ارتباط بین میزان نرخ نفوذ در گمانه زنی اکتشافی وخصوصیات سنگ شناسی زمین در تونل بزرگ انتقال آب قمرود

دسته زمین شناسی مهندسی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و چهارمین گردهمایی علوم زمین
نویسنده احسان مختاری، دکتر علی ارومیه ای، دکتر محمدرضا نیکودل
تاريخ برگزاری ۱۴ اسفند ۱۳۸۴

چکیده:

اجراى عملیات حفارى اکتشافى در تونلسازى از جمله پر کاربردترین روشهاى شناسایى زمین خصوصاً در حین اجراى طرح مى‌باشد. با توجه به سرعت بالاى حفارى بوسیله TBM (ماشین حفارى تونل TBM) و لزوم شناسایى سریع و مناسب زمین پیش رو امروزه از حفارى اکتشافى پیشرو جهت شناسایى شرایط زمین در پیش روى TBM بطور گسترده استفاده مى‌شود. در این تحقیق سعى شده با توجه به نتایج بدست آمده از حفارى گمانه هاى اکتشاف ارتباطى بین نرخ نفوذ، نیروى تراست و نوع سنگ برقرار گردد. یکى از اجزاى اصلى سیستم انتقال آب از سرشاخه هاى حوزه دز به قمرود ، تونل انتقال آب قمرود مى باشد. لیتولوژى غالب منطقه خصوصاً بخشى ازتونل که در این تحقیق از آن یاد مى گردد شامل فیلیت، اسلیت و ماسه سنگ مى باشد که تحت تاثیر فعالیت هاى تکتونیکى به شدت خرد شده و بهم ریخته مى باشد. عملیات گمانه زنى اکتشافى از طریق سوراخهاى تعبیه شده در سپر کفشک در چهار مرحله صورت پذیرفت. جهت بررسى نتایج بدست آمده از از چهار مرحله حفارى، میزان نرخ نفوذ سرمته در مراحل مختلف در متراژهاى مختلف، همچنین میزان فشار تراست و چرخشى در متراژهاى مختلف بر روى نمودارهایى رسم گردید. با توجه به مقالات و گزارشات موجود، رابطه نرخ نفوذ و فشار تراست براى لیتولوژى‌هاى مختلف از قبیل ماسه سنگ، آهک و سنگهاى آذرین محاسبه گردید. از مقیسه بین داده هاى حفارى اکتشافى وداده هاى زمین شناسى موجود مى توان دریافت که ارتباط معنى دارى بین این پارامترها و نوع لیتولوژى زمین مورد حفارى وجود دارد که مى تواند مبناى شناسایى زمین  در حین حفارى اکتشافى قرار گیرد.

لغات کلیدى: تونل،ماشین حفارى تونل،حفارى اکتشافى، لیتولوژى، نرخ نفوذ

 

Abstract:

Probe drilling is the current method to explore the ground features ahead a tunnel. Because of the high speed of the TBM and the necessity of the fast exploration, nowadays probe drilling is used to this purpose. In this research has been tried to establish some relations between the penetration rate, trust pressure and the rock type base on the results obtained from the probe drilling. Ghomrud water conveyance tunnel is a part of the water conveyance system from Dez basin to Gomrud. The dominant lithology of the area consists of Slate, Filite and Sandstone that have been influenced from the tectonical activities. Probe drilling executed through the gripper shield holes in four stages. To research the obtained results from the drilling, the penetration rate, the trust and rotation pressure in different chanages plotted in the different diagrams. Based on the other studies in this field the relation between the penetration rate and the trust pressure in some lithologies calculated. From the comparison between the drilling and geological data can be found that there is a meaningful relation between the drilling parameters and the lithological characteristics of the ground that can be used to explore the ground during the excavation.

Key words: tunnel, TBM, Probe drilling, Lithology, Penetration rate.     

 

مقدمه

اجرای عملیات حفاری اکتشافی در تونلسازی از جمله پر کاربردترین روشهای شناسایی زمین خصوصاً در حین اجرای طرح می‌باشد.

با توجه به سرعت بالای حفاری بوسیله TBM (ماشین حفاری تونل (TBM و لزوم شناسایی سریع و مناسب زمین پیش رو امروز از حفاری اکتشافی پیشرو جهت شناسایی شرایط زمین در پیش روی TBM بطور گسترده استفاده می‌شود.

قابلیت حفاری سنگها به خصوصیات سنگ و وسیله حفاری بستگی دارد . تا کنون مطالعات وسیعی در راستای ایجاد ارتباط بین خصوصیات سنگ بکر از قبیل مقاومت تک محوری و شکنندگی با میزان نرخ نفوذ انواع دستگاههای حفاری در سنگ صورت گرفته است(Kahraman,2001 ،Bilgin et al,1996 ،Karpuz et al,1990 ){3}. قرار گیری تونل انتقال آب قمرود در توده سنگهای دگرگونی و خرده شده  لزوم انجام عملیات حفاری اکتشافی جهت شناسایی وضعیت زمین را ایجاب می‌نماید. با توجه به مطالب فوق الذکر حفاری اکتشافی در چهار مرحله صورت پذیرفت.

در این تحقیق سعی شده با توجه به نتایج بدست آمده از حفاری گمانه های اکتشافی همچنین به دلیل عدم امکان نمونه گیری از  سنگهای حفاری شده، ارتباطی بین نرخ نفوذ، نیروی تراست و نوع سنگ برقرار گردد.

 

موقعیت زمین شناسی

یکی از اجزای اصلی سیستم انتقال آب از سرشاخه های حوزه دز به قمرود ، تونل انتقال آب قمرود می باشد.این تونل به طول 35750 متر و قطر تمام شده 7/3 متر ، امکان انتقال m3/s23 آب را فراهم می کند.

منطقه مورد مطالعه در این تحقیق بخش انتهایی تونل انتقال آب قمرود می باشد. تونل بلند انتقال آب قمرود از نظر موقعیت جغرافیایی در حد فاصل دو شهرستان گلپایگان و الیگودرز قرار گرفته است. منطقه مورد مطالعه بخشی از زون سنندج- سیرجان می باشد. لیتولوژی غالب منطقه خصوصاً بخشی ازتونل که در این تحقیق از آن یاد می گردد شامل فیلیت، اسلیت و ماسه سنگ می باشد که تحت تاثیر فعالیت های تکتونیکی به شدت خرد شده و بهم ریخته می باشد.

روش انجام تحقیق

- انجام عملیات حفاری اکتشافی و برداشت داده ها

با در نظر گرفتن نیاز به اجرای عملیات گمانه زنی اکتشافی این کار از طریق سوراخهای تعبیه شده در سپر کفشک در چهار مرحله صورت پذیرفت. این عملیات بوسیله دستگاه حفاری (چکش حفاری) ضربه‌ای نصب شده بر روی سیستم دنباله TBM صورت پذیرفت. این دستگاه حفاری به روش ضربه‌‌ای – چرخشی با سیستم خنک کننده آب کار می کند. بدین روش  همراه با نیروی تراست یا Feed Pressure سرمته، فشار چرخشی یا Rotation Pressure نیز به سرمته وارد می‌شود. جهت خنک نمودن سر مته نیز، آب از طریق مجرای وسط رها و به سر مته منتقل می‌گردد.

سه گیج جهت نشان دادن فشار چرخشی، فشار تراست و فشار آب، بر روی دستگاه نصب شده است که گیجهای مربوط به فشار چرخشی و فشار تراست تا 250 بار مدرج شده اند، گیج فشار آب نیز تا 100 بار مدرج شده است.

رادهای مورد استفاده در عملیات حفاری دارای قطر 32 میلیمتر بوده و طول آنها 2/1 و 5/1 متر می‌باشد. سر مته حفاری از نوع الماسه با قطر 45 و 67 میلیمتر بود و زاویه انحراف گمانه از سپر دستگاه 7-5 درجه است{2}.

در طی انجام حفاری اطلاعات مربوط به نرخ نفوذ راد حفاری بدرون زمین و فشار تراست و چرخشی بطور مداوم برداشت و ثبت گردید. لازم به ذکر است که تلاش جهت نمونه برداری از مواد خروجی از گمانه به علت ریزش مصالح خروجی در پشت سپر TBM به شکست برخورد .

بررسی داده های حاصل از تحقیق

جهت بررسی نتایج بدست آمده از از چهار مرحله حفاری، میزان نرخ نفوذ سرمته در مراحل مختلف در متراژهای مختلف بر روی نمودارهای 1-4 مشخص گردید. همچنین میزان فشار چرخشی و فشار تراست نیز در متراژهای مختلف درنمودارهای 5 و6  مشخص گردید. همانطور که از نمودارها مشخص می‌گردد و همچنین با توجه به اطلاعات اپراتوری در حین حفاری و بعد از اتمام عملیات حفاری می‌توان دریافت که بیشتر عملیات حفاری در فضای خای پشت دستگاه و یا فضای پر شده بوسیله فوم و گراول صورت گرفته است که نشانگر میزان نرخ نفوذ زیاد سرمته می‌باشد. تنها در متراژهای انتهای هر عملیات، حفاری در سنگ خرد شده اطراف دستگاه صورت گرفته است.

در نمودار 7 رابطه میزان نرخ نفوذ در متراژهای انتهایی هر چهار مرحله به عنوان نفوذ سرمته در سنگ در برابر فشار تراست نشان داده شده است. همانطور که در نمودار مشخص است تجمع نقاط در دو تراز افقی و دو تراز عمودی (چهارمرکز تجمع) قابل تفکیک است.

با توجه به مقالات و گزارشات موجود، رابطه نرخ نفوذ و فشار تراست بر حسبPSI، برای لیتولوژی‌های مختلف از قبیل ماسه سنگ آهک و سنگهای آذرین در نمودار 8 نشان داده شده است. قطر سر مته جهت محاسبه این نمودار، قطر سر مته مورد استفاده در عملیات حفاری اکتشافی فوق‌الذکر می‌باشد{3،4،5}.

بحث و نتیجه گیری

با رسم بهترین خطوط گذرنده از این مراکز تجمع نقاط با توجه به در نظر گرفتن این نکته که روند تغییرات نرخ نفوذ با افزایش فشار افزایشی است نمودار 7 حاصل می‌گردد. همانطور که در شکل فوق قابل مشاهده است. دو روند عمده قابل تفکیک می‌باشد. روند فوقانی با شیب بیشتر که رابطه خط شیبدار در کنار آن نوشته شده است و روند تحتانی با شیب کمتر مشخص شده اند.

خط با شیب بیشتر، که نشان دهنده نرخ نفوذ بیشتر است، متعلق به اسلیتها و شیستهای خرد شده می باشد در حالیکه خط تحتانی که دارای شیب کمتر است نشان دهنده نفوذ سرمته به درون سنگهای سخت و مقاومت است که ماسه سنگ است. با توجه به ازبیلت زمین شناسی زونهای مورد حفاری می‌توان دو نوع لیتولوژی اسلیتها و شیستهای خرد شده و ماسه سنگ را تفکیک نمود.

نتایج بدست آمده از نمودار 8 و روابط حاصل از خطوط ترسیم شده نشان می دهد که با چنین نرخ نفوذی باید حدود 30 تا 50 متر بر ساعت توسط دستگاه حفاری شود.

در نگاه نخست چنین میزان نرخ نفوذی بسیاز زیاد به نظر می‌رسد ولی با مقایسه این میزان نرخ نفوذ با نرخ نفوذ در پروژه‌های مشابه می‌توان دریافت که بدست آوردن این میزان نرخ نفوذ طبیعی به نظر می‌رسد.

به عنوان مثال جهت مقایسه می‌توان از پروژه لسوتو در آفریقای جنوبی یاد کرد که طی اجرای پروژه عملیات حفاری اکتشافی در جلوی دستگاه TBM صورت می‌گرفت. این عملیات باعث توقف دستگاه حفاری به میزان 10 تا 5 درصد از زمان مفید آن می‌شد. برای حفاری هر گمانه به عمق 115 متر با قطر 65 میلمتر از 48 عدد لوله حفاری (Rods) هر یک به طول 4/2 متر استفاده می‌شد که زمان حفاری گمانه های اکتشافی تقریباً 4 ساعت طول می کشید. در این پروژه بطور کلی 3800 متر حفاری گمانه‌های اکتشافی و تزریق صورت گرفت{1}. همانطور که از این مقایسه قابل مشاهده می‌باشد زمان حفاری یک گمانه در پروژه لسوتو با نرخ نفوذ بدست آمده در پروژه قمرود نسبتاً همخوانی دارند. بدین لحاظ امکان استفاده از داده‌های حفاری اکتشافی جهت شناسایی تقریبی لیتولوژی و شرایط زمین پیش رو وجود دارد و می‌توان میزان نرخ نفوذ را با توجه به میزان فشار تراست اعمالی مبنای این تشخیص قرار داد.

مراجع

1-   پاترسون،کولین،ترجمه:منوچهر شاه علی،(1368)،استفاده از ماشین های تمام مقطع ساخت شرکت ویرث جهت حفاری تونل انتقال آب به آفریقای جنوبی(پروژه لسوتو)،ویرث،تهران.

2-        مؤسسه مهندسین مشاور ساحل،(1384)گزارش اجرای عملیات حفاری اکتشافی تونل انتقال آب قمرود.

 

3-        Barton, N., 1999. TBM performance estimating in rock using QTBM. TT Int. 31, 30-34.

4-        Kahraman, S., 1999. Rotary and percussive drilling prediction using regression analysis. Int. j. Rock Mech. Min. Sci. 36, 981-989 [Technical Note].

5-        Schmit, R.L., 1972. Drillability studies-percussive drilling in the field. USMB RI 7684, 31 pp.

 

کلید واژه ها: قم