده شده است.

یک است که (3)ی گزارهمعنادار، یگزارهدهد. تنها می

است. واحد بر اساس اندیس پیشروی 0 یی درجهمعادله

است. 731/2گزاره برابر با 2Rنرخ پیشروی متر بر روز و

(3) 𝐴𝑅 = −0.012𝐴𝑅𝑖2 + 0.81𝐴𝑅𝑖 + 5.53

با (3) یگزارهنتایج به دست آمده از 1 شکل در

میتمااند. در مقادیر واقعی نرخ پیشروی مقایسه شده

. است 1:1خط برازش شده بسیار نزدیک به خط ،هاشکل

تاثیر سبببه (3) یگزاره چه اگردهد این موضوع نشان می

پارامترهای دستگاه در نرخ پیشروی که در این مدل لحاظ

نشده، از ضریب رگرسیون باالیی برخوردار نیست، نقاط به

دست آمده به فواصل متناسبی در دو طرف این خط پراکنده

P1

P2 & P9

P3

P4

P5 & P10

P6

P7

P8

P11

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30

ثرا

علت

0

5

10

15

20

25

30

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11

ت عل

+ثر

ا

پارامتر

22-13ص : سنگ مهندسی هایسیستم رویکرد از استفاده با TBM پیشروی نرخ بینیپیش

20

سه ،مانده برای هر متغیر لیل باقیبررسی و تح برایاند. شده

شده است. نتایج نشان داده 9شکل در ونمودار ترسیم

نرمال بودن خطا، میانگین خطا برابر این نمودارها،حاصل از

نماید.با صفر و ثابت بودن واریانس خطا را تایید می

(ARiی اندیس پیشروی )محاسبه -4جدول

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 ARi واحد ردیف

1 Cz 7 7 1 3 2 1 1 2 0 2 63/92

2 Gta-1-1 0 3 1 0 2 1 2 2 0 2 43/22

3 Tsh 2 0 1 0 1 2 2 1 2 2 23/66

4 Gta-2 2 0 1 0 2 2 2 2 2 2 13/92

2 Gta-1-2 2 0 1 1 2 1 2 2 1 2 23/66

6 Sts-1 2 1 1 1 1 2 2 0 2 2 24/46

2 Mdg 2 1 1 0 2 2 2 1 2 2 12/01

2 Gta-3 2 1 1 1 2 2 2 1 2 2 14/29

9 Sts-2 2 2 1 1 1 2 2 1 2 2 12/29

10 Gta-4 2 2 1 1 2 2 2 1 2 2 12/32

11 MG 2 2 1 1 2 2 2 1 2 2 12/32

12 SC 1 2 1 0 2 2 2 1 2 2 20/43

13 SC2 1 2 1 0 2 2 2 1 2 2 20/43

14 MO 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 9/14

12 CZ2 7 7 1 3 2 2 2 1 2 2 42/22

16 GT 2 2 1 0 2 2 2 0 2 2 22/04

12 K1 2 2 1 0 2 2 2 1 2 2 12/29

12 K2 1 1 1 0 2 2 2 1 2 2 22/22

19 K3 7 7 1 0 2 2 2 0 2 2 21/02

20 J1 1 3 1 0 1 1 0 1 2 2 42/66

21 J2 1 0 1 0 1 1 1 1 2 2 41/40

22 J3 7 7 1 0 2 2 0 0 2 2 60/22

Max Pij 7 7 3 3 0 1 0 0 0 0 -

𝑪 + 𝑬

∑ 𝑪𝒊 + ∑ 𝑬𝒊% 14/38 4/61 1/26 4/61 6/78 1/26 4/61 10/42 4/61 6/78 100

ai 7/17 0/70 0/64 3/03 3/03 1/26 7/17 6/78 7/17 3/03 -

نتایج تحلیل رگرسیون -2جدول

.2R F Sig f تابع متغیر وابسته متغیر مستقل

ARi AR (m/d)

727/2 406/2 238/2 خطی

484/2 244/2 228/2 لگاریتمی

144/2 207/2 221/2 معکوس

227/2 72/4 731/2 0ی درجه

771/2 60/2 232/2 توانی

148/2 41/1 242/2 نمایی

1392 تابستان ؛1 یشماره ؛2 یدوره زیرزمینی؛ فضاهای و تونل مهندسی پژوهشی-علمی ینامهدوفصل

21

های به دست آمده از تحلیل رگرسیوننمودارهای گزاره -2شکل

گیری شدهبینی شده و اندازهپیش پیشرویی نرخ مقایسه -2شکل

R² = 0.44

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25

ده ش

ییر

ه گداز

ان

پیش بینی شده

Line 1:1

AR

Linear (AR)

مشاهده شده خطی لگاریتمی معکوس

2ی درجه توانی نمایی

ARi

AR

22-13ص : سنگ مهندسی هایسیستم رویکرد از استفاده با TBM پیشروی نرخ بینیپیش

22

ARi باAR یرابطه برای هامانده باقی تحلیل -9شکل

گیرینتیجه -2

وری سنگ عالوه بر کاهش ضریب بهرهشرایط نامساعد توده

این عوامل ،. به این ترتیبشودکاهش نرخ نفوذ نیز می سبب

را به همراه TBMکاهش شدید نرخ پیشروی توانندمی

اپایداری بالقوه و ن ،اثر-با توجه به نمودار علت. داشته باشند

. هستنددر این سیستم ترین اندرکنش بیشدارای لهیدگی

ها و داری ناپیوستگیداری و جهتاز طرف دیگر فاصله

ترین تاثیر را بر سیستم دارند. البته باید سایندگی نیز بیش

های توقف ماشین شامل زمان تعویض در نظر داشت زمان

بندی شده و موردی، دیوارگیری ها، تعمیرات زماندیسک

داری یا مشکالت ترابری، نصب نگه سببمجدد، توقف به

زیادی در کاهش نرخ نیز تاثیر قطع برق و تعویض شیفت

ایگزارهبه دست آوردن برای پژوهشدر این پیشروی دارند.

پیشروی از رویکرد سنگ و نرخ بین پارامترهای توده

اندیس پیشروی ومهندسی سنگ استفاده هایسیستم

بین نرخ و اندیس یمحاسبه شده است. برای بررسی رابطه

شده رگرسیون بررسی مختلف با تحلیل هایگزارهپیشروی،

ست ا 0ی ی درجهگزارهیک مربوط به بهترین نتیجه است.

(77/2=2R این .)تر برای تخمین دقیقدهد نشان می گزاره

در نظر گرفته ست پارامترهای دستگاه حفاری نیز ا الزم

به طوری که استتری این امر مستلزم مطالعات بیش شوند.

نمود. ها را در ماتریس اندرکنش لحاظن تاثیر آنابتو

گزاریسپاس -6

همکاری و به سبب مهندسین مشاور ساحلی موسسه از

دکتر جناب آقای های و راهنمایی دریغهای بیمساعدت

این مقاله تشکر و سازیآمادهتهیه و درنقدهی مسعود زارع

.شودمیقدردانی

تجمعی مشاهده شدهاحتمال

شپی

ی مع

جل ت

ماحت

اده

شی

ینب

نرمال: رگرسیون استاندارد باقی مانده P-Pنمودار بینی شدهپیش ARمتغیر وابسته:

بینی شدهپیش ARمتغیر وابسته:

رگرسیون استاندارد باقی مانده

یوان

راف

بینی شدهپیش ARمتغیر وابسته:

رگرسیون استاندارد باقی مانده

شپی

د دار

تاناس

ن یو

رسرگ

ده ش

یین

ب

1392 تابستان ؛1 یشماره ؛2 یدوره زیرزمینی؛ فضاهای و تونل مهندسی پژوهشی-علمی ینامهدوفصل

23

ی نمادهاسیاهه -2

شرح واحد نماد شرح واحد نماد

𝑪 - علت 𝑬 - اثر

𝑨𝑹 m/d نرخ پیشروی 𝑨𝑹𝒊 - اندیس پیشروی

𝒂 - ضریب وزنی 𝑷 - امتیاز هر پارامتر

𝑴 - ترین مقدار بیشP 𝑭 - ( عدد فیشرFisher)

هامنبع -2

[1] Roxborough, F. F., & Phillips, H. R. (1975). Rock Excavation by Disc Cutter. International Journal of Rock

Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 12(12), 361-366. http://dx.doi.org/10.1016/0148-

9062(75)90547-1.

[2] Snowdon, A. R., Ryley M. D., Temporal, J. (1982). Study of Disc Cutting in Selected British Rocks.

International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 19(3), 107-121.

http://dx.doi.org/10.1016/0148-9062(82)91151-2.

[3] Sanio, H. (1985). Prediction of the Performance of Disc Cutters in Anisotropic Rock. International Journal of

Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 22(3), 153-161.

http://dx.doi.org/10.1016/0148-9062(85)93229-2.

[4] Tarkoy, P. J. (1974). Prediction TBM Penetration Rate in Selected Rock Types. Proceeding of the Ninth

Canadian Rock Mechanics symposium (pp. 257-269). Montreal: Mines Branch, Department of Energy, Mines

and Resources.

[5] Innaurato, N., Mancini, A., Rondena, E., & Zaninetti, A. (1991). Forecasting and Effective TBM Performances

in a Rapid Excavation of a Tunnel In Italy. 7th ISRM Congress (pp. 1009-1014). Aachen: International Society

for Rock Mechanics.

[6] Palmstrom, A. (1995). RMi Parameters Applied in Prediction of Tunnel Boring Penetration. A Rock Mass

Characterization for Rock Engineering. Oslo: Doctoral Thesis, Oslo University.

http://www.rockmass.net/phd/chapter7.pdf.

[7] Bieniawski, Z. T., Celada, B., & Galera, J. M. (2007). TBM Excavability: Prediction and Machine-Rock

Interaction. In M. T. Traylor, & J. W. Townsend (Eds.), Rapid Excavation and Tunneling Conference

Proceedings (pp. 1118-1130). Toronto: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration Inc. ISBN:

9780873352567.

[8] Yagiz, S. (2008). Utilizing Rock Mass Properties for Predicting TBM Performance in Hard Rock Condition.

Tunneling and Underground Space Technology, 23(3), 326-339. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2007.04.011.

[9] Hassanpour, J., Rostami, J., Khamehchiyan, M., Bruland, A., & Tavakoli, H. R. (2010). TBM Performance

Analysis in Pyroclastic Rocks: Case History of Karaj Water Conveyance Tunnel. Rock Mechanics and Rock

Engineering, 43(4), 427-445. http://dx.doi.org/10.1007/s00603-009-0060-2.

[10] Khademi Hamidi, J., Shahriar, K., Rezai, B., & Rostami, J. (2010). Performance Prediction of Hard Rock TBM

Using Rock Mass Rating (RMR) System. Tunnelling and Underground Space Technology, 25(4), 333-345.

http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2010.01.008.

[11] Kim, T., (2004). Development of a Fuzzy Logic Based Utilization Predictor Model for Hard Rock Tunnel

Boring Machines. Golden: Doctoral Thesis, Colorado School of Mines.

22-13ص : سنگ مهندسی هایسیستم رویکرد از استفاده با TBM پیشروی نرخ بینیپیش

24

[12] Benardos, A. G., & Kaliampakos, D. C. (2004). Modelling TBM Performance with Artificial Neural Networks.

Tunnelling and Underground Space Technology, 19(6), 597-605. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2004.02.128.

[13] Frough, O., Torabi, S. R., Yagiz, S., & Tajik, M. (2012). Effect of Rockmass Conditions on TBM Utilization

Factor in Karaj-Tehran Water Conveyance Tunnel. ITA-AITES World Tunnel Congress 2012: Tunneling and

Underground Space for a Global Society & 38th ITA-AITES General Assembly. Bangkok: Thailand

Underground and Tunnelling Group.

[14] Ozdemir, L. (1977). Development of Theoretical Equations for Predicting Tunnel Borability. Golden: Doctoral

Thesis, Colorado School of Mines.

[15] Rostami, J., & Ozdemir, L. (1993). A New Model for Performance Prediction of Hard Rock TBMs. Rapid

Excavation and Tunneling Conference Proceedings (pp. 793-809). Boston: Society for Mining, Metallurgy, and

Exploration Inc. ISBN: 0873351274.

[16] Bruland, A. (1998). Advance Rate and Cutter Wear. Hard Rock Tunnel Boring Machine. Trondheim: Doctoral

Thesis, Norwegian University of Science and Technology. http://tunnel.no/article.php?id=199.

[17] Barton, N. R. (2000). TBM Tunnelling in Jointed and Faulted Rock. Rotterdam: A A Balkema.

ISBN:9058093417.

[18] KhaloKakaie, R., & Zare Naghadehi, M. (2012). The Assessment of Rock Slope Instability Along The Khosh-

Yeylagh Main Road (Iran) Using A Systems Approach. Environment Earth Science, 67(3), 665-682.

http://dx.doi.org/10.1007/s12665-011-1510-1.

[19] Shang, Y. J., Wang, S. J., Li, G. C., & Yang, Z. F. (2000). Retrospective Case Example Using A Comprehensive

Suitability Index (CSI) for Siting The Shisan-Ling Power Station. China. International Journal of Rock

Mechanics and Mining Sciences, 37(5), 839-853. http://dx.doi.org/10.1016/S1365-1609(00)00021-6.

[20] Benardos, A. G., & Kaliampakos, D. C. (2004). A Methodology for Assessing Geotechnical Hazards for TBM

Tunneling-Illustrated by The Athens Metro, Greece. International Journal of Rock Mechanics and Mining

Sciences, 41(6), pp 987-999. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmms.2004.03.007.

[21] Shin, H. S., Kwon, Y. C., Jung, Y. S., Bae, G. J., & Kim, Y. G. (2009). Methodology for Quantitative Hazard

Assessment for Tunnel Collapses Based on Case Histories in Korea. International Journal of Rock Mechanics

and Mining Sciences, 46(6), 1072-1087. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmms.2009.02.009.

[22] Zare Naghadehi, M., Jimenez, R., KhaloKakaie, R., & Jalali, S. M. E., (2011). A Probabilistic Systems

Methodology to Analyze The Importance of Factors Affecting The Stability of Rock Slopes. Engineering

Geology, 118(3-4), 82-92. http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2011.01.003.

[23] Frough, O., & Torabi, S. R. (2013). An Application of Rock Engineering Systems for Estimating TBM

Downtimes. Engineering Geology, 157, 112-123. http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2013.02.003.

[24] Hudson, J. A. (1992). Rock Engineering Systems:Theory and Practice. Chichester: Ellis Horwood Ltd,. ISBN:

0137826249.

های سنگی معادن ( به منظور ارزیابی پتانسیل ناپایداری شیبRESهای مهندسی سنگ )بهبود رویکرد سیستم(. 1341)زارع نقدهی، م. [08] .دانشگاه صنعتی شاهرودی مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشکدهی دکتری، رساله .روباز

تونل انتقال آب از سد امیرکبیر به یپروژه ل.شناسی مهندسی تونگزارش زمین(. 1313) ی مهندسین مشاور ساحل.موسسه [06]

.`ET-K یهقطع -تهران 6 یشماره یهخانتصفیه

تونل انتقال آب از سد امیرکبیر به ی. پروژهشناسی مهندسی تونلینگزارش زم(. 1311)ی مهندسین مشاور ساحل. موسسه [04]

1392 تابستان ؛1 یشماره ؛2 یدوره زیرزمینی؛ فضاهای و تونل مهندسی پژوهشی-علمی ینامهدوفصل

22

.K`-BR یقطعه -تهران 6 یهشمار یهخانتصفیه

انتقال ی. پروژهشناسی مهندسی تونل انتقال آب قمرود، قطعات سوم و چهارمگزارش زمین(. 1311)ی مهندسین مشاور ساحل. موسسه [01]

.های دز به قمرودآب از سرشاخه

م و چهارم تونل انتقال آب متر تونل ابتدایی قطعات سو 346(. بازنگری طراحی پوشش بتنی 1317)و آراسته، م. ،غ، ا.، باسلیقه، ف.فرو [04]

NCCE02-http://www.civilica.com/Paper-تهران: دانشگاه علم و صنعت ایران. .عمرانمهندسی ملی ینگرهدومین کقمرود.

NCCE02_1015.html.

81

Tunneling & Underground Space Engineering (TUSE)

یزیرزمین فضاهای و تونل مهندسی ینشریه Volume 2-Issue 1\Summer 2013

tuse.shahroodut.ac.ir

Prediction of TBM Advance Rate Using Rock Engineering Systems

O. Frough1; S. R. Torabi2; F. Sereshki3; S. E. Jalali4

1- Ph.D. in Mining Engineering; Head of Tunneling Discipline; Pars Geometry Consultants

2- Professor; Faculty of Mining Eng., Petroleum, and Geophysics; University of Shahrood

3 & 4- Associate Professor; Faculty of Mining Eng., Petroleum, and Geophysics; University of Shahrood

Received: 21 Nov 2012; Accepted: 25 Aug 2013

Keywords Extended Abstract

Prediction of TBM performance is a crucial issue in mechanized

tunneling projects, since machine performance has an influence

on duration and costs of the projects. Rock mass parameters

have significant effects on TBM advance rate as well as

influence of these parameters on each other. In order to model

the effect of geological conditions on TBM downtimes using

Rock Engineering Systems (RES), a thorough database based

on three long water conveyance tunnels in Iran has been developed. Advance Rate index (ARi) has been

calculated using Rock Engineering Systems method and the predicting relationship between the ARi and

advance rate has also been obtained using regression analysis in quadratic equation form.

Introduction

RES is a valuable analytical tool for characterizing the important parameters and the interaction

mechanisms in rock engineering problems. Application of RES for calculating TBM advance rate based

on predominant rock mass properties is the main objective of this research. Methodology and Approaches

Different rock mass parameters affect advance rate of TBM. In addition, These parameters influence each

other. The interaction of rock mass parameters has been modeled using the RES approach in order to

estimate AR. To achieve this purpose, 22 main rock mass units (total length of 45 km of bored tunnels) of

three long water conveyance tunnels bored by DS-TBMs have been studied. Each rock mass unit should

be rated to calculate the ARi by the RES method. In order to develop the most reliable and accurate

empirical equations, linear and non-linear regression analysis have been performed and relationships

between ARi and measured AR have been examined. The maximum coefficient of determination has

been obtained in quadratic equation.

Results and Conclusions

Findings of this research have showed that interaction matrix methodology could be used to analyze the

interactivity of numerous parameters, which have considerable role on AR. ARi has been calculated by

the RES method for all rock mass units. The relationship between the ARi and measured AR has been

examined using regression analysis. The maximum coefficient of determination equal to 0.44 has been

obtained in quadratic equation method.

Mechanized tunneling

Advance rate

Utilization factor

Rock Engineering Systems (RES)

Regression analysis

Interaction matrix