Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorGrøv, Eivind
dc.contributor.advisorLi, Charlie Chunlin
dc.contributor.authorVassenden, Solveig
dc.date.accessioned2019-09-26T12:33:06Z
dc.date.available2019-09-26T12:33:06Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.isbn978-82-326-3799-7
dc.identifier.issn1503-8181
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2618989
dc.description.abstractTunneler kan drives med boring og sprengning eller ved bruk av en tunnelboremaskin (TBM). Tunneboremaskinen har et roterende sirkulært hode med påmonterte kuttere av stål og kalles kutterhodet. Berget brytes ved at kutterene presses med stor kraft mot bergoverflaten samtidig som kutterhodet dreies rundt. Friksjonen gjør at kutterene ruller over bergoverflaten, og berget brytes kontinuerlig etter hvert som hodet dreies og kutteren ruller. Helt siden verdens første TBM ble satt i drift på midten av 1800-tallet har teknologien vært i kontinuerlig utvikling. Parallelt med forbedringer av stålkvalitet og design av TBMene har både TBMene og kutterne blitt større, noe som har gjort det mulig å øke materkraften og dreiemomentet. Kombinasjonen av disse faktorene har gitt bedre og mer effektive maskiner og kuttere. Det er stor slitasje på kutterne, og de må byttes jevnlig. Bytte av kuttere er tidkrevende og krever at maskinen står stille. Erfaringer fra tidligere prosjekter viser at ca. 15 % av drivetiden går med til kutterbytter og at maskinen borer ca. 40 % av drivetiden. Dette innebærer at selv en liten økning i kutterlevetiden kan gi store besparelser i form av både tids- og materialkostnader. Økt inndrift og økt kutterlevetid er derfor viktige fokusområder for TBM-produsentene. Denne PhDen er én av to stipendiater som har vært knyttet til forskningsprosjektet Future Advanced Steel Technology for Tunneling (FAST-Tunn). Prosjektet involverte flere industripartnere, statlige organer og forskningsinstitusjoner, og målsettingen til forskningsprosjektet var å øke levetiden til nye kuttere med 25 %. Målsetningen skulle nås gjennom studier av stålkvalitet, kutterslitasje og grensesnittet mellom bergmassen og stål. Store ressurser har allerede blitt, og kommer til å bli, investert i ulike forsknings- og utviklingsprosjekter for å øke både effektiviteten til TBMene og levetiden for kutterne. Samtidig driver TBM operatørene vanligvis maskinene basert på erfaringer og inndriftstester, etter ønske om å oppnå størst mulig inndrift på kortest mulig tid. Men vet vi hva som faktisk skjer i grensesnittet mellom stål og berg? Og vet vi om det som gir best inndrift på kort sikt er det som også gir best inndrift på lengre sikt? For å forstå, og forbedre, bergbrytningen under en kutter er det viktig å vite noe om antall sprekker som dannes, sprekkelengde, sprekkeorientering og avstanden mellom sprekkeavstand under ulike forhold. Først når en kjenner utgangspunktet kan en dokumentere den fysiske effekten av eventuelle endringer i design eller drivefilosofi, og på den måten kunne optimalisere både maskin, kuttere og drivefilosofi for å øke kutterlevetiden og bedre utnyttelse av TBMen. Hovedmålsettingen for denne PhDen har derfor vært å øke forståelsen av bergbrytningen under kutterne på en TBM gjennom å synliggjøre og dokumentere sprekker på en tids- og kostnadseffektiv måte. Videre har oppgaven hatt som mål å dokumentere effekten av omdreiningshastigheten til «kutterhodet», samt å dokumentere effekten av kutteren på en lineær kutter test sammenlignet med en TBM. Studien har vist at sprekker som er dannet under kutterne på en TBM kan synliggjøres og dokumenteres ved hjelp av et fargestoff som påføres kjerneprøver som er tatt på stuff. Lydhastighetsmålinger på de samme kjerneprøvene viser at også dette er en metode som, med visse begrensninger, kan benyttes til å påvise sprekker. Begge metodene betinger kartlegging i tunnelen, men er både tids- og kostnadseffektiv metoder. Videre viser studien at selv under konstante forhold er det stor variasjon i sprekkemønster under kutterne, og oppsprekking er mye mer kompleks enn det som presenteres i litteraturen. De illustrasjonene som benyttes i litteraturen må derfor anses som en generalisert og idealisert presentasjon av bergbrytningen under en kutter, men de representerer ikke den store variasjonen av sprekkemønster og bergoverflatesegmenter foran en TBM. Kjerneprøver som er tatt etter boring med ulike omdreiningshastighet på kutterhodet viser at antallet sprekker øker når omdreiningshastigheten reduseres. I tillegg er sprekkene lengre og de går lenger inn i berget, og fordelingen av sprekkene mellom kutterne og helningsvinkelen for sprekkene er bedre fordelt. Dette gir større sannsynlighet for at en eller flere sprekker krysser hverandre, og gir dermed også en mer komplett bergbrytning. Disse hovedtrekkene ser ut til å være gjeldene for alle de tre ulike geologiene som er inkludert i studien. Inndrift målt i meter per minutt eller meter per time er veldig avhengig av omdreiningshastighet på kutterhodet, men kutterslitasjen avhenger av antall meter kutteren ruller. Ved å redusere omdreiningshastigheten synker den umiddelbare inndriften samtidig som antall meter hver kutter ruller reduseres. Kunnskap om og dokumentasjon av bedre og mer komplett bergbrytning ved redusert omdreiningshastighet er viktig informasjon å ta meg seg når en skal vurdere inndrift og kostnader over et større tidsrom enn minutter og timer. Sammenligninger av kjerneprøver fra stuff og kjerneprøver fra en lineær kutter test indikerer at det er noen ulikheter i bergbrytningen under kutterne på en TBM og kutteren på en Iineær kutter test. Dette gjelder i hovedsak fordelingen av vinkler og fordelingen av hvor langt inn i berget sprekkene når. Dette er viktig informasjon å ta med seg når resultater fra lineære kutter tester brukes som input i ulike prognosemodeller for inndrift og kutterslitasje.nb_NO
dc.description.abstractAbstract Since the world’s first Tunnel Boring Machine (TBM) started boring in 1800s the development of the boring technology has been a continuous process. The diameter of the TBM, the penetration rate and the efficiency in hard rock have increased in correlation with improved steel quality, larger disc cutters, adjusted cutter spacing, higher thrust force and higher torque. Different prediction models are established to estimate consumption of time, costs and cutter wear. Downtime caused by cutter changes, due to abrasion and wear, brings down the overall advance rate and affects the total economy of a project. Experiences from previous TBM projects show that the TBM is boring about 40% of the total boring time, and that cutter change takes about 15 % of the time. A small increase in cutter life can therefore give a considerable saving potential, looking at material costs and time spent. The TBM manufacturing companies are continuously working to improve penetration rate and to lower the costs in the boring process. FAST-Tunn is a joint research project dealing within TBM technology, involving a cluster of industrial partners, governmental bodies and academia/research. The aim of the FAST-Tunn project has been to improve the efficiency of new cutters in terms of 25 % increased durability, by investigating rock breaking mechanisms, steel quality and abrasivity. This Ph.D.-study is one out of two scholarships within the FAST-Tunn project. A large amount of resources have already been, and is expected to be, invested in different research projects aiming for improved cutter quality and more efficient TBMs, but do we really knows what is actually happening at this interface of materials? The number, length, orientation, type of cracks and the distance between them are all important responses to be detected and documented in order to increase the understanding of rock breaking under disc cutters of a TBM. Such knowledge can be used to optimize the TBM cutter head design, the cutter design and the operation of new TBMs, in order to decrease the cutter wear, and thereby increase the cutter life and the overall efficiency of the TBM. The knowledge can also be used to increase the utilization potential of a TBM at ongoing projects. This Ph.D.-Study seeks to improve the understanding of rock breaking by establishing a cost and time efficient method to visualize and document the rock breaking under the cutters of a full size TBM and under the cutter of a linear cutter test, and to use this method to document the effect of the cutter head speed, measured in revolutions per minute. The combination of sampling by core drilling at the face of two ongoing tunnel projects, geological mapping, sound velocity measurements, dye penetrant and the quantification of crack and core sample properties, have proven to be a both economical and time efficient way to detect and document the rock braking under a disc cutter of a full size TBM. Given constant operating conditions, there is a considerable variation of fracture patterns, and the rock breaking under the cutters of a TBM is much more complex than presented in literature. The concept model of rock breaking under the cutters of a TBM can be considered as a generalized and idealized presentation of the rock breaking, but is does not represent the great variety of fracture patterns and rock surfaces in front of a full size TBM. The study of cracks in core samples from two sites with different geologies and different RPMs, indicates that more cracks are initiated, and the cracks are longer and penetrates deeper into the rock when the RPM is reduced. There is also a better distribution of dip angles, dip directions and point of origin in reference to the cutter groove. This implies a higher chipping potential, as the probability of intersection of cracks increases. This seems to be the main trend for two different geologies. From the available data, the findings from the LCT indicates that there are some differences in the effects of the disc cutter on a TBM and a LCT, with respect to the distribution of dip angles and the relative distribution of vertical depths from the 0-line, relative to the maximum vertical depth from the 0-line in the core samples from the LCT and a full size TBM.nb_NO
dc.language.isoengnb_NO
dc.publisherNTNUnb_NO
dc.relation.ispartofseriesDoctoral theses at NTNU;2019:100
dc.titleRock Breaking under Rolling TBM Disc Cutters in Hard Rock Conditions – Visualization and documentation of cracksnb_NO
dc.typeDoctoral thesisnb_NO
dc.subject.nsiVDP::Matematikk og Naturvitenskap: 400::Geofag: 450::Petroleumsgeologi og -geofysikk: 464nb_NO


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel