ارزیابی سایندگی خاک ها در حفاری مکانیزه به روش تعادل فشار زمین(epb-tbms)، مطالعه موردی تونل های خط یک متروی تبریز

مسئله ی ساییدگی ابزار حفاری در حفاری مکانیزه تونل ها بویژه در زمین های خاکی، یکی از اساسی ترین دغدغه هایی است که کارفرمایان، مشاوران، طراحان و پیمانکاران دست اندرکار در صنعت تونل سازی را به خود مشغول ساخته است. چرا که عدم توجه لازم به این امر، در بسیاری از مواقع، باعث توقف های طولانی مدت و حتی در مواردی به شکست پروژه انجامیده است. نبود روشی قابل اطمینان برای سنجش سایندگی خاک ها و بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر آن، امروزه به عنوان یکی از کاستی های علم زمین شناسی مهندسی و ژئوتکنیک به شمار می رود. از مسائل مهم در طراحی و ساخت دستگاه اندازه گیری سایندگی، توجه به فرآیند درگیری مواد ساینده (زمین) با مواد سایش یافته (ماشین حفار) است. با توجه به مطالعات حاصل از بررسی های میدانی و آزمایشگاهی، شکل های مختلف ساییدگی که در ماشین های حفار تونل های خاکی اتفاق می افتد را می توان به ترتیب اولویت به ساییدگی سایشی (دو جسمی و سه جسمی) ، شکستگی و لب پر شدگی و ساییدگی ناشی از چسبندگی نسبت داد. در قالب این رساله ضمن بررسی میدانی مسأله سایندگی خاک در ماشین های حفار تونل به روش تعادل فشار زمین(epb) و انجام آزمایش های آزمایشگاهی با استفاده از روش های موجود، دو دستگاه جدید برای اندازه گیری سایندگی خاک ها و امکان بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر آن، طراحی و ساخته شده و آزمایش های متعددی بر روی نمونه های مختلف انجام گرفته است. سپس تأثیر پارامترهای مهم از جمله آب، دوغاب بنتونیت، دانه بندی، درصد کوارتز، تراکم، فشار خاک و فشار هیدرولیکی بر سایندگی خاک ارزیابی گردیده است. بر اساس نتایج آزمایش های دستگاه سایش اول (satm) ، رابطه خطی بین افزایش میزان کوارتز معادل، تراکم و دانه بندی (d60) با سایندگی خاک وجود داشته و در بررسی تأثیر میزان رطوبت نیز، نتایج نشانگر افزایش سایندگی خاک تا رطوبت حدود 20 درصد و پس از آن کاهش میزان سایندگی، با افزایش میزان رطوبت تا حد اشباع شدن است. بر اساس تجربیات حاصل از دستگاه اول (satm) و با هدف مشابه سازی شرایط عملی حفاری در مقیاس آزمایشگاه، دستگاه دوم (satc) در دانشگاه epfl کشور سوئیس طراحی و ساخته شد. برای بررسی قابلیت اطمینان نتایج این دستگاه، آزمایش های سایندگی با استفاده از این دستگاه و روش های سرشار ، lcpc و sat بر روی نمونه های یکسان با ویژگی های مختلف انجام و نتایج آنها مقایسه گردید. بررسی ها نشان داد همخوانی خوبی بین نتایج دستگاه satc با روش های سرشار و lcpc وجود دارد. در بررسی تأثیر اندازه ی دانه های خاک در میزان سایندگی آن، آزمایش های انجام یافته بر روی ماسه های ساحلی با استفاده از دستگاه های lcpc و satc، نشانگر افزایش قابل ملاحظه سایندگی با افزایش اندازه دانه های خاک می باشد. همچنین بر پایه ی نتایج این دستگاه ها، با افزایش درصد کوارتز، میزان سایندگی بصورت سهمی گون افزایش می یابد. در خصوص تأثیر وجود آب و دوغاب بنتونیت بر میزان سایندگی خاک، نتایج حاصل از آزمایش lcpc، نشان داد آب در اکثر موارد باعث افزایش سایندگی می شود و تأثیر دوغاب بنتونیت بر روی نمونه های مختلف، متفاوت بوده به نحوی که در بعضی از نمونه ها موجب افزایش و در برخی دیگر منجر به کاهش سایندگی می گردد. در عین حال نتایج حاصل از آزمایش با دستگاه satc، نشان داد آب در بیشتر نمونه ها باعث کاهش سایندگی و دوغاب بنتونیت بجر در دو مورد از 12 نمونه، موجب افزایش سایندگی خاک می شود. وجه تمایز دستگاه satc نسبت به روش های موجود، امکان بررسی تأثیر سایر پارامترها از جمله فشار خاک، فشار آب و افزودنی ها بر سایندگی است. بررسی تأثیر فشار خاک و آب بر میزان سایندگی با استفاده از دستگاه satc، نشان داد فشار خاک، موجب افزایش و فشار آب باعث کاهش سایندگی خاک بصورت نمایی می گردد. بررسی نتایج آزمایش های برش مستقیم و سایندگی در این تحقیق، نشان دهنده ی عدم وجود رابطه ی منطقی بین پارامترهای مقاومت برشی (زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی) و سایندگی خاک می باشد. بر پایه ی مطالعه ی موردی تونل های خط یک متروی تبریز، زمین شناسی مسیر از رسوبات آبرفتی با دانه بندی از نوع ماسه سیلتی همراه با میان لایه های مختلف درشت دانه و ریزدانه تشکیل شده است. بررسی اطلاعات میدانی نشانگر تأثیر قابل توجه سایش ابزار حفاری بر روند اجرایی بوده به نحوی که میزان تأخیر ناشی از این امر تا این مرحله از اجرای عملیات (بالغ بر 7 کیلومتر)، تقریباً برابر با زمان حفاری و نصب پوشش بتنی دیواره تونل می باشد. تحلیل اطلاعات نشان داد سایندگی خاک با کاهش عدد spt مسیر حفاری و در محدوده زیر سطح آب زیرزمینی تا حدودی کاهش می یابد. بر اساس مطالعات کانی شناسی، درصد کوارتز معادل رسوبات در نیمه اول مسیر تونل های خط یک متروی تبریز، بین 40 تا 60 درصد است که بر اساس روابط موجود، نتایج آزمایشlcpc، سرشار و دستگاه های جدید (satc و satm)، سایندگی خاک مسیر در حالت خشک در حد خیلی ساینده و در حالت اشباع در حد کم تا متوسط ساینده ارزیابی می گردد.