Το μοντέλο πρόγνωσης Qtbm

Ο ρυθμός διείσδυσης (Penetration Rate – PR) μπορεί να φτάσει έως και τα 10 m/h. Είναι ο στιγμιαίος ρυθμός προχώρησης, δηλαδή αυτός που παρατηρείται σε μικρά χρονικά διαστήματα συνεχούς εξόρυξης. Ο ρυθμός προχώρησης (Advance Rate – AR) μπορεί να είναι μόλις 0.005 m/h (ή και μηδενικός για μεγάλα χρονικά διαστήματα). Είναι ο μέσος ρυθμός προχώρησης σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Λαμβάνονται υπόψη όλες οι καταστάσεις του ΤΒΜ (εξόρυξη, αναμονή, εμπλοκή, αλλαγή κοπτικών, συντήρηση, επισκευή κ.ο.κ). Εξαιρετικές προχωρήσεις: (υποτίθεται συνεχής εργασία 24/7) 150 m/ημέρα (24 h με AR 6.25 m/h) 500 m/εβδομάδα (168 h με AR 2.97 m/h) 2 km/μήνα (720 h με AR 2.77 m/h) 15 km/έτος (8760 h με AR 1.71 m/h)

Εάν U είναι ο λόγος του καθαρού χρόνου εξόρυξης προς το συνολικό χρόνο (utilisation), τότε ισχύει: AR = PR × U Η Nelson (1993) πρότεινε να διαχωριστούν τα μεγέθη PR και U και καθένα να συσχετιστεί με κατάλληλο σύστημα ταξινόμησης της βραχομάζας. Στο εμπειρικό μοντέλο πρόγνωσης Qtbm αρχικά είτε εκτιμάται το PR από τα χαρακτηριστικά της βραχομάζας, είτε προσδιορίζεται η τιμή του από τα πραγματικά δεδομένα ενός έργου (back-calculated Qtbm). Είναι: PR  5 Qtbm-1/5 Για την πρόγνωση του AR, εκτιμάται η τιμή του U ως μέγεθος εξαρτώμενο τόσο από τα χαρακτηριστικά της βραχομάζας, όσο και από την χρονική περίοδο αναφοράς.

Ο δείκτης ταξινόμησης Qtbm τάσεις στο μέτωπο αποξεστικότητα πετρώματος αντοχή πετρώματος και ώση ΤΒΜ ενεργές τάσεις διατμητική αντοχή των ασυνεχειών κερματισμός της βραχομάζας

Κερματισμός της βραχομάζας RQDo: Oriented RQD, ο δείκτης ποιότητας πετρώματος (Rock Quality Designation) προσανατολισμένος κατά τη διεύθυνση του άξονα της σήραγγας. Τιμές 0 – 100, από πολύ πτωχή έως εξαιρετική ποιότητα. Jn: Πλήθος συστημάτων ασυνεχειών (joint set number). Τιμές 0.5 – 20, από συμπαγής βράχος έως θρυμματισμένος βράχος και γαιώδες υλικό. Ο λόγος εκφράζει τη γεωμετρία και το μέγεθος των μπλοκ της βραχομάζας.

Κερματισμός της βραχομάζας Μεγάλα μπλοκ τείνουν να ολισθαίνουν (translational sliding), ενώ μικρά μπλοκ τείνουν να περιστρέφονται (rotation). Δομές προσανατολισμένες παράλληλα με τον άξονα της σήραγγας συνήθως προκαλούν μείωση των PR και U, αφενός διότι δεν ευνοείται η δημιουργία μεγάλων θραυσμάτων, αφετέρου λόγω ενδεχόμενων υπερεκσκαφών και του κινδύνου για υποχώρηση της οροφής, που προκαλεί αυξημένες απαιτήσεις για υποστήριξη. Η παρουσία του ΤΒΜ ενδέχεται να καθυστερήσει τη διαπίστωση του προβλήματος και να το μεγαλώσει εάν οι παρειές της σήραγγας αστοχήσουν κατά την προώθησή του. Δομές προσανατολισμένες παράλληλα με το μέτωπο της σήραγγας συνήθως ευνοούν τα PR και U, αφενός διότι οι ασυνέχειες ευνοούν τη δημιουργία μεγάλων θραυσμάτων, αφετέρου διότι στην εξόρυξη με ΤΒΜ γενικά παρουσιάζουν σταθερότητα. Όταν η απόσταση μεταξύ των ασυνεχειών προσεγγίζει την απόσταση μεταξύ των κοπτικών επιτυγχάνεται υψηλός PR. Ο PR είναι αντιστρόφως ανάλογος της απόστασης μεταξύ των ασυνεχειών. Η ανισοτροπία λόγω ασυνεχειών ή σχιστότητας επηρεάζει σημαντικά το PR. Σχιστότητα παράλληλα προς το μέτωπο δίνει PR έως και έξι φορές υψηλότερο από σχιστότητα παράλληλα προς τον άξονα της σήραγγας.

Διατμητική αντοχή των ασυνεχειών Jr : Δείκτης αδρότητας επιφανειών (joint roughness). Τιμές 0.5 – 4, για λείες, επίπεδες έως αδρές, μη επίπεδες επιφάνειες. Ja: Δείκτης εξαλλοίωσης επιφανειών (joint alteration). Τιμές 0.75 – 20, για αναλλοίωτες επιφάνειες έως αποχωρισμένες από παχύ στρώμα υλικού πληρώσεως. Λαμβάνονται οι τιμές για τις ασυνέχειες που ευνοούν την εξόρυξη. Επίπεδες ασυνέχειες με πρότερη διάτμηση (Jr: 0.5) δίνουν υψηλό PR, αλλά χαμηλό U λόγω των αυξημένων απαιτήσεων σε υποστήριξη. Ασυνέχειες τραχείες, κυματοειδείς (Jr: 3 – 4), επουλωμένες με σκληρά υλικά πλήρωσης (Ja: 0.75 – 1) παρουσιάζουν μεγάλη αντίσταση στην απελευθέρωση των μπλοκ από το μέτωπο, με συνέπεια χαμηλό PR. Γενικά, λόγος Jr/Ja < 1.0 αυξάνει το PR, ενώ Jr/Ja > 1.0 το μειώνει. Το αντίθετο ισχύει για U και AR.

Ενεργές τάσεις Jw : Συντελεστής υδατικών πιέσεων (joint water reduction). Τιμές 0.05 – 1, για υψηλές έως μηδενικές υδατικές πιέσεις και παροχές. SRF: Συντελεστής τάσεων (stress reduction factor). Τιμές 1 – 20, ανάλογα με τις ιδιαίτερες τοπικές συνθήκες, π.χ. έντονος τεκτονισμός, ζώνες διάτμησης, υψηλές πιέσεις, σύνθλιψη, διόγκωση κ.λπ. Εξαιρετικά μεγάλη παροχή νερού ή «ανατινάξεις» με υψηλή πίεση, απαιτούν την αντιμετώπιση του προβλήματος ή αναμονή για εκτόνωση του φαινομένου με συνέπεια χαμηλό U. Ομοίως, χαλαρές ζώνες διάτμησης αν και εξορύσσονται με ευκολία δημιουργούν προβλήματα λόγω της αστάθειάς τους, προκαλούν εμπλοκές της κοπτικής κεφαλής και απαιτούν αυξημένα μέτρα υποστήριξης με συνέπεια χαμηλό U.

Αντοχή πετρώματος και ώση ΤΒΜ SIGMA : Αντοχή του πετρώματος. F: Δύναμη ώσης στα κοπτικά.

Αντοχή πετρώματος και ώση ΤΒΜ Για πέτρωμα δεδομένης αντοχής σε θλίψη, με αύξηση της ώσης αυξάνει το PR (Σχήμα 15). Γενικά, η ώση δεν είναι κατάλληλη για άμεση συσχέτιση με το PR, διότι συνήθως ο χειριστής την αυξάνει όταν αυξάνεται η αντίσταση στην εξόρυξη. Η μεγαλύτερη αντίσταση έχει ως συνέπεια μικρότερο PR (Σχήμα 14). Ο λόγος της αντοχής προς την ώση συσχετίζεται καλά με το PR (Σχήμα 13). Είναι δείκτης της επάρκειας της ώσης ενός ΤΒΜ για πέτρωμα δεδομένης αντοχής.

Αντοχή πετρώματος και ώση ΤΒΜ Η αντοχή σε θλίψη είναι διαισθητικά κατάλληλο μέτρο της αντίστασης ενός πετρώματος στην εξόρυξη με ΤΒΜ, διότι η ώση ασκεί στο μέτωπο θλίψη. Ο μηχανισμός αστοχίας του άρρηκτου πετρώματος αναδεικνύει την αντοχή σε εφελκυσμό ως το πλέον κρίσιμο μέγεθος. Όταν το πέτρωμα είναι κερματισμένο ή με έντονη σχιστότητα, το PR εξαρτάται σημαντικά από τα χαρακτηριστικά των ασυνεχειών και την ανισοτροπία. Στη μηχανική πετρωμάτων συνηθίζεται η συσχέτιση της αντοχής σε εφελκυσμό με την αντοχή σε θλίψη. Συνεπώς, είναι τελικά δυνατό να χρησιμοποιηθεί η αντοχή σε θλίψη ως μέτρο της αντίστασης εξόρυξης σε εκείνες τις περιπτώσεις που δεν κυριαρχεί η ανισοτροπία ή εξαιρετικά μεγάλος λόγος της θλιπτικής αντοχής προς την εφελκυστική αντοχή.

Αντοχή πετρώματος και ώση ΤΒΜ Ο λόγος θλιπτικής αντοχής προς εφελκυστική αντοχή παρουσιάζει καλή συσχέτιση με το PR. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο λόγος UCS/I50, όπου I50 ο δείκτης αντοχής σε σημειακή φόρτιση, ως δείκτης για τη δυσθραυστότητα (toughness) του πετρώματος. Για τιμές UCS/I50 > 24, που είναι ο συνήθης συντελεστής μετατροπής κατά ISRM, παρατηρείται εξαιρετικά υψηλό PR. Σε πετρώματα που παρουσιάζουν μεγάλη ανισοτροπία, όπως σχιστή άργιλος (shale), σχίστης (schist), σχιστόλιθος (slate), το PR καθορίζεται από τον σχετικό προσανατολισμό της φόρτισης.

Αντοχή πετρώματος και ώση ΤΒΜ Όταν ο μηχανισμός αστοχίας κυριαρχείται από τη θλίψη (π.χ. όταν  > 60) χρησιμοποιείται: SIGMAcm = 5  Qc1/3 , όπου  η πυκνότητα Qc = Qo × c / 100 Qo ο δείκτης Q με RQDo και Jr/Ja για τις ασυνέχειες που επηρεάζουν την κοπή. c η αντοχή σε θλίψη Όταν ο μηχανισμός αστοχίας κυριαρχείται από τον εφελκυσμό (π.χ. όταν  < 30 ή UCS/I50 > 24) χρησιμοποιείται: SIGMAtm = 5  Qt1/3 , όπου Qt = Qo × I50 / 4 I50 ο δείκτης αντοχής σε σημειακή φόρτιση Δηλαδή, για την περίπτωση της θλίψης γίνεται αναγωγή της αντοχής με βάση τα 100 MPa και κατ’ αναλογία για την περίπτωση του εφελκυσμού με βάση τα 4 MPa (διότι c  24 I50).

Αντοχή πετρώματος και ώση ΤΒΜ Παρατηρείται ότι προσεγγιστικά ισχύει PR  F2. Επειδή PR  5 Qtbm-1/5 , η ώση θα πρέπει να υψωθεί στη δύναμη του 10 για να διατηρηθεί η αναλογία. Παρατηρείται συστηματικά μεταβολή της κλίσης της καμπύλης συσχέτισης της ώσης προς το PR για τιμές της ώσης περί τα 200 kN (20 tnf). Σε πετρώματα καλής ποιότητας (IMS 1) παρατηρείται μικρή μεταβολή της κλίσης, ενώ σε χαμηλότερης ποιότητας (IMS 2) η μεταβολή είναι πιο έντονη. Η ώση ανάγεται με βάση τους 20 tnf και για τη διατήρηση της αναλογίας τελικά προκύπτει F10/209. Η τιμή του δείκτη Qtbm μεταβάλλεται έντονα σε συνάρτηση με την τιμή της ώσης.

Αποξεστικότητα πετρώματος CLI: Δείκτης διάρκειας ζωής κοπτικών (cutter life index). Τιμές 0 – 120, για εξαιρετικά έως ελάχιστα αποξεστικά πετρώματα. q: % περιεκτικότητα σε χαλαζία.

Τάσεις στο μέτωπο σθ : Μέση διαξονική τάση στο μέτωπο της σήραγγας. Επιχειρείται να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα κατά τη διάνοιξη σηράγγων σε μεγάλα βάθη όπου προϋπάρχουν μεγάλες τάσεις. Ως βάση χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από διάνοιξη σήραγγας με ΤΒΜ σε βάθος 2.25 km στο Star Mine στο Idaho των ΗΠΑ. Με αντίστροφο υπολογισμό προσδιορίστηκε η τιμή αναγωγής των 5 MPa.

Νόμος του φθίνοντος ρυθμού προχώρησης AR = PR × U AR = PR × Tm U = Tm Μετατροπές στο ΤΒΜ

Όρυξη σε δυσμενείς συνθήκες

Δείκτης Q και φθίνων ρυθμός προχώρησης

Συντελεστής m φθίνοντος ρυθμού προχώρησης m1: Αρχικός συντελεστής με βάση το δείκτη Q (Σχήμα 45). D: Διάμετρος της σήραγγας σε m. CLI: Δείκτης διάρκειας ζωής κοπτικών (cutter life index). Τιμές 0 – 120, για εξαιρετικά έως ελάχιστα αποξεστικά πετρώματα. q: % περιεκτικότητα σε χαλαζία ( 0.5%). n: % πορώδες ( 0.5%).

Απαιτούμενος χρόνος όρυξης Παράδειγμα ακινητοποίησης σε φθοροποιό ζώνη διάτμησης μήκους 5 m με Qo  0.002, m  -0.87, Qtbm  8.24107, PR  0.13 m/h

24

Drill-and-blast .vs. TBM