Μηχανές ολομέτωπης κοπής ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΠΜΣ «Σχεδιασμός και κατασκευή υπογείων έργων» Μηχανική Όρυξη Σηράγγων ΘΝ Μιχαλακόπουλος Μηχανές ολομέτωπης κοπής version 2014

Ανοικτή με πέδιλα ώθησης TBM Χωρίς ασπίδα Ανοικτή με πέδιλα ώθησης Με ασπίδα Ανοικτής λειτουργίας Διπλής ασπίδας Μονής ασπίδας Κλειστής λειτουργίας Slurry/Mixshield EPB Σχηματισμός υψηλής αντοχής Σχηματισμός χαμηλής αντοχής

Hard rock TBM Soft ground TBM Slurry / Mixshield EPB

Κοπτικά συρόμενου τύπου Κοπτικά που διεισδύουν και κυλούν Χαμηλή αντοχή Roadheader Soft ground TBM Κοπτικά συρόμενου τύπου Roadheader Hard rock TBM Mixshield TBM Κοπτικά που διεισδύουν και κυλούν «Τρίκωνα» Υψηλή αντοχή Raiseboring

Hard Rock TBM

2 videos Hard Rock Gripper TBM ( 5 min) Hard Rock Double Shielded TBM ( 15 min)

Κοπτικά δίσκου Κοπτικά κωνικής διατομής (παλαιός τύπος) Κοπτικά σταθερής διατομής CCS – constant cross section (σύγχρονος τύπος)

Δημιουργία θραυσμάτων από διεισδυτή (indentor) κατά Paul and Sikarskie (1965)

Πρόβλημα Boussinesq (επιδιώκεται θραύση)

Δημιουργία θραυσμάτων από κοπτικά δίσκου 1 2 3 4 video 17 inch disc cutter Hertzian crack

Αντίδραση στην κοπή

Κοπή πετρωμάτων με δίσκο

Θεωρίες κοπής με δίσκο Gertsch R, Gertsch L, Rostami J (2007). Disc cutting tests in Colorado Red Granite … Int J Rock Mech Min 44:238-246.

Βέλτιστη απόσταση μεταξύ κοπτικών (cutter spacing)

Επίδραση της απόστασης και της διείσδυσης Gertsch R, Gertsch L, Rostami J (2007). Disc cutting tests in Colorado Red Granite … Int J Rock Mech Min 44:238-246.

Επίδραση της ανισοτροπίας

Εργαστηριακή δοκιμή κοπής video lcm test

Πλήθος κοπτικών Nc πλήθος κοπτικών Dc διάμετρος κοπτικής κεφαλής S ακτινική απόσταση μεταξύ κοπτικών Next 5-10 πρόσθετα κοπτικά στην περιφέρεια της κεφαλής (gage) Τα περιφερειακά κοπτικά (gage cutters) είναι στραμμένα προς τα έξω έτσι ώστε: Να επιτυγχάνεται ελαφρά υπερεκσκαφή. Να εξασφαλίζεται πρόσβαση για την αντικατάστασή τους. Επειδή είναι υπό γωνία πρέπει να είναι πυκνότερα (μικρότερο S) για να αντισταθμίζεται η μικρότερη δύναμη που ασκούν κατά τη διεύθυνση προχώρησης του TBM (δύναμη ώσης).

Ταχύτητα περιστροφής Η ταχύτητα περιστροφής της κοπτικής κεφαλής περιορίζεται από την εκ κατασκευής επιτρεπόμενη μέγιστη γραμμική ταχύτητα των κοπτικών. RPM περιστροφές κεφαλής ανά min (revolutions per minute) V μέγιστη γραμμική ταχύτητα κοπτικών (m/min) Dc διάμετρος κοπτικής κεφαλής (m)

Δύναμη ώσης Η δύναμη ώσης της κοπτικής κεφαλής περιορίζεται από: Την αντοχή των δίσκων. Την αντοχή των τριβέων (ρουλεμάν) των κοπτικών. Την αντοχή της εξάρτησης των κοπτικών στην κεφαλή. Η συνισταμένη δύναμη ώσης (thrust) ισοκατανέμεται στα κοπτικά και είναι: FT = Nc × Lc FT δύναμη ώσης Nc πλήθος κοπτικών Lc συνιστώμενη φόρτιση κοπτικών

Ροπή και Ισχύς T ροπή κοπτικής κεφαλής Nc πλήθος κοπτικών FRi δύναμη κύλισης του i κοπτικού ri μοχλοβραχίονας του i κοπτικού FRavg μέση δύναμη κύλισης Dc διάμετρος κοπτικής κεφαλής P ισχύς κοπτικής κεφαλής RPM περιστροφές κοπτικής κεφαλής ανά min

Διάταξη κοπτικών

Σχεδιασμός κοπτικής κεφαλής

Hard Rock TBM Εκτίμηση επίδοσης

Εμπειρικές μέθοδοι εκτίμησης ICR Farmer and Glossop (1980) Graham (1976) P = K × FΤavg / t P = K × FΤavg / c K: συντελεστής (624 στο SI) K: συντελεστής (3940 στο SI) P: διείσδυση ανά περιστροφή (mm/rev) FTavg: μέση δύναμη ώσης ανά κοπτικό (kN) t: εφελκυστική αντοχή πετρώματος (kPa) c: θλιπτική αντοχή πετρώματος (kPa)

Εμπειρικές μέθοδοι εκτίμησης ICR Lislerud (1983, 1988) P = ib × Kd × kS P: διείσδυση ανά περιστροφή (mm/rev) ib: βασικός ρυθμός διείσδυσης (mm/rev) ως συνάρτηση FTavg και DRI. FTavg: μέση δύναμη ώσης ανά κοπτικό (kN) DRI: drilling rate index (Norwegian Institute of Technology) Kd: συντελεστής διαμέτρου κοπτικών kS: συντελεστής κερματισμού πετρώματος

Τυπικές καταστάσεις ΤΒΜ

Αριθμητικό παράδειγμα Δεδομένα σήραγγας: Λύση: Διάμετρος: 7.34 m Θεωρούμε ότι η ασκούμενη ώση είναι 70% της μέγιστης. t: 10 MPa FTavg = (0.7 × 10140 kN)/57 ≈ 124.5 kN c: 140 MPa Farmer and Glossop Δεδομένα ΤΒΜ (Robbins 243-217): P = (624 × 124.5 kN)/10000 kPa ≈ 7.77 mm/rev Πλήθος κοπτικών: 57 Στιγμιαίος ρυθμός προχώρησης = (7.77 mm/rev × 5.8 rpm × 60 min/h)/1000 mm/m ≈ 2.71 m/h Διάμετρος κοπτικών: 394 mm Ωση κοπτικής κεφαλής: 10.14 ΜΝ Graham Ροπή κοπτικής κεφαλής: 2.68 MN-m P = (3940 × 124.5 kN)/140000 kPa ≈ 3.50 mm/rev Ισχύς κοπτικής κεφαλής: 1640 kW = (3.50 mm/rev × 5.8 rpm × 60 min/h)/1000 mm/m ≈ 1.22 m/h RPM: 5.8 Utilization 40%  Advance Rate 0.5 – 1.1 m/h  12 – 26.4 m/day