YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ TÜNEL DERSİ

Transkript

1 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 6. Bölüm Klasik kazı yöntemleri (Kazı şekilleri, iksa sistemleri ve kazı makinelerinin kollu ve hidrolik kırıcılar kapasiteleri) Prof. Dr. Müh. Yapı Merkezi AR&GE Bölümü

2 AÇIKLAMA NOTU: Büyük kazı kesitli metro/ karayolu tünellerinin kazısı 1970 li yıllardan beri Yeni Avusturya Tünel Yöntemi NATM ile yapılmaktadır. Bu yöntemin bir tünel açma yöntemi olmadığı, sadece bazı kavramlara ki onların teorik açılımları tanımlanmamıştır ve uygulama örneklerinde de bu kavramlar açıklanamamaktadır dayalı düşünsel yaklaşım olduğu, literatürde ilk defa Prof. Dr. Müh. Karman Kovári tarafından 1993, 1994 ve 1995 yıllarında ortaya koyulmuştur ( Aynı araştırman savlarını 2003 te yayımlanan iki makalesinde tekrarlamıştır. NATM ekolünde yer alan araştırmalar Prof. Dr. Müh. Kovári ye güçlü teorik/ pratik değerlendirmelere dayalı bir yanıt geliştirememişlerdir. Bu notların muellefi de (*) Prof. Dr. Müh. Kovári nin NATM ye ilişkin tüm görüşlerine katılmaktadır. Kaldı ki, salt maden mühendisliği literatürü açısından ele alındığında 1964 yılında NATM ciler tarafından ileri sürülen kavramların bir bölümüne ait analitik ve deneysel modelleri, örneğin Labasse 1947, F Mohr 1957, 1960 çalışmalarında yayımlanmıştır (Prof. Dr. Müh. F. Mohr İTÜ Maden Maden Fakültesi nde öğretim üyesi olarak çalışmıştır). Bu gerekçe ile bu ders notunda NATM yerinde klasik kazı yöntemi kullanılmıştır. (*) DSI nin Adana/ Bölge Müdürlüğü tarafından 1983 yılında düzenlenen tünel sempozyumunda oturumlardan birinde söz alarak, NATM nin geniş bir değerlendirmesini yaparak, sözde yönteme ilişkin kavramların tünelcilikte 1940 lı yıllardan beri çok iyi bilindiğini ifade etmişti. Daha sonra bu görüşlerini yazılı olarak hazırlama imkanı olmamıştı. Genç mühendis/ araştırmanlara bu örnekten çıkartılacak önemli ders vardır: Çalışmalarınızı mutlaka cesaretle yazılı hale getirin ve yayınlanması için sürekli çaba sarf edin. Söz uçar, yazı kalır 2

3 Arazi basıncı İksa Basıncı, P YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Kaya kütlesinin radyal yerdeğiştirme karakteristik eğrisine etkisi Zayıf kaya kütlesi c 1, 1 ler düşük Elastik davranış c 3, 3 >> c 1, 1 Ortalama kaya kütlesi c 1 > c 2 ; 2 > 1 Radyal Yerdeğiştirme, u r o Elastik davranış gösteren kaya kütlelerinde mekanik büyüklükler ( y,b, E y, c ve ) daha büyük olduğundan gözlemlenecek radyal yerdeğiştirme büyüklüğü çok küçüktür. Bu tür formasyonlarda iksa gereksinimi yoktur. Yalnız, proje süresi ve özellikleri nedeniyle basit iksa sistemleri kaplama kalınlığı çok az olan püskürtme beton, geniş aralıklar ile yerleştirilmiş tavan saplamaları vs uygulanabilir. o Kaya kütlesinin mekanik büyüklükleri azaldıkça temel cidarının sergilediği deformasyon plastik özellik kazanır. Ve tünel etrafında plastikleşme zonu oluşur. Plastikleşme zonunun genişlemesini denetlemek amacıyla tünelde iksa sistemleri uygulanır. 3

4 İksa sistemlerinin rijitlikleri P P i,1 P i,2 Çok rijit iksa sistemi (betonarme kaplama) Deformasyon açıklığı olan püskürtme beton kaplaması P 1,2 <P i,1 Göçük olasılığı u r o Kazı faaliyetinden hemen sonra çok rijit iksa sisteminin yerleştirilmesi durumunda kaplama tarafından taşınan arazi basıncı yüksektir. Pahalı bir çözümdür. o Tünelde radyal yerdeğiştirmenin kontrollü şekilde artmasına izin verecek iksa sisteminin taşıdığı basınç önemli ölçüde azaltılabilir. Daha açık deyişle ekonomik iksa çözümleri üretilebilir. o Eğer iksa sistemi kazı bölgesine geç yerleştirilmiş ve taşıma kapasitesi de yeterli değilse, fiziksel olarak denge noktası oluşmadığından tünelde göçük olasılığı sözkonusudur. 4

5 İncirli Mevhibe İNÖNÜ tünelinde kazı destekleme aşamaları: 1 Üst yarı kazısı 4 Taban (invert) kazısı 2 Püskürtme beton işlemi 5 Kaya bulonu yapılması 3 Alt yarı kazısı 1, 2 5 numaraları kazı da uygulanan aşamaların sırasını göstermektedir. Kaynak: Arıoğlu, B.,Yüksel, Arıoğlu, Ergin,

6 Derin Tünel İnşaat Aşamaları: Kollu tünel makinesi Arın Delik delme makinesi 1 Kazı yapılması Havalandırma borusu Yol dolgusu 5 Kaya bulonu yapılması 2 1.Kademe püskürtme betonu 6 Radye betonu dökülmesi 3 Çelik iksa konulması 7 Kemer iç kaplama betonu Özel çelik kalıp 4 2. Kademe püskürtme beton 1, 2 7 numaraları kazı da uygulanan aşamaların sırasını göstermektedir. Kaynak: Atlas Copco? 6

7 Mevhibe İnönü Tünelinde Uygulanan Kazı Destekleme Sisteminin Ayrıntıları: (L= Saplama uzunluğu, d = Saplama çapı, q = Çelik iksa ağırlığı, e = indirme uzunlukları) Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

8 Mevhibe İnönü Tüneli Kazı Destekleme İşlemleri-Aşamalar Uygulama Aşaması İşlem Türü Geometrik Boyutlar ve Miktarı ST YARI ALT YARI TABAN (İNVERT) Tortul Kayaçların Bulunduğu Bölgede Uygulanmıştır Önsüren (Gerektiğinde) Kazı Ön Püskürtme Betonu (Gerektiğinde Ayna ve Kazı Yüzeyine) Hasır Çelik Yerleştirme İksa Yerleştirme Püskürtme Beton Kazı Ön Püskürtme Beton (Ayna ve Kazı Yüzeyine Gerektiğinde) Hasır Çelik Yerleştirme İksa Yerleştirme Püskürtme Beton Kaya Bulonu (Üst Yarı İle Birlikte) Kazı Hasır Çelik Yerleştirme Püskürtme Beton Geçici Dolgu L= m, =26 mm nervürlü çubuk, adet, (Her iki iksada bir) 0.8 m m, Arka arkaya 2-3 adım (iksa) 5 cm kalınlığında BS20, Priz hızlandırıcı katkılı Q 221/221 Tip, W=3.47 kg/m 2, 30 cm bindirme ( B tipi destekleme sisteminde tek kat, C tipi destekleme sisteminde çift kat) Üst yarı için üç parçalı BS20 beton sınıfında, Priz hızlandırıcı katkılı, ( B tipi destekleme sisteminde 20 cm, C tipi destekleme sisteminde 25 cm kalınlıkta) ( m) İlerleme, 2-3 Adım birlikte 5 cm kalınlığında BS20, Priz hızlandırıcı katkılı Q221/221 Tip, W=3.47 kg/m 2, 30 cm bindirme Alt Yarı için iki parçalı (Sağ ve Sol Ayaklar) BS20 Beton sınıfında, Priz hızlandırıcı katkılı, ( B tipi destekleme sisteminde 20 cm, C tipi destekleme sisteminde 25 cm Kalınlıkta) B Tipi destekleme sisteminde 7-8, adet/iksa, C Tipi destekleme sisteminde adet/iksa, L=3.85 m, =26 mm nervürlü çubuk +çimento enjeksiyonu 4 kazı adımı birlikte Q221/221 Tip, W=3.47 kg/m 2, 30 cm Bindirme cm kalınlıkta priz hızlandırırcı katkılı 1.0 m Kalınlıkta Kaynak: B. Arıoğlu, A. Yüksel, Arıoğlu, Ergin,

9 İncirli Mevhibe İnönü tünelinde uygulanan drenaj sistemi Su Taşıyan Marn Tabakası Su Geliri ÜST YARI Geçirmsiz Siltli Kil Tabakası Su Kanalı ALT YARI İNVERT Ø 25 mm Delikli Plastik Boru Aralık ~1 m Ø 42 mm Drenaj Deliği Detay Püskürtme Beton +Çelik Hasır +Çelik İksa +Kaya Bulonu Kesit Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

10 Mevhibe İnönü Tüneli Günlük İlerleme Hızının Güzergah Boyunca Değişimi Günlük ilerleme hızı (Haftalık ortalama), m/gün.ayna 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 ORTALAMA İLERLEME HIZI 2.32 m/gün.ayna km Kaynak: B. Arıoğlu, A. Yüksel, Arıoğlu, Ergin,

11 Mevhibe İnönü Tünelinde yer altı ve yerüstü hareketi ölçüm esasları: Bina Yol Sb E, Sz E, Sz E, Sz Sb Sz Sz t r Ht, Hr D Ht, Hr D Üst Üst yarı yari D Ht, Hr Ht Hr Kaynak: B. Arıoğlu, A. Yüksel, Arıoğlu, Ergin, D Alt Alt yarı yari D Ht, Hr D E Sz Sb Tegetsel ve Radyal Basinc Hücresi Tünel içi Deformasyon Noktasi Çoklu Çubuk Ekstansometre Yüzey Oturma Noktasi Bina 11 Oturma Noktasi 11

12 Mevhibe İnönü Tünelinde Yapılan Tasman Ölçümleri Ölçüm Kesiti Sayısı: 48 adet Toplam Okuma Sayısı: 4519 adet Ortalama Okuma Sayısı: 22 adet/bulon Ortalama Ölçme Aralığı: 35 m Birim Tünel Uzunluğunda Okuma Sayısı: 3.4 ad/m Kesit Başına Ortalama Okuma Sayısı: 119 adet/kesit Kaynak: B. Arıoğlu, A. Yüksel, Arıoğlu, Ergin,

13 Mevhibe İnönü Tüneli MS 18 İstasyonunda (km6+700) Alınan Yüzey Tasmanı ve Tünel içi Ölçüm Sonuçları: İstasyonun Aynaya Uzaklığı, X, m X İstasyon Noktası MS# X Tünel İçi Deformasyon Tasman, mm Günlük Tasman Artış Hızı Yüzey Tasmanı Tünel İçi Maksimum Düşey Deformasyon Kaynak: B. Arıoğlu, A. Yüksel, Arıoğlu, Ergin,

14 İzmir Nene Hatun metro tüneli ve istasyon tünelinde kazı destekleme işleri: Kaya bulonu (15 m/17 adet/iksa) l= 5,85 m Püskürtme beton 25 cm + Çelik hasır 2 kat + Çelik kafes iksa Kazı alanı 146,5 m 2 Kaynak: B. Arıoğlu, A. Yüksel, Arıoğlu, Ergin,

15 İzmir Nene Hatun Tünelinde Uygulanan Destekleme Sistemleri: ÜSTYARI ÜSTYARI ALTYARI ALTYARI TABAN Tortul Kayaçların Bulunduğu Bölge (km km 0+976) Kazı Alanı : ~69 m 2 Destekleme Sistemi : Kapalı Halka 1. Püskürtme Beton :V= 8 m 3 /m, t= 25 cm, BS20, 2. Çelik Kafes İksa : 0,77-1,00 adet/m (Q=13,5 kg/m) 3. Kaya Bulonu : L=3,85 m, 26 mm Nervürlü Çubuk, (~0,5 ad/m 2 ) 4. Çelik Hasır : Çift Kat, Q221/ Süren Çubuk : L=3,0 m, 26 mm Nervürlü Çubuk 0,3m aralıklı, ~15-25 adet / 2 round Birim Çelik Tüketimi : 12,5 kg/m 3 (kazı) Andezit Kayaçların Bulunduğu Bölgeler (km km 0+652) ve (km ) Kazı Alanı : ~66 m 2 Destekleme Sistemi : Açık Halka 1. Püskürtme Beton : V=4,35 m 3 /m, t=20 cm, BS20 2. Çelik Kafes İksa : 0,77-1,00 adet/m (Q=13,5 kg/m) 3. Kaya Bulonu : L=3,85 m, 26 mm Nervürlü Çubuk, (~0,3 ad/m 2 ) 4. Çelik Hasır : Tek Kat, Q221/ Süren Çubuk : L=3,0 m, 26 mm Nervürlü Çubuk 0,3m aralıklı, ~15-25 adet/ 2 round (Çok sınırlı Uygulama) Birim Çelik Tüketimi : 6,4 kg/m 3 (kazı) Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

16 İzmir Metro Projesi Nene Hatun Tüneli Püskürtme Beton Uygulaması: Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

17 İzmir Metro Projesi Nene Hatun Tüneli Alt Yarı Kazısı ve Desteklemesi: Üst Yarı (~35 m 2 ) Alt Yarı (~31 m 2 ) Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

18 Aşırı sıkışma hareketi gözlenen derin tünellerde uygulanan iksa örneği: A Detayı cm A Detayı Püskürtme beton Taban betonu Taban Taban saplamaları, l= 6 m 24 mm tavan saplaması Geçme bağlantısı Çelik hasır v Püskürtme beton Tavan deformasyonlarını denetlemek için bırakılan aralık 20 cm Kaynak: Brandl,? Geçme çelik iksa TH21 18

19 Açık mod tünellerde zemin iyileştirmesi ve ön süren/ arın iksa sistemlerinin uygulamaları Arın iksa elemanları a Tünel arın güçlendirmesi Enjeksiyonlanan önsürenler Şemsiye Geleneksel yöntem b Enjeksiyonla şemsiye uygulaması Sınırlandırılmış Basınç Kesilen cidar açıklığı c Ön cidar kesimi Tünel arın güçlendirmesi o İlkin tünelin yan cidarında pottkabaç makinesi ile kesilir. o Açılan kesim beton karışımıyla doldurulur. o Tünelin etrafında oluşturulan taşıyıcı halka sayesinde arında tam cephe kazı gerçekleştirilir. Kaynak: Mair, 1997 den alıntılayan Brandl? Kaynak: Schlosser, 1997 den alıntılayan Brandl? 19

20 Arının güçlendirilmesi: Geçme bağ çelik + iksa + püskürtme beton kaplama Önsürenler Tünel ilerlemesi Püskürtme beton uygulaması Fiber cam arın çivileri o Kazı faaliyetlerinden ötürü 3 0 olmaktadır. Bu durum arında stabilite sorunu yaratmaktadır. o Önsüren uygulaması ile düşey gerilme 1 in büyüklüğü arında azaltılabilir. o Önsüren ile gerçekleştirilen 1 gerilme azalımı Mohr Coulomb diyagramında gösterilmiştir. Kaynak: Kavvadas,

21 Aksiyal tip kollu tünel açma makinesi: Kesici kafa arın Kol bom Hidrolik verenler Yürüme ünitesi: paletler Yengeç yükleme kolları Yükleme konveyörü - Aksiyal tip kollu tünel açma makinesinin kesme modu - Kaynak: Bilgin, Balcı, 2005, 21

22 Yanal tip kollu tünel açma makinesi: Tünel arını Kesici kafa Kol bom Keski Yengeç yükleme kolları Yükleme konveyörü - Yanal tip kollu tünel açma makinesinin kesme modu - Kaynak: Bilgin, Balcı, 2005, 22

23 İzmir Metro Projesi Nene Hatun Tüneli Kollu Kazıcı ile İstasyon Tünelinde Kazı İşlemi: Yükleme ünitesi - Ceyn konveyör Westfalia WAV 178/300 Kollu Kazıcı Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

24 KOLLU TÜNEL AÇMA MAKİNELERİNİN GENEL ÖZELLİKLERİ o Toplam kurulu güç, P t, kw maksimum makine ağırlığı, G, t P t =14,75(G) 0,735, r=0,905, 10 t < G < 120 t o Toplam kurulu güç P t, kw kesici kafa motor gücü, P k, kw P t =4,63.P 0,811 k, r=0,939, 50 kw < P k < 400 kw r= Korelasyon katsayısı o Zemine aktarılan basınç a, kgf/cm 2 makine ağırlığı, G, t a =0,895.exp(0,0076G), r=0,686 a < t,em olmalıdır. t,em = zemin/ kaya kütlesinin güvenli taşıma kapasitesi Kaynak: Yapı Merkezi, AR&GE Bölümü,

25 Kollu tünel açma makinelerinin sınıflandırılması: Kollu tünel açma makine sınıfı Ağırlığı, t Kesici kafa gücü, kw Maksimum kesit alan, m 2 Maksimum çalışacağı sağlam kaya tek eksenli basınç dayanımı, lab,b, MPa Hafif RQD, % Orta Ağır <80 Çok ağır > <60 Kaynak: Bilgin, Balcı, 2005, 25

26 Anlık kesme Kapasitesi,ICR, m 3 /sa YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Kollu tünel açma makinesinin anlık kesme kapasitesinin kaya kütlesi kazılabilirlik indisi ile değişimi : Kollu kesici, 95 HP ICR= 26,127.exp -0,0263RMCI r= 0,856 Kaya kütlesi kazılabilirlik indisi,rmci, MPa o Kollu tünel açma makinesi kesici kafa performansının amprik olarak kestirimi: ICR = 0,28.P.(0,974) RMCI = σ lab,b Burada; (Aksiyal model) RMCI ICR= Kollu kazıcının anlık kesme kapasitesi, m 3 /saat RMCI=Kaya kütlesi kazılabilirlik kesilebilirlik indisi, MPa RQD 100 lab,b = Sağlam kayanın tek eksenli basınç dayanımı, MPa RQD= Kaya kalite göstergesi, % P= Makine gücü, HP r= Korelasyon katsayısı 2/ RQD Kaynak: Bilgin vd. 1988, 1990, 1996; Bilgin, Balcı, 2005, 26

27 ICR, m 3 /sa YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Kollu makinenin anlık kazı kapasitesinin makine gücü ve ağırlığına bağlı değişimi: ICR= Tamburlu Kollu kazıcının anlık kesme kapasitesi, m 3 /saat 0,0023(RPI) ICR = 27,511exp r=0,964 RPI= Kollu tünel makinesinin kazı indisi lab,b = Sağlam kaya numunesinin tek eksenli basınç dayanımı, MPa W= Makine ağırlığı, metrik ton P= Kesme gücü, kw r= Korelasyon katsayısı Keski tüketim değeri: TCR= 897,06. RCI 2 + 6, 18 RCI, keski/m 3 -kaya- Kollu tünel makinesinin keski tüketim indisi: RCI = σ lab,b P. W. CHD = MPa. t. m kw RPI=(PxW)/ lab,b CHD= Kesici kafanın çapı, m Kaynak: Çopur, 1997 dan alıntılayan Bilgin, Balcı, 2005, 27

28 Gerilme, YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Kesme Kapasitesi, K p, m 3 /sa Kollu tünel makinesinin anlık kazı kapasitesinin birim kaya numune hacmi başına deformasyon işine göre belirlenmesi: Yenilme öncesi Yenilme sonrası Gerçek performans lab,b Yenilme noktası Basınç deneyi K = 107,6-19,5ln W p s= 4,6 m 3 /sa, n= 26, r=0,943 z Deformasyon işi: z W= σdε 132 kw kollu kesici Birim Deformasyon, Deformasyon İşi, W z, [kj/m 3 ] (s= Korelasyonun standart sapması, n= Veri sayısı, r= Korelasyon katsayısı) Kaynak: Thuro, Plinninger, 1999, 28

29 Her Türlü Kazı Makinesinin Kapasite Hesabında Kullanılabilen Yaklaşım: ICR = k P SE opt (Rostami vd. 1994, 1996) ICR= Anlık kapasite, m 3 /saat k= Enerji transfer katsayısı (Kabul edilen değerler: Kollu tünel makinesi için k=0,45 0,55; TBM için k=0,85 0,90) P= Kazı kesme gücü, kw SE opt = 1 m 3 kaya kazısı için tüketilen optimum spesifik enerji, kwh SE opt =0,0826. lab,b +1,24, kw/m 3 (Bilgin vd 2006) lab,b = Sağlam kaya numunesinin tek eksenli basınç dayanımı, MPa Bu bilgileri kullanarak anlık-net- kazı miktarı ICR = P σ lab,b , ( m3 saat ) şeklinde yazılabilir. (Literatürde SE opt büyüklüğünün kestirimi için çeşitli boyutlar verilmiştir. Bkz. ilerki bölümdeki problem metini) 29

30 Net kırma kapasitesi (m 3 /sa) Net kırma kapasitesi (m 3 /sa) YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Hidrolik kırıcı net kırma kapasitesinin kestirimi: Hidrolik kırıcının gücü 30 HP lab,b, MPa Hidrolik kırıcının gücü 60 HP -0,567 IBR = 4,24P(RMCI) RMC = σlab,b Burada; RQD/ RMCI = σ lab,b RQD/100 2/ σ lab,b RQD IBR= Anlık veya net kırılma oranı, m 3 /saat P= Makinenin gücü, HP RMCI= Kaya kütlesinin kesilebilirlik indeksi, MPa lab,b = Sağlam kaya numunesinin tek eksenli basınç dayanımı, MPa RQD= Kaya kalite göstergesi, % Değerlendirme: o Verilen lab,b ve makine gücünde, P, azalan RQD değeriyle kırma kapasitesi artmaktadır. o Verilen RQD ve P değerlerinde kırma kapasitesi artan lab,b ile önemli ölçüde azalmaktadır. Not: Hidrolik kırıcının teknik boyutlandırmasına yönelik daha ayrıntılı bilgi Dr. Hakan TUNÇDEMİR tarafından hazırlanan bildiri metninden, 2007 temin edilebilir (Bkz bu bölümün Ek okuma parçası) lab,b, MPa Kaynak: Bilgin, Balcı, 2005, 30

31 Sayısal Örnek: Ön pilot tünel arınında yapılan çatlak ölçümlerine dayandırılan kaya kalite göstergesi, RQD ve sağlam kaya numunesinin eksenli basınç dayanımı, lab,b değerleri şöyledir: o RQD: %45, %60, %35, %20, %30, %50, %38, %32 o lab,b : 46 MPa, 32 MPa, 50 MPa, 35 MPa, 38 MPa, 25 MPa, 26 MPa, 32 MPa (RQD ile lab,b arasında herhangi bir fiziksel bağıntı bulunmamaktadır). a) Verilen RQD ve lab,b değerlerinin istatistiksel büyüklüklerini bulunuz. %95 (ഥX± 2S) güven aralığı için RQD ve lab,b in alt ve üst sınır değerleri nedir? b) Kullanılacak tünel kazı makinasının kesici kafa gücü 200kW dir. Verilen mekanik büyüklükler için aksiyal Çözüm: kollu tünel kazı makinesinin ortalama değerini hesaplayınız. Ortalama eşdeğer kuvars içeriği %40 dır. Buna göre birim m 3 kazı için keski tüketimini kestiriniz. a) Aritmetik ortalama değeri n Xi i=1 X 1 + X Xn X = = n n bağıntısı ile hesaplanır. Buradan RQD ve lab,b in aritmetik ortalamaları sırasıyla RQD = = % 38, σ lab,b = = 35,5 MPa 8 bulunur. 31

32 Devamıdır Standart sapma değeri, s n 2 Xi - X X1 - X + X2 - X Xn - X i=1 s = =, n < 30 adet n - 1 n - 1 ile hesaplanmaktadır. (n= Veri sayısı). Bu bağıntıdan RQD ve lab,b nin değerlerinin standart sapmaları sırası ile s= %12,56 ve s= 8,88 MPa dır. Değişkenlik katsayısı, V X 1, X 2,, X n kümesinin standart sapma, s değerinin ortalama değer, s V = x100, % X X e oranı olup, ile bulunur. Buradan RQD ve lab,b için değişkenlik katsayısı sırası ile V=%30,3 ve V=%23,4 olarak hesaplanır. (ഥX± 2S) güven aralığı için RQD ve lab,b ın alt ve üst sınır değerleri; RQD (ഥX± 2S) (%13,62 - %63,88) lab,b (ഥX± 2S) (17,74 MPa 53,26 MPa) aralığındadır. b) Kaya kütlesinin kesilebilirlik- kazılabilirlik- İndeksi RMCI = σ lab,b RQD 100 bağıntısı ile hesaplanır. 2/3 MPa (Bilgin vd., 1996 ve Bilgin vd., 2014). 32

33 Devamıdır Hesaplanan ortalama σ lab,b ve RQD değerlerine karşı gelen kaya kütlesinin kazılabilirlik indeksi RMCI = olarak bulunur / MPa Aksiyal kollu tünel kazı makinasının anlık (net) kazı miktarı ise ICR = P RMCI, m 3 /saat ifadesinden (Bilgin, 2014) ICR = = m 3 /saat olarak hesaplanır. (P= Kurulu kesici kafanın kurulu gücü HP, 1kW= 1.36 HP) Gehring 1989, kollu tünel kazı makinasının net kazı miktarının hesaplanması için aşağıdaki formülleri önermiştir: ICR = ICR = 1739 σ lab,b f 1, m 3 /saat 719 σ lab,b f 2, m 3 /saat (Aksiyal) (Tamburlu) 33

34 Devamıdır Burada f 1 ve f 2 kesici kafa gücüne ilişkin düzeltme faktörlerini f 1 = P 230 aksiyal, f 2 = P kafanın kurulu gücü, kw dür. Problem verisi olarak (P= 200kW) olarak aksiyal kollu makinada düzeltme faktörü f 1 = P 230 = dir ve anlık kazı miktarı ise 250 gösterir. Ve P= Kesici ICR = 1739 (35. 5) m3 /saat olarak hesaplanır. Rastami et al., 1994 birim spesifik enerji kavramından (SE) hareket ederek anlık kazı miktarını ICR = K P SE opt m 3 /saat ifadesinden hesaplanmasını önermektedir. K= Enerji transfer katsayısı, kollu makinalarda K= değerleri önerilmiştir. P= (Kollu makine) kesici kafanın kurulu gücü KW, SE opt = Optimal spesifik enerji tüketimi KWh/m 3. Ortalama basınç dayanımı σ lab,b = 35.5 MPa için optimal spesifik enerji SE opt = σ lab,b = kwh/m 3 34

35 Devamıdır Spesifik enerji tüketimine dayandırılan anlık net- kazı miktarı ICR = = m3 /saat Balcı ve diğerler, 2004 optimum spesifik enerji büyüklüğünü (SE opt ) kesme derinliği d= 5 ve 9 mm için aşağıdaki regresyon ifadelerini vermiştir. d=5mm için SE opt = σ lab,b 0.86, (kwh/m 3) (5MPa< σ lab,b < 125MPa) 0.67 d=9mm için SE opt = σ lab,b, (kwh/m 3) (5MPa< σ lab,b < 125MPa) σ lab,b = 35.5 MPa ve d= 5mm SE opt = 8 kwh/m 3 d= 9mm SE opt = 4.5 kwh/m 3 (Artan kesme derinliğinde kazı için gereken spesifik enerji miktarı azalacaktır). Problemde aritmetik ortalama alınırsa SE opt = 6.25 kwh/m 3 net kazı miktarı P ICR = K. = = SE opt 6.25 m3 /saat olarak hesaplanır. Görüldüğü üzere çeşitli hesaplaşma yöntemlerine dayandırılan anlık- net- kazı miktarı aralarında önemli farklılıklar söz konusudur. Bu sonuç beklenmelidir. Mühendis, yerinde yapacağı özenli kazı miktarı ölçümlerine göre çalışma koşulları için kazı miktarını daha güvenilir şekilde belirleyecektir. 35

36 Sağlam kaya numunesinin tek eksenli basınç dayanımı, lab,b, MPa YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Devamıdır Thuro ve Plinninger, 1999 kaynağında rapor edilen lab,b =f(eşdeğer silis yüzdesi) (*) değişiminden (Bkz Şekil) hareketle σ lab,b = 35,5 MPa için 1 m 3 kazı başına tüketilecek keski miktarı 0,07 adettir. Değerlendirme: o Keski tüketimine etki eden temel faktörler tek eksenli dayanımı sağlam numune ve kesilen kaya kütlesinin eşdeğer SiO 2 içeriğidir. o Verilen lab,b değerinde artan SiO 2 miktarıyla 1 m 3 kaya kütlesi hacmi başına keski tüketimi artmaktadır. Keski tüketimi, keski/m 3 (*) Kaya numunesinin eşdeğer silis yüzdesi petrografik ince kesit analizlerinden belirlenebilir. Kaynak: Thuro, Plinninger, 1999, 36

37 Devamıdır Sandvik in spesifik kesici tüketimi- basınç dayanımı- Cerchar aşınma indeksi (CAI) abağı yardımıyla tamburlu kollu tünel kazı makinasının kesici tüketimi kestirilebilir. (Makinanın çalışma koşulu düşük hızlı kazıdır). Abakta kullanılan basınç dayanımı ise σ lab,b, λ= 1 dir. Başka bir anlatımla, kullanılan numunenin narinlik oranı λ = numune yüksekliği numune çapı = 50 = 1dir. Genellikle uygulamalı 50 kaya mekaniği disiplininde basınç dayanımlarında kullanılan numunelerin narinlik oranı λ= 2 dir. Dolayısıyla abağın kullanılmasında gerekli basınç dayanım düzeltmesi yapılmalıdır. Düzeltmede kullanılacak ifade K = σ lab,b, λ = 2 σ lab,b, λ = 1 = λ dir. Burada λ numuneye ait narinlik oranı, λ = h, h= numune yüksekliği, d= numune çapı (Arıoğlu ve Arıoğlu, 2005). d σ lab,b, λ = 1 = 7+ 2 λ 8 σ lab,b, λ = 2 σ lab,b, λ = 1 = σ lab,b, λ = 2 = MPa 37

38 Spesifik kesici tüketimi (adet/m 3 ) Devamıdır Spesifik kesici tüketimi- Basınç dayanımı- Cerchar (aşınma) indeksi Abağı Cerchar aşınma indeksi (CAI) Kaynak: Sandvik,? Tek eksenli basınç dayanımı MPa (σ lab,b, λ = 1 = h = 50 bazındadır) d 50 (λ =Numune narinlik oranı, h= numune yüksekliği, d= numune çapı) Abaktan σ lab,b λ = 1 40 MPa ve Cerchar aşınma İndeksi CAI 2. 3için 1m 3 kazı basınç tüketilecek keski adeti yaklaşık 0.05 adet elde edilmektedir. Dikkat edileceği üzere keski tüketimini etkiyen iki ana parametre söz konusudur: tek eksenli basınç dayanımı σ lab,b λ = 1ve Cerchar aşınma indeksi (CAI). Cerchar aşınma indeksi ile ilgili bilgi ve değerlendirmeler bu bölümün ekinde yer almaktadır. 38

39 EK BÖLÜM: Cerchar Aşınma İndeksi Cerchar Aşınma Indeksi (CAI) kayaların aşındırıcılık özelliğini tanımlayan bir indekstir. Bu büyüklük aşınma deneyi ile belirlenir. Deneyde 2000kg/cm 2 çekme dayanımı ve HRC (Rockwell) sertliği 55 olan 90 o tepe açılı konik bir uç 7kg bastırma kuvveti ile kaya numunesi üzerinde 1cm çekilmekte ve uçta oluşan aşınma yüzeyi kayaç numunesinin aşındırıcılığını vermektedir. 1/10 mmlik bir aşınma körelme- yüzeyi bir birim Cerchar aşınma indeksi olarak tanımlanmaktadır. Deney kırılmış pürüzlü yüzeylere uygulandığı gibi pürüzsüz yüzeylere de uygulanabilir. (Bilgin, 1989; Yaşar vd., 2014). Deneyde kullanılan düzenek ve 1cm uzunluğunda çizilmiş kaya numuneleri aşağıdaki şekilde görülmektedir. Şekil: Cerchar Aşınma Deney düzeneği ve Kaya numuneleri Kaynak: Prieto,

40 Kayaçların Cerchar Aşınma Indeksine (CAI) göre sınıflanmasına tipik kaya türleriyle birlikte aşağıdaki çizelgede verilmiştir. Açıktır ki artan CAI değerleriyle birlikte kayaların aşındırıcılığı artmaktadır. En az aşındırıcı olan kaya türü kireçtaşı olup, en aşındırıcı kaya türleri ise gnays, granit, pegmatit gibi kayalardır. Sınıflandırma Cerchar Indeksi Kaya türleri o Çok aşındırıcı 4.5 Hornblend, gnays, pegmatit, granit o Oldukça aşındırıcı Amfibolit, granit o Aşındırıcı Granit, gnays, kumtaşı o Orta aşındırıcı Kumtaşı o Biraz aşındırıcı Dolorit o Az aşındırıcı Portland kumtaşı o Çok aşındırıcı 1.2 Kireçtaşı Kaynak: Atkinson vd., 1986den alıntılayan Bilgin, 1989 ISRM 2015 göre yapılan sınıflandırma ise şöyledir: Sınıflandırma CAI büyüklüğü o Aşırı yüksek 5 o Çok yüksek o Yüksek o Orta aşındırıcı o Düşük o Çok düşük o Aşırı düşük Kaynak: ISRM 2015 den alıntılayan Yaralı vd.,

41 Schimazek ve Knatz (1970) sedimanter kayaçların petrografik analizlerine dayanarak aşınma indeksi (F değeri) tanımlanmışlardır: F = EQC σ t, kg/cm 100 Burada kullanılan terimlerin anlamları şunlardır: F= Schimazek- Knatz aşınma değeri, EQC= Eşdeğer kuvars miktarı, %. Petrografik- ince kesit- çalışmalarından bulunur. = Kuvars danelerinin ortalama çapı, mm. σ t = Kayanın dolaylı çekme dayanımı, kg/cm 2. Bazı minerallerin kuvarsa kıyasla eşdeğer aşındırıcılıkları (Rosiwal katsayıları %) için aşağıdaki değeler kabul edilebilir (Yaralı vd.,2018, Bilgin, 1989): o Kuvars: 100 o Feldispat: o Piroksen: 43 o Pirit/biotit: 55 o Plajioklas: 25 o Kil ve Opak: 4 o Karbonatlar: 3 o Mika: 4 41

42 Schmazek-Knatz (F value) 1970 göre aşındırıcılık sınıflanması aşağıda sunulmuştur: F değeri kg/cm Sınıflandırma < 0.01 Hiç aşındırıcı değil Çok az aşındırıcı Hafif aşındırıcı Orta aşındırıcı Aşındırıcı Çok aşındırıcı Çok fazla aşındırıcı > 4.0 Oldukça fazla aşındırıcı Schimazek- Knatz 1970 göre kollu tünel açma makinalarının uygulama sınırı F 1kg/cm olarak verilmektedir. Eşdeğer kuvars içeriğinin nasıl hesaplanacağı bozulmuş bir andezit örneğinin petrografik analizinden yararlanarak aşağıda gösterilmiştir. Mineral adı Aşındırıcı mineral içeriği %1 Rosimal katsayı %(2) * EQC % (1x2) Kuvars Feldspat Pıroksen Kilve opak Mika Toplam 26.3 Not: Ondalıklı olarak yazılacaktır. Kaynak: Bulut 2017 den alıntılayan Yaralı vd.,

43 Devamıdır Plinninger, 2010, geniş laboratuvar araştırmalarına dayandırılan kaya aşınma indeksi önermiştir: RAI = EQC σ lab,b 100 = σ n i=1 mi R i σ lab,b (boyutsuz) 100 RAI= Kaya aşınma indeksi, EQC= Eşdeğer kuvars içeriği, % σ lab,b =Laboratuvar tek eksenli basınç dayanımı, MPa, m i = İnce kesitlerde belirlenmiş aşındırıcı mineral yüzdesi, R i = Aşındırıcı Rosiwal sertlik ölçeğinde değerleri, n= Aşındırıcı özellikte olan minerallerin sayısı. RAI esasında yapılan sınıflandırmaya göre kayaların aşındırıcılığı şöyle tanımlanmıştır: RAI Sınıflandırma < 10 Aşındırıcı değil Hafifce aşındırıcı Aşındırıcı Çok aşındırıcı > 120 Aşırı ölçüde aşındırıcı Kaynak: Plinninger, RAI büyüklüğünden Cerchar aşınma indeksi (CAI) CAI= 0.9 (RAI) ampirik bağıntısından kestirilebilir. (Schumacher, 2004 den alıntılıyan Plinninger, 2010). Söz konusu eğrinin değişimi aşağıdaki şekilde görülmektedir. Şekilden izlendiği üzere artan RAI büyüklüğü ile CAI da artmaktadır. En yüksek aşındırıcı kayaçlar, diğer deyişle CAI da artmaktadır. En yüksek aşındırıcı kayaçlar, diğer deyişle CAI değerleri büyük olan (4-6) kayaçlar magmatik ve metamorfik kayalar olmaktadır. Tortul kökenli kayaçların CAI aralığı (1-3.5) arasında yer alır. 43

44 Devamıdır Şekil: Cerchar aşınma indeksi= f (Kaya aşınma indeksi, kayaçtürü) abağı (RAI= Kaya aşınma indeksi, CAI= Cerchar aşınma indeksi) Kaynak: Plinninger, Örnek: o Kayaç türü: silttaşı, σ lab,b = 56MPa o Eşdeğer kuvars içeriği: EQC=%36.3 o Kaya aşınma indeksi: RAI = EQC σ lab,b 100 = = 20.3 o Cerchar Aşınma İndeksi: CAI = 0.9 RAI = = 2.45 Moradizadeh vd 2016 çalışmasında incelenen kayaç türleri (magmatik/metamorfik ve tortul) için CAI büyüklüğü doğrudan doğruya eşdeğer kuvars içeriği (EQC) den hesaplanmaktadır: CAI = EQC CAI = = 2.65 (5%<EQC<85%) Görüldüğü üzere farklı yaklaşımlara ait sonuçlar arasında kabul edilebilir düzeyde bir uyum mevcuttur. 44

45 EK 1 NATM Tünelcilik Yönteminin Arkasındaki Yanlış Kavramlar 45

46 EK 2 Avusturya Standartlarına Göre ÖNORM 2203 e göre kaya sınıflandırma sistemlerinin karşılaştırılması ve kaya sınıfları 46

47 EK 3 Hidrolik Kırıcıların Performans Tahmini ve Seçim Kriterleri 47