مطالعه آزمايشگاهي اندركنش تيغه- سنگ در مرز لايه‌هاي سنگي در حفر تونل با ماشين تونلزني تمام مقطع

Laboratory study on cutting tool-rock interaction at the interface of rock layers in TBM tunneling

مرز مشترك لايه‌‌هاي سنگي در عمليات استخراج و حفاري مكانيزه در معادن و تونل‌سازي چالش‌هاي مختلفي را به وجود مي‌آورد و ممكن است بدون هشدار قبلي باعث بروز مشكلاتي مانند خرابي تيغه‌‌ها، لرزش ماشين و كاهش سرعت پيشروي شود. در چنين شرايطي، درك دقيق فرآيند برش و اندركنش تيغه- سنگ براي طراحي ماشين، موفقيت بسيار مهمي است. در اين مطالعه، اندركنش بين سنگ و تيغه براي اندازه‌گيري نيروهاي برش در ناحيه مرزي دو لايه سنگي با استفاده از ماشين برش خطي كوچك مقياس مجهز به تيغه ديسكي با قطر 54 ميلي‌متر بررسي شد. نمونه‌هاي مورد مطالعه در حالت مختلط با تركيبي از ماسه سنگ با مقاومت 37 مگاپاسگال و دو نوع گچ مصنوعي با مقاومت‌هاي 21 و 24 مگاپاسگال تهيه شد. آزمايش‌‌ برش خطي در عمق‌هاي 1، 2 و 3 ميلي‌متر انجام شد. نتايج آزمون‌ها نشان داد در نمونه‌هاي مختلط با رسيدن تيغه به مرز دو نمونه با مقاومت متفاوت، نيروهاي عمودي و غلتشي دچار تغييرات شديد مي‌‌شود. به عنوان مثال و بر اساس شرايط آزمايشگاهي اين تحقيق، نيروهاي عمودي تا 2/7 برابر و نيروهاي غلتشي تا 10/2 برابر نيروهاي اوليه افزايش يافت. همچنين، نتايج آزمون‌هاي برش نشان داد كه با افزايش عمق برش، اختلاف نيروها و نيز نسبت نيروهاي مرزي به نيروهاي برش سنگ در حالت برش غيرمختلط، در ناحيه مرزي كاهش مي‌يابد. بر اساس نتايج اين تحقيق، با توجه به اين كه در مرز نمونه مختلط، تيغه برشي الگوي متفاوتي از نيروهاي برش را تجربه مي‌‌كند، اهميت انتخاب تيغه مناسب بر اساس الگوي تغييرات نيروهاي مرزي در شرايط ميداني براي ماشين‌‌ تونل‌زني تمام‌‌مقطع بيشتر مي‌‌شود. همچنين مشاهده شد كه اين اختلاف نيروها منجر به شكل‌‌گيري نيروي ضربه در مرز تغيير لايه‌‌ سنگي مي‌‌شود كه اين مساله در شرايط ميداني، ضرورت تعيين چقرمگي و سختي مناسب ابزار را براي به ‌‌حداقل رساندن خرابي آن‌ها در شرايط جبهه‌كار مختلط بيشتر نشان مي‌‌دهد.

In mechanized mining and tunneling operations, the interface of existing rock layers poses a variety of challenges including cutter failure, machine vibration, and low advance rate without prior notification. As a result, proper understanding of the cutting process and the tool-rock interaction is critical for machine design in these circumstances. In this study, a lab-scale investigation on the interaction between rock and tool to determine the cutting forces at transition zone was carried out in mechanized excavation laboratory of Tarbiat Modares University using a small-scale linear cutting machine equipped with a disc cutter of 54 mm in diameter. Three types of samples were used in the study: sandstone with a strength of 37 MPa and two types of synthetic gypsum with strength of 21 and 24 MPa, in a mixed condition. Experiments with linear cutting machine were carried out at cutting depths of 1, 2, and 3 mm. Laboratory studies revealed that as the cutter approaches the interface between two soft and hard specimens in mixed specimens, the normal and rolling forces vary dramatically, and the difference in the ratio of forces in the transition zone diminishes as the cutting depth increases. It was also revealed that the ratio of boundary cutting forces to rock cutting forces in unmixed mode reduces as cutting depth increases. Taking into consideration the highly variation of cutting forces pattern at the interface, the importance of selecting appropriate cutters for tunneling machines and mechanical excavators increases in the field conditions. Also, it was revealed that the difference in cutting forces results in shock load at the transition zone where the cutter passing the interface of two rock layers. This shows the importance of proper design of cutter in respect of toughness and hardness and its impact in reducing cutter failure in mixed face conditions.