بررسی تأثیر توزیع اندازه ذرات خاک بر روی سایش ابزار برشی ماشین‌های EPB

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• محمد داربر
• حمید چاکری
• طاها انصاری

دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

10.22067/jfcei.2022.76503.1140

چکیده

یکی از مهمترین مشکلات حفاری مکانیزه، سایش و خوردگی ابزار و قطعات حفاری می باشد. سایندگی خاک، باعث کاهش قابل توجه راندمان حفاری و افزایش هزینه های اجرایی تونل‌های شهری می شود. مطالعات گسترده ای در مورد سایش و خوردگی بر روی سنگها وجود دارد. با این حال، مطالعات محدودی روی ذرات خاک و تأثیر آنها بر ابزار برشی ماشین حفاری انجام شده است. با وجود طیف گسترده ای از روش ها و دستگاه های اندازه گیری سایش خاک، تاکنون روش استاندارد و جامعی برای اندازه گیری سایش خاک ارائه نشده است. در این پژوهش، به منظور تعیین سایش خاک، دستگاه آزمایشگاهی جدیدی ساخته شد و تأثیر توزیع اندازه ذرات و چگالی خاک بر روی سایش ابزار برشی در 8 دانه‌بندی‌ مختلف خاک بررسی شد. همچنین، با استفاده از منحنی دانه بندی خاک با حداکثر چگالی (نمودار تالبوت)، مقادیر سایش ابزارهای برشی در دانه‌بندی‌های مختلف مقایسه شد. نتایج نشان داد، بیش‌ترین مقدار سایش ابزارهای برشی در خاک های با دانه بندی منطبق بر دانه بندی بدست آمده از معادله تالبوت اتفاق می‌افتد. به هر میزانی که نمودار دانه بندی خاک از نمودار تالبوت فاصله می‌گیرد، سایش ها کاهش می یابند. همچنین، حداکثر سایش ابزارهای برشی در مقدار ریزدانه 10 درصد با درصد سایش میانگین 27/3 درصد، اتفاق می‌افتد. با کاهش ریزدانه به مقادیر پائین‌تر از 10 درصد، ساختار خاک به‌هم‌خورده و در نتیجه درصد سایش میانگین ابزارهای برشی از 27/3 درصد در خاک با ریزدانه 10 درصد به 2/37 درصد در خاک بدون ریزدانه کاهش پیدا می کند.

کلیدواژه‌ها

• حفاری مکانیزه
• ابزار برشی
• سایندگی
• دانه بندی خاک
• چگالی

---

عنوان مقاله [English]

The Influence of Soil Particle Size Distribution on the Abrasion of EPB Machine Cutting Tools

نویسندگان [English]

• Mohammad Darbor
• Hamid Chakeri
• Taha Ansari

Rock Mechanics Engineering, Mining Engineering Faculty, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran.

چکیده [English]

One of the most critical problems of mechanized tunnelling is the abrasion of cutting tools. Soil abrasivity significantly reduces drilling efficiency and increases the operating costs of urban tunnels. There are extensive studies on abrasivity of rocks. However, limited studies have been performed on the influence of soil particle size distribution on tunnelling machine cutting tools. Despite the wide range of methods and devices for measuring soil abrasivity, so far, no standard and comprehensive method for measuring soil abrasivity have been presented. In this study, considering the effect of some effective parameters on the abrasion of cutting tools, a new laboratory machine to determine soil abrasivity was constructed. Then, using 8 different types of soil granulation, the effect of soil particle size distribution and density on cutting tool abrasion was studied. Also, using the Talbot curve, the abrasion values ​​of cutting tools in different particle sizes were compared. The results showed that the highest values ​​of cutting tools abrasion occur in soils with particle sizes according to the Talbot equation. As the soil granulation curve moves away from the Talbot curve, abrasivity decreases. Also, the maximum abrasion of cutting tools occurs in the amount of fine aggregate of 10% with an average abrasion percentage of 27.3%. By reducing the fine aggregate to values lower than 10%, the soil structure is disturbed and as a result, the average abrasion percentage of cutting tools decreases from 27.3% in soil with 10% fine aggregate to 2.37% in soil without fine aggregate. Also, by increasing soil density from 1.6 to 1.8, the average abrasion percentage of cutting tools increases from 8.1% to 31.4%.

کلیدواژه‌ها [English]

• Mechanized excavation
• Cutting tools
• Soil abrasivity
• Particle size distribution
• Density

مراجع

[1] A. H. Rezaie Farie, and A. A. Ehterami, “Study of mechanized tunnel boring machines performance in urban areas,” New Approaches in Civil Engineering, vol. 1, no. 2, pp. 14-30, 2018.

[2] G. Barzegari, and A. Uromeihy, “Study of soil abrasivity impact on TBM tunnelling efficiency at the Tabriz metro L1,” Journal of Mining Engineering, vol. 10, no. 29, pp. 67-79, 2016, (In Persian).

[3] G. Barzegari, A. Uromeihy, and J. Zhao, “Parametric study of soil abrasivity for predicting wear issue in TBM tunneling projects,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 48, pp. 43-57, 2015.

[4] K. Thuro, J. Singer, H. Käsling, and M. Bauer, “Soil abrasivity assessment using the LCPC testing device,” Felsbau, vol. 24, no. 6, pp. 37-45, 2006.

[5] K. Thuro, and R. Plinninger, “Hard Rock Tunnel Boring, Cutting, Drilling and Blasting: Rock Parameters For Excavatability,” In 10th ISRM Congress, (2003).

[6] R. J. Plinninger, “Klassifizierung und Prognose von Werkzeugverschleiß bei konventionellen Gebirgslösungsverfahren im Festgestein,” 2002.

[7] K. Thuro, J. Singer, H. Kasling, and M. Bauer, “Determining Abrasivity With The LCPC Test,” In 1st Canada-US Rock Mechanics Symposium, (2007).

[8] P. Drucker, “Validity of the LCPC abrasivity coefficient through the example of a recent Danube gravel/Aussagekraft des LCPC‐Abrasivitätskoeffizienten am Beispiel eines rezenten Donauschotters,” Geomechanics and Tunnelling, vol. 4, no. 6, pp. 681-691, 2011.

[9] H. Hashemnejad, M. Ghafoori, G. R. Lashkaripour, and S. T. Azali, “Effect of geological parameters on soil abrasivity using LCPC machine for predicting LAC,” International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, vol. 2, no. 12, pp. 71-76, 2012.

[10] S. Kahraman, M. Fener, H. Käsling, and K. Thuro, “The influences of textural parameters of grains on the LCPC abrasivity of coarse-grained igneous rocks,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 58, pp. 216-223, 2016.

[11] J. Küpferle, A. Röttger, W. Theisen, and M. Alber, “The RUB tunneling device- A newly developed test method to analyze and determine the wear of excavation tools in soils,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 59, pp. 1-6, 2016.

[12] P. D. Jakobsen, M. T. Hamzaban, and N. Rish Sefid Mohammadi, “The effect of the particle size distribution curve on the abrasivity of non-cohesive soils in LCPC test,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 105, 2020.

[13] H. Lee, D. Kim, D. Shin, J. Oh, and H. Choi, “Effect of foam conditioning on performance of EPB shield tunnelling through laboratory excavation test,” Transportation Geotechnics, vol. 32, 2022.

[14] Z. Chen, A. Bezuijen, Y. Fang, K. Wang, and R. Deng, “Experimental study and field validation on soil clogging of EPB shields in completely decomposed granite,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 120, 2022.

[15] J. Küpferle, et al., “Influence of the slurry-stabilized tunnel face on shield TBM tool wear regarding the soil mechanical changes–Experimental evidence of changes in the tribological system,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 74, pp. 206-216, 2018.

[16] J. Düllmann, Ingenieurgeologische untersuchungen zur optimierung von Leistungs-und verschleißprognosen bei hydroschildvortrieben im lockergestein. Ruhr-Universität Bochum, 2014.

[17] G. Barzegari, and A. Uromeihy, “Evaluation of soil abrasiveness in mechanized tunneling with special attitude to the Tabriz metro line1,” Engineering Geology, vol. 5, no. 1, pp. 41-58, 2012, (In Persian).

[18] B. M. Das, and K. Sobhan, Eds., Principles of Geotechnical Engineering. Cengage Learning, 2017.

[19] W. B. Fuller, and S. E., Thompson, “The laws of proportioning concrete,” Transactions of the American Society of Civil Engineers, vol. 59, no. 2, pp. 67-143, 1907.

[20] A. N. Talbot, H. A. Brown, and F. E. Richart, “The strength of concrete: its relation to the cement aggregates and water,” University of Illinois, no. 137-138, 1923.

[21] B. Martineau, “Formulation of a general gradation curve and its transformation to equivalent sigmoid form to represent grain size distribution,” Road Materials and Pavement Design, vol. 18, no. 1, pp. 199-207, 2017.

[22] AFNOR P18-579, Aggregates. Abrasiveness and grindability test /Essai d’ abrasivite’ et de broyabilite. Association Francaise de Normalisation, 1990.

[23] E. A. Gharahbagh, J. Rostami, and A. Palomino, “New soil abrasion testing method for soft ground tunneling applications,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 26, no. 5, pp. 604-613, 2011.

[24] ASTM D422-63, Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils. ASTM International, West Conshohocken: PA, 2007.