چکیده: با پیشرفت صنعت تونلسازی در یک قرن اخیر، استفاده از ماشین‌های حفاری مکانیزه تونل برای حفاری تونل‌های طویل، تونل‌های کوهستانی، تونل‌های شهری، تونل‌های تاسیسات زیربنایی و حتی در معادن زیرزمینی، به دلیل سرعت بالای حفاری و شرایط ایمنی مناسب، مرسوم و تا حدی اجتناب‌ناپذیر شده است. از آنجایی که هزینه سرمایه‌گذاری این روش نسبت به سایر روش‌های رایج تونلسازی بسیار بیشتر بوده بنابراین ضروری است تا با بررسی مسائل مختلف، هزینه‌های اجرایی آینده رصد شود تا مشکلات غیرمترقبه و پیش‌بینی نشده، عملکرد TBM و نهایتا برنامه‌ریزی طرح را تحت تاثیر قرار ندهد. یکی از مسائل مهم و موثر بر عملکرد TBM، فرسودگی سایشی دیسک‌کاترها در طی فرایند حفاری سنگ ساینده و مقاوم است. فرسودگی سایشی دیسک‌کاتر که در اثر کاهش تدریجی و یکنواخت قطر دیسک‌کاتر ایجاد می‌شود ناشی از اندرکنش سنگ- ماشین در طی حفاری است و عوامل مختلفی می‌تواند این پدیده را تشدید کند و عمر سایشی دیسک‌کاتر را کاهش دهد. خصوصیات درزه‌داری سنگ از مهم‌ترین این عوامل است که در صورت لحاظ شدن در روابط نظری و تجربی، می‌تواند نتایج محافظه‌کارانه در پیش‌بینی عمر سایشی دیسک‌کاتر را اصلاح کند و به نتایج واقعی نزدیکتر نماید. در این تحقیق بر اساس پایگاه داده‌ای که از پروژه تونل انتقال آب کرمان به دست آمده تأثیر خصوصیات مختلف سنگ و درزه‌ها بر فرسودگی سایشی دیسک‌کاتر و عمر آن مطالعه شده است. در بخش اول این تحقیق، عوامل مختلف موجود در پایگاه داده به روش آماری تحلیل شده‌اند و نهایتا پارامترهایی که بیشترین همبستگی را با عمر سایشی دیسک‌کاتر داشته‌اند برای ارائه مدل تجربی پیش‌بینی عمر دیسک‌کاتر با استفاده از رگرسیون غیرخطی چندمتغیره انتخاب شده‌اند. این پارامترها شامل ضریب خردشدگی کل توده‌سنگ، مقاومت توده‌سنگ و شاخص سایش سرشار است. طبق مدل تجربی ارائه شده با ضریب همبستگی 0.800، عمر سایشی دیسک‌کاتر با ضریب خردشدگی کل توده‌سنگ رابطه مستقیم داشته و با مقاومت توده‌سنگ و شاخص سرشار سنگ رابطه عکس دارد. اعتبارسنجی این مدل بر اساس داده‌های دردسترس در دو مقطع زمین‌شناسی تونل آب‌بر نیروگاه پروژه چند منظوره اوما اویا در کشور سریلانکا بوده که نتایج ارائه شده توسط مدل تجربی با نتایج واقعی ثبت شده در پروژه خصوصا در مقاطع شدیدا خردشده و درزه‌دار تطابق خوبی دارد. در بخش دوم این تحقیق و به عنوان گام اول مدل‌سازی عددی، تاثیر پارامترهای مختلف بر عمر سایشی دیسک‌کاتر و سازوکار خردایش سنگ توسط TBM به کمک نرم‌افزار تجاری اجزای گسسته3DEC که توسط شرکت آیتسکا توسعه یافته مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه نتایج مدل‌سازی دینامیکی حفاری دیسک‌کاتر تکی در سنگ بکر (بدون درزه) با نتایج مدل نظری CSM حاکی از اختلاف اندک و قابل قبول نتایج با یکدیگر است. پس از این صحت‌سنجی و در گام دوم مدل‌سازی عددی، با افزودن درزه‌ها به مدل عددی و انجام تحلیل حساسیت بر روی پارامترهای مختلف عملیاتی TBM، درزه‌داری سنگ و هندسه دیسک‌کاتر نشان داده شد که افزایش RPM کاترهد، شعاع نصب دیسک‌کاتر بر روی کاترهد و نیز کاهش فاصله‌داری درزه‌ها باعث افزایش نفوذ TBM در سنگ و بهبود عملکرد آن می‌شود. همچنین فرسودگی سایشی دیسک‌کاتر با افزایش نرخ نفوذ، RPM کاترهد، فاصله‌داری درزه‌ها، کندی لبه دیسک‌کاتر و همچنین با کاهش شعاع نصب دیسک‌کاتر بر روی کاترهد افزایش می‌یابد. در این مدل، درزه‌ها با زاویه 45 تا 60 درجه نسبت به راستای نفوذ دیسک‌کاتر (یا پیشروی TBM) بیشترین تأثیر را در افزایش خردایش سنگ و کاهش تنش فون میزز القایی در دیسک‌کاتر دارد. به عبارت دیگر، در چنین شرایط درزه‌داری، سرعت پیشروی TBM حداکثر بوده و دیسک‌کاترها دیرتر دچار فرسودگی سایشی می‌شوند. در گام نهایی مدل‌سازی عددی، تحلیل عددی حفاری توده‌سنگ تونل انتقال آب کرمان با TBM در مقیاس واقعی نشان می‌دهد که در توده‌سنگ‌هایی با شرایط خردشدگی بیشتر، تنش فون میزز القایی در دیسک‌کاترها کمتر بوده و در نتیجه، فرسودگی سایشی دیسک‌کاترها نیز کمتر خواهد بود. علاوه بر این، بررسی سازوکار شکست سنگ نشان می‌دهد که تشکیل و گسترش زون خرد شده در سنگ در اثر اعمال نیروهای دیسک‌کاتر ابتدا در اثر تسلیم برشی رخ داده و با تداوم عملیات حفاری، گسیختگی کششی مضاف بر گسیختگی برشی منجر به خردایش سنگ و پیشروی TBM می‌شود.