İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KÜÇÜKSU TÜNELLERİNDE KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNESİNİN PERFORMANS TAHMİNİNİN ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KÜÇÜKSU TÜNELLERİNDE KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNESİNİN PERFORMANS TAHMİNİNİN ARAŞTIRILMASI YÜKSEK LİSANS TEZİ Müh. Deniz TUMAÇ Anabilim Dalı : MADEN MÜHENDİSLİĞİ Programı : MADEN MEKANİZASYONU VE TEKNOLOJİSİ OCAK 2004

2 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KÜÇÜKSU TÜNELLERİNDE KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNESİNİN PERFORMANS TAHMİNİNİN ARAŞTIRILMASI YÜKSEK LİSANS TEZİ Müh. Deniz TUMAÇ ( ) Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 22 Aralık 2003 Tezin Savunulduğu Tarih : 12 Ocak 2004 Tez Danışmanı : Diğer Jüri Üyeleri Prof.Dr. Nuh BİLGİN Prof.Dr. Ali KAHRİMAN Yrd. Doç Dr. Hanifi ÇOPUR OCAK 2004

3 ÖNSÖZ İş kalitesinin ve güvenliğinin giderek önem kazandığı globalleşen dünyada madencilik ve inşaat sektörlerinde de bu ivmenin hızla yakalandığı görülmektedir. Ekonomik ve güvenli çalışmanın yanısıra çevreyle olan etkileşimde bu sektörleri teknolojik açıdan büyümeye itmektedir. Şehirleşmenin daha muntazam gelişmesini sağlayabilmek için altyapı ve yeraltı ulaşım ağlarının inşasının zorunlu hale geldiği bilinen bir gerçektir. Özellikle metropol olmuş kentlerde yeraltı kazı işlemlerinin gelişen teknoloji ile mekanize hale geldiği görülmektedir. Bu çalışmada İstanbul Boğazı nda bulunan Küçüksu deniz deşarjı projesi dahilinde kullanılan kollu galeri açma makinesinin performansı incelenmiştir. Yerinde yapılan performans analizleri ile teorik olarak hesaplanan makine performansının karşılaştırılması yapılmıştır. Maden Mühendisi olarak yetişmemde emekleri olan bütün hocalarıma, yüksek lisans tez danışmanlığımı üstlenen sayın hocam Prof. Dr. Nuh BİLGİN e, Yrd. Doç. Dr. Hanifi ÇOPUR a ve Dr. Vecihi GÜRKAN a teşekkür ederim. Şantiyede gerekli çalışmaları yapmama olanak sağlayan Yük. Mak. Müh. Mustafa AKGÜL e, şantiye şefi İnş. Müh. İsa NURCAN a ve Proje Müdürü Ali Rıza KARAKAŞ a teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışmalarım sırasında yardımlarını esirgemeyen Arş. Gör. Cenk FERİDUNOĞLU ve Arş. Gör. Dr. Hakan TUNÇDEMİR e teşekkür ederim. Eğitim ve öğretim hayatımda beni her konuda destekleyen ve bugünlere getiren aileme en içten teşekkürlerimi sunarım. Aralık 2003 Deniz TUMAÇ ii

4 İÇİNDEKİLER KISALTMALAR TABLO LİSTESİ ŞEKİL LİSTESİ SEMBOL LİSTESİ ÖZET SUMMARY vi vii viii x xi xii 1. GİRİŞ 1 2. MEKANİZE KAZI YÖNTEMLERİ Kollu Galeri Açma Makineleri Kollu galeri açma makinelerinin çalışma prensipleri Kollu galeri açma makinelerinin sınıflandırması Makine ağırlığına göre sınıflandırma Kesici kafa tipine göre sınıflandırma Kollu galeri açma makinelerinde kullanılan keskiler Kollu makinelerde kazı performansını etkileyen faktörler Tam Cepheli Tünel Açma Makineleri Darbeli Kırıcılar Mikro Tünel Açma Makineleri Sürekli Yüzey ve Yeraltı Kazıcıları Sürekli yüzey kazıcıları Sürekli yeraltı kazıcıları Arazi Basıncını Dengeleme Esasına Göre Çalışan Makineler PERFORMANS VE KESKİ SARFİYATI TAHMİN YÖNTEMLERİ Performans Tahmin Yöntemleri Tam boyutlu doğrusal kazı seti ile performans tahmin yöntemi Küçük boyutlu kazı seti ile performans tahmin yöntemi Ampirik yaklaşımlar Bilgin yöntemi Çopur ve arkadaşlarının yöntemi Yarı ampirik yaklaşımlar Gerçek bir makine ile yerinde (in-situ) kazı yöntemi 24 iii

5 3.2. Keski Sarfiyatı Tahmin Modelleri Cerchar aşınma deneyi Schimazek aşınma indeksi Çopur modeli PROJENİN TANITIMI Küçüksu Atıksu Tünel Projesi Proje Kapsamındaki İşler JEOLOJİ Genel Jeoloji Bölgesel Ölçekte Yapısal Jeoloji İnceleme Alanının Jeolojisi Küçüksu Tünelinde Yapılan Ölçümler Jeofizik Ölçümler Sondajlar Küçüksu Bölgesinde Bulunan Kayaç Birimlerinin Jeomekanik Özellikleri PROJE ORGANİZASYONU KÜÇÜKSU TÜNELİNDE KULLANILAN KOLLU TÜNEL AÇMA MAKİNESİNİN ÖZELLİKLERİ Genel Özellikleri Teknik Özellikleri KÜÇÜKSU TÜNELİNDE YAPILAN İŞLERİN İNCELENMESİ Kesici Bum ile Kazı Rayların Döşenmesi Pasa Nakliyatı Roadheader ın İlerletilmesi Roadheader ın Yönlendirilmesi Havalandırma Sistemi Tünel Destekleme Sistemi Birincil kaplama Çimento enjeksiyonu İkincil kaplama ARAZİ VE LABORATUAR ÇALIŞMALARI Arazi Çalışmaları Laboratuar Çalışmaları Ölçülen Net İlerleme Hızlarının Performans Tahmin Yöntemleriyle Karşılaştırılması Kollu Makinenin Ortalama İlerleme Performansı Roadheader Çalışmasında Oluşan Arızaların Analizi DAHA ÖNCEKİ KAYNAKLARDAN OLUŞTURULAN BİR VERİ TABANININ PERFORMANS MODELİ İÇİN KULLANILMASI 66 iv

6 11. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 72 KAYNAKLAR 74 EKLER 76 ÖZGEÇMİŞ v

7 KISALTMALAR KGAM TBM EPBM RQD RMCI ICR IBR UCS W P BCR RCI CHD TCR SCR : Kollu Galeri Açma Makinesi : Tam Cepheli Tünel Açma Makinesi : Arazi Basıncını Dengeleme Esasıyla Çalışan Tam Cepheli Makine : Kayaç Kalite İndeksi : Kayaç Kütlesi Kazılabilirlik İndeksi : Net Kazı Hızı : Net Kırılma Hızı : Tek Eksenli Basınç Dayanımı : Makine Ağırlığı : Makine Kesici Kafa Motor Gücü : Keski Tüketim Oranı : Kollu Makine Keski Tüketim Oranı : Kesici Kafa Çapı : Toplam Karot Yüzdesi : Rijit Alınan Kayaçların Karot Yüzdesi vi

8 TABLO LİSTESİ Sayfa No Tablo 2.1. Kollu galeri makinelerinin ağırlıklarına göre sınıflandırılması... 5 Tablo 2.2. Kesici kafa yapılarına göre kollu makinelerin sınıflandırılması... 7 Tablo 2.3. Kgam ile sürekli yüzey kazıcıların karşılaştırılması Tablo 3.1. Cerchar aşınma indeksine göre kayaç aşındırıcılıkları Tablo 5.1. Küçüksu çevresinde ve tünel güzergahında açılan sondaj kuyuları, numaraları, yeri, derinliği, kotu ve koordinatları Tablo 5.2. S 12 sondajında derinliğe göre TCR, SCR ve RQD değerleri Tablo 5.3. S 13 sondajında derinliğe göre TCR, SCR ve RQD değerleri Tablo 7.1. Makinenin teknik özellikleri Tablo 9.1. Performans analizinin belirlenmesi için değişik ringlerde tutulan zaman etütleri Tablo 9.2. Her ring kazısı için yapılan ölçümlerin sonuçları Tablo 9.3. İnce kesit analizi ile kayaçların petrografik özelliklerinin tayini Tablo 9.4. Performans tahmin modelinde kullanılan veriler Tablo 9.5. Su geliri 4lt/dak olan ringlerdeki net ilerlemeler Tablo 9.6. Hesaplanan ve ölçülen net kazı hızları Tablo 9.7. Kollu makinenin en iyi, en kötü ve ortalama ilerlemeleri Tablo 9.8. Aylık toplam ve ortalama ilerlemeler Tablo 9.9. Kollu galeri açma makinesinden kaynaklanan arızalar Tablo Kollu galeri açma makinesinden kaynaklanmayan arızalar Tablo Küçüksu tünelindeki kesici uç sarfiyatı Tablo Küçüksu tünelinde karşılaşılan mekanik ve elektrik arızalar vii

9 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 2.1 : Spesifik enerji parça boyu arasındaki ilişki... 2 Şekil 2.2 : Tünel uzunluğuna bağlı olarak kazı maliyetinin değişimi... 3 Şekil 2.3 : Kollu makine ve üniteleri... 4 Şekil 2.4 : Kesici kafa gücü ile makine ağırlığı arasındaki ilişki... 6 Şekil 2.5 : Arına dik ve arına paralel hareket eden kesici kafalı kollu galeri açma makineleri... 6 Şekil 2.6 : Dosco marka kollu galeri açma makinesi... 7 Şekil 2.7 : Kollu makine uygulamasında kazı performansını etkileyen parametreler... 9 Şekil 2.8 :Herrenknecht marka tam cepheli tünel açma makinesi Şekil 2.9 :Tam cepheli tünel açma makinesi ve yedekleme sistemleri Şekil 2.10 : ITC-420 model darbeli kırıcı Şekil 2.11 : Mikro tünel açma makinesi kazı sisteminin şematik görünümü Şekil 2.12 : Sürekli yüzey kazıcının ana parçaları Şekil 2.13 : Tamrock marka sürekli yeraltı kazıcısı Şekil 2.14 : Arazi basıncı dengeleme şilti kesit görünümü ve elemanları Şekil 3.1 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti Şekil 3.2 : Küçük boyutlu kazı seti Şekil 3.3 : Cerchar deney seti Şekil 4.1 : Küçüksu atıksu tüneli güzergah haritası Şekil 4.2 : Kazı sisteminin şematik olarak gösterimi Şekil 5.1 : Bölgenin genelleştirilmiş stratigrafik kesiti Şekil 6.1 : Proje organizasyon şeması Şekil 7.1 : Roadheader ın boyuna kesiti Şekil 8.1 : Kesici bumun görünümü Şekil 8.2 : Yönlendirme düzeneğinin tünel eksenine yerleştirilmesi Şekil 8.3 : Segment atölyesi ve titreşimli segment kalıpları Şekil 8.4 : Montaja hazır haldeki segmentler Şekil 8.5 : Segment montajı ve ikincil kaplamanın enine kesiti Şekil 8.6 : Çimento enjeksiyon pompası Şekil 9.1 : Performans analizi Şekil 9.2 : Numunelerin optik mikroskop altındaki görüntüsü Şekil 9.3 : Basınç dayanımı ile net kazı hızı arasındaki ilişki Şekil 9.4 : Ölçülen ile hesaplanan net kazı hızları arasındaki ilişki Şekil 9.5 : Tünel metrajına göre günlük ilerlemeler Şekil 9.6 : Aylık ilerleme grafiği Şekil 9.7 : Aşınma tiplerine göre gruplandırılan keskilerin yüzdelik dağılımı Şekil 9.8 : Aşınma tiplerine göre gruplandırılan kesici uçlar Şekil 9.9 : Zara gördüğü için kaynaklanmak suretiyle tamir edilen bumun görüntüsü viii

10 Şekil 9.10 : Tamamen kopan bum şaftı Şekil 10.1 : Çeşitli yayınlardan alınan net ilerleme hızı ile basınç dayanımı arasındaki bağıntılar Şekil 10.2 : Değişik araştırmacılar ait verilerle, oluşturulan yeni modelden elde edilen değerlerin karşılaştırılması Şekil 10.3 : Küçüksu tünelinden alınan veriler ile araştırmacıların verilerinden elde edilen model arasındaki ilişki Şekil 10.4 : Bilgin modeli ile araştırmacıların sonuçlarından elde edilen model arasındaki ilişki ix

11 SEMBOL LİSTESİ σ c σ t k SE MPa kw MJ n t h Q tz : Kayaç basınç dayanımı : Kayacın çekme dayanımı : Enerjinin kayaca iletilme katsayısı : Spesifik enerji : Mega Pascal : Kilowatt : Mega Jolule : Porozite oranı : Ton : Saat : Kuvars yüzdesi x

12 ÖZET Önemli kazı makinelerinden olan kollu galeri açma makineleri tünel ve galeri açılmasında hızlı ve verimlidirler. Fakat bu tip makinelerin kullanılabilirlikleri jeoloji ve kaya formasyonlarının özellikleri ile sınırlanmaktadır. Kollu galeri açma makinelerinin seçim kriterleri tünel açma işlemleri için hayati önem taşımaktadır. Eğer kaya formasyonu için uygun kollu makine seçilmezse, günlük ilerleme miktarı dramatik olarak düşer ve tüm tünelcilik faaliyetlerini etkiler. Yaşanılan bu tip kötü tecrübeler bir çok araştırmacıyı kollu galeri açma makinelerinin performansını incelemeye yöneltmiştir. Bu çalışmanın amacı yerinde kollu galeri açma makinesinin performans analizini incelemektir. Çalışmalar İSKİ tarafından yaptırılan Küçüksu Atıksu Tünellerinde gerçekleştirilmiştir. Küçüksu atıksu tüneli İstanbul un Anadolu yakasında Küçüksu ile Hekimbaşı arasında yeralmaktadır. Proje tanıtıldıktan sonra, proje organizasyonu üzerinde durulmuştur. Proje çalışmasında ilk olarak kayaç formasyonun geoteknik özellikleri ve kaya kütlesinin özellikleri yerinde belirlenmiştir. Arazi çalışmasında kollu makinenin performansı yerinde yapılan ölçümlerle belirlenmiştir. Arazi çalışmaları tünel ekseninin Büyükada formasyonundan geçtiğini ve bu formasyonda kireçtaşı, silttaşı,kumtaşı ve andezit daykları bulunduğunu göstermiştir. Aynada yapılan çalışmalarda RQD nin %30-%100 arasında değiştiği saptanmıştır. Tünel aynasından alınan numunelerin basınç dayanımlarını bulmak için nokta-yük deneyi laboratuarda yapılmıştır. Kollu makinenin performansı yerinde tutulan net kazı hızı, makineden faydalanma oranı ve arızaların değerlendirilmesi ile incelenmiştir. Yerinde ölçülen bu parametreler ile formasyonun geoteknik özellikleri ilişkilendirilmiştir. Bu projede sonuç olarak sağlam kaya özellikleri günlük ilerlemelerle ilişkilendirilmiştir. Ayrıca bazı araştırmacıların yayınlarından elde edilen veriler analiz edilerek bir net ilerleme modeli oluşturulmuştur. Küçüksu tünelinden elde edilen veriler bu model ile irdelenmiştir. xi

13 SUMMARY Roadheaders are one of the main cutting machines for rapid and efficient tunnel and roadway drivages. On the other hand, the applications of these machines are limited to the geology and geotechnical properties of rock formations. The selection criteria of roadheaders is vital for tunnelling activities. For example, if the selected roadheader is not proper for the rock formations, daily advance rates which effect the whole tunnelling facilities decrease dramatically. These facts lead many researchers to carry out scientific research programs in order to increase the performance of the rapid excavations systems. The main objective of this study is to investigate the performance of roadhear used for excavation of Küçüksu sewerage tunnel constructed by STFA for Istanbul Water and Sewerage Administration (ISKI). Küçüksu sewerage tunnel driven from Küçüksu to Hekimbaşı is located in Anatolian part of İstanbul. After giving the description of the project, the job organization of the project is outlined. In order to achieve the main objective of this study, firstly, the geomechanical properties of intact rock (UCS, petrography) and rock mass properties (RQD, water income) of the tunnel zones are found out, then, the in-situ performance of roadheader are recorded in order to find the relationship between the performance of the roadheader and geotechnical properties of rock. The tunnel route passes throughout Büyükada formation which consists of limestone, siltstone and andezite dykes. Rock quality designation (RQD), which effects the rock mass properties, changes from 30% to 100%. Point load tests are carried out on the rock samples taken from the tunnel zones in the laboratory and the uniaxial comprehensive strenght (UCS) of the rock samples are found by using point load index values. The general conclusion of this study may be summarized as; that intact (UCS) is well correlated with net cutting rate of the roadheader used in Küçüksu. The xii

14 measured cutting rates are also compared with cutting rate found with prevously proposed performance prediction models. xiii

15 1. GİRİŞ Gelişmekte olan ülkelerde, şehirleşmenin ve nüfus yoğunluğunun giderek arttığı ve buna bağlı olarakta alt yapı gereksiniminin son derece önem kazandığı bilinmektedir. Yeraltı yapılarının inşası çevreye en az rahatsızlık ve yerüstü yapıları ile topografyaya minimum derecede hasar verecek şekilde yapılmalıdır. Bütün bu gereksinimleri karşılamak için yeraltı yapılarının inşasında tünel açma makinelerinin kullanımı giderek artmaktadır. Küçüksu atıksu tüneli projesi de nüfusun yoğun olduğu İstanbul Boğazında bulunmaktadır. Atıksu tünelinin daha hızlı açılması ve maliyetlerin en az seviyede tutulması için bu projede kollu tünel açma makinesi kullanılmıştır. Bu tezde atıksu tünelinde kullanılan kollu tünel açma makinesinin performansı incelenmiş ve bazı araştırmacıların verileri incelenerek oluşturulan veri tabanından bir model oluşturulmaya çalışılmıştır. Değişen formasyonlarda kollu makinenin performansının nasıl değiştiği yerinde tespit edilmiş ve gelecekteki projelere yol göstermesi açısından yararlı bir çalışma gerçekleştirilmiştir. 1

16 2. MEKANİZE KAZI YÖNTEMLERİ Mekanize kazı kayaç ortamının makineler aracılığı ile kazılması işlemi olarak tanımlanabilir. Yeraltı madenciliğinde kazı işlemleri klasik kazı ve mekanize kazı olmak üzere ikiye ayrılır. Laboratuar ve arazi çalışmaları uzun zamandır süren fakat endüstriye geçirilememiş olan, termal parçalama, füzyon, buharlaştırma ve kimyasal parçalama gibi kazı yöntemleri de bulunmaktadır. Kazının ekonomikliğini kazı sonrası oluşan parça boyutu ve spesifik enerji doğrudan etkilemektedir. Ortalama parça boyutu ile spesifik enerji arasındaki ilişki Şekil 2.1 de görülmektedir Üç konili bit SPESİFİK ENERJİ HP-S/TON Geniş Delme Roadheader Mobile Miner.... TBM Delme Patlatma (inç) Ortalama Parça Boyutu Patlatma Deliği Kazıcı Makineler Patlayıcılar (cm) Şekil 2.1 SE-parça boyutu arasındaki ilişki[2] Patlayıcı madde ile kazı sonrasında oluşan parça boyutunun büyük olması yöntemi verimli olarak tarif etmektedir. Fakat ilerleme hızının sınırlı oluşu delme-patlatma yönteminin uygulanışını sınırlamaktadır. Mekanize kazı yönteminin delme patlatma yöntemine olan üstünlükleri şu şekilde özetlenebilir[1]. 2

17 Patlayıcı madde kullanılmadığı için iş ve işçi güvenliği daha fazladır ve iş kazası oranı daha azdır. Kazı esnasında arazi kontrolü sağlandığından, yeryüzü tasmanları daha azdır. Düz ve kalifiye işçi sayısı daha azdır. İstenilen kazı profilinin oluşturulması daha kolaydır. Pasa nakliyatı daha kolaydır. Havalandırma ihtiyacı daha azdır. Otomasyon uygulamaları ile kazı hızı arttırılabilir. Cevher kazılarında üretim miktarının artmasını sağlar. Mekanize kazı yönteminin bu avantajlarının yanında bir takım dezavantajları da bulunmaktadır. Bu dezavantajları da şu şekilde sıralanabilir [1]. İlk yatırım maliyetleri yüksektir. Yeraltında kullanılan makinelerin montaj ve demontaj süreleri uzundur. Tecrübeli eleman gereksinimi vardır. Özel dizayn edilmiş makine için gerekli ekipman temini uzun süre alabilir. Bütün bu faktörler göz önünde tutulduğunda, uzun boylu tünel ve galeri uygulamalarında tam cepheli yada kısmi cepheli galeri açma makinelerinin kullanılmasının, maliyetler açısından daha uygun olduğu belirlenmiştir. Tünel uzunluğuna bağlı olarak oluşan birim maliyetler Şekil 2.2 de verilmiştir. Şekil 2.2 Tünel uzunluğuna bağlı olarak kazı maliyetinin değişimi [3] Tünel ve galeri açma için kullanılan makineler çeşitli kriterlere göre sınıflandırılırlar. En çok karşılaşılan sınıflandırma şekli ise kazı arınına göre sınıflandırmadır. Galeri ve tünel açma makinelerinin kazı arınına göre sınıflandırılması ikiye ayrılır. 3

18 Kısmi kesitli kazı makineleri (Kollu galeri açma makineleri) Tam kesitli kazı makineleri (Tam cepheli tünel açma makineleri) 2.1 Kollu Galeri Açma Makineleri Kollu galeri açma makinelerinin mekanize kazı uygulamalarında önemli bir yeri bulunmaktadır. Genellikle yumuşak ve orta-sert olan kayaçların kazısı için kullanılan bu makineler madencilik sektöründe üretim amaçlı, tünelcilik sektöründe kazı amaçlı olarak kullanılır. Bu makinelerle aynanın tamamında aynı anda kazı yapılamadığından bu makineler kısmi cepheli makineler olarak adlandırılırlar. Kollu galeri açma makinelerinin kayaç kazabilirlikleri başlıca iki parametre göz önüne alınarak açıklanabilir. Bunlar jeolojik süreksizlikler ve basınç dayanımıdır. Bu makineler formasyonun RQD değerinin %50 den büyük olması durumunda basınç dayanımları 70 Mpa altında olan kayaçlarda, RQD değerinin %50 den küçük olması durumunda ise basınç dayanımları Mpa olan kayaçlarda başarı ile uygulanabilmektedir. Kazılabilirliği güç olan kayaçlarda, daha güçlü ve ağır kollu makineler kullanılır. Bir kollu makine; bum ünitesi, yürüyüş ünitesi, malzeme yükleme ünitesi, malzeme aktarma ünitesi, hidrolik ve elektrik olmak üzere beş genel bölümden oluşmaktadır. Şekil 2.3 de Kollu makine ve üniteleri görülmektedir. Şekil 2.3 Kollu makine ve üniteleri [4] Kollu makinelerde genellikle formasyon özelliklerine bağlı olarak ek donanımlara ihtiyaç duyulur. Bunlar kesme kafasında tozu bastırmak ve keskilerde sürtünmeden kaynaklanan ısınmaları önlemek amacıyla kullanılan su püskürtme düzenekleri, 4

19 kırıklı çatlaklı formasyonlarda kullanılan şiltler veya tavan saplama tertibatları olarak açıklanabilir Kollu galeri açma makinelerinin çalışma prensipleri Kollu makinelerin çalışma prensibi, dalma ve kesme olmak üzere iki gruba ayrılır. Kesme periyodunun en zor işi olarak adlandırılan dalma işlemi, kesici kafanın aynaya dayanması ve dönmeye başlaması ile başlar. Kazı yüzeyi masif değil ve süreksizlik içermiyorsa kesici kafaya etki eden kuvvetler yüksektir. Kesme işlemi ise kazı yüzeyinde oluşan derinliğin tüm kazı yüzeyi boyunca genişletilmesidir. Kesme işleminde harcanan enerji, dalma işleminde harcanan enerjiden daha azdır. Bunun nedeni dalma işlemi ile aynada serbest bir yüzeyin oluşmuş olmasıdır Kollu galeri açma makinelerinin sınıflandırması Kollu makineler kesici kafa tipine ve makine ağırlığına göre iki ana grupta sınıflandırılırlar. Bu iki ana grupta kendi içinde yapısal sınıflara ayrılır Makine ağırlığına göre sınıflandırma Kollu makinelerin sınıflandırmasında en çok kullanılan sistem, makine ağırlığına göre sınıflandırma sistemidir. Üretici firmalar tarafından makine ağırlığına göre yapılmış en bilinen sınıflandırma Tablo 2.1 de sunulmuştur. Tablo 2.1 Kollu galeri açma makinelerinin ağırlıklarına göre sınıflandırılması [5] Sınıf Ağırlık (ton) 0 20 Hafif I II Orta III IV 75+ Ağır Sert kayaçları kesebilmek için kollu makinelerin ağırlıkları artırılmış, buna bağlı olarakta kesici kafa güçleri 500 kw a kadar çıkarılmıştır. Böylece kazı sırasında oluşan ve makinenin aşınmasına sebep olan titreşimler en aza indirilmiştir. Kırk altı değişik tip kollu galeri açma makinesinin teknik özellikleri incelenerek, kurulu güçağırlık arasındaki oran 3.29±0.91 (kw/ton) olarak bulunmuştur [5]. Bu ilişkiyi gösteren grafik Şekil 2.4 te görülmektedir. 5

20 Şekil 2.4 Kesici kafa gücü ile makine ağırlığı arasındaki ilişki [5] Kesici kafa tipine göre sınıflandırma Kollu makineler, dönme ekseni bum eksenine paralel olan kesici kafalı kollu makineler (aksiyel) ve dönme ekseni bum eksenine dik olan kesici kafalı kollu makineler (travers) olmak üzere iki gruba ayrılır. Bu tipteki kollu galeri açma makineleri Şekil 2.5 de görülmektedir. Görüldüğü gibi arına dik tip kollu makinelerde bum ucunda 1 adet kesici kafa, arına paralel tip kollu makinelerde ise 2 adet kesici kafa bulunmaktadır. Şekil 2.5 Arına paralel ve arına dik hareket eden kesici kafalı KGAM [4] Şekil 2.6 da ise Dosco marka kollu galeri açma makinesinin genel görünümü verilmiş. Bu makineler tek bumlu olanlarına kıyasla performansları ve yapıları göz önüne alındığında daha kullanışlıdırlar. 6

21 Şekil 2.6 Dosco marka kollu galeri açma makinesi Arına paralel kesici kafalı makinelerle 130 MPa a kadar basınç dayanımına sahip kayaçlar kazılabilirken, arına dik kesici kafalı makinelerle daha yumuşak kayaçlar kazılabilir ve daha düzgün tünel yüzeyleri ortaya çıkarılabilmektedir. İki tip kollu makine arasında genel bir mukayese yapılacak olursa arına paralel kesici kafalı kollu makineler % 30 oranında daha verimli kazı yapabilirler ve ağırlık bakımından arına dik kesici kafalı kollu makinelere kıyasla % oranında daha ağırdırlar. Arına dik ve arına paralel kesici kafalı kollu galeri açma makinelerinin bum tiplerine ve kesici kafa yapılarına göre sınıflandırılması Tablo 2.2 de verilmiştir. Tablo 2.2 Kesici kafa yapılarına göre kollu makinelerin sınıflandırılması [6] Arına Dik Kesici Kafa Arına Paralel Kesici Kafa ( σ c < 60 Mpa, aşındırıcı ( σ c < 120 Mpa, az aşındırıcı olmayan kayaçlar için) kayaçlar için) Tekil bumlu KGAM Teleskopik -Teleskopik bum Eklemli bum -Değiştirilebilir bum Değiştirilebilir bumlu KGAM İkiz bum Tilting bum Şiltli KGAM Kollu galeri açma makinelerinde kullanılan keskiler Mekanize kazıda kullanılacak olan kesici ucun seçimindeki en önemli parametre kayacın yapısal özelliğidir. Seçilen en uygun keski ile maksimum kazı verimine ulaşılacaktır. Kollu galeri açma makinelerinde kullanılan keskiler genellikle kama 7

22 uçlu keskilerdir. Kama uçlu keskiler; radyal, ileri atımlı ve kalem uçlu keskiler olmak üzere üç gruba ayrılırlar. Kömür de ve yumuşak kayaçlarda radyal keskiler, kömür de ve orta sert kayaçlarda ileri atımlı keskiler, orta sertlikteki ve aşındırıcı kayaçlarda kalem uçlu keskiler kullanılmaktadır. Keskilerin aşınması ve buna bağlı olarak değiştirilmeleri için geçen süre makinenin kazı performansını doğrudan etkilemektedir. Uygun formasyon için seçilecek en uygun keski tipi ile kazı performansını yükseltmek, proje aşamasında alınacak karalarla mümkün olmaktadır. Kayacın içerisindeki aşındırıcı mineral içeriği, kayacın dayanımı, kazı süresi ve kesici ucun kalitesi, kesici ucun kazı sırasında yıpranmasına etki eden faktörlerdir. Kazılan kayacın fiziksel, mekanik ve mineralojik özellikleri aşınmayı önemli şekilde etkilemektedir. Bu özellikler şöyle sıralanabilir [7]: Kuvars ve diğer sert mineral içeriği Kuvars tanelerinin ortalama tane boyu Sert minerallerin tane şekilleri Tanelerin birbirleri ile bağlantı şekilleri ve dolgu Kayacın mukavemeti ( basınç ve çekme dayanımı) Kazı şartları ve işletmeye bağlı faktörler de kesici uçların aşınmasına etki eden diğer önemli parametrelerdir. Bu özellikler de şöyle sıralanabilir: Kesme hızı Kesme derinliği Kesme uzunluğu Operatörün başarısı Kesici kafadaki keski dizaynı Uçların soğutulması Bütün bu parametreler proje ve işletme aşamasında doğru şekilde incelendiğinde kazı sırasında minimum keski sarfiyatına ulaşılacaktır. Doğru seçilmeyen keskilerle yapılan kazılarda, keski sarfiyatlarının çok arttığı ve buna bağlı olarak da proje maliyetlerinin yükseldiği görülmektedir. 8

23 2.1.4 Kollu makinelerde kazı performansını etkileyen faktörler Belirli bir formasyonda maksimum kazı performansına ulaşabilmek ancak bu formasyon için gerekli olan en uygun makinenin seçimiyle gerçekleşebilir. Bunun için makinenin kazı performansını etkileyen parametrelerin bilinmesi gerekmektedir. Performansı etkileyen faktörler üç gruba ayrılır [8]. Makine ile ilgili faktörler, Şekil 2.7 Kayacın yapısı ile ilgili faktörler, Şekil 2.7 İşletme faktörleri, Şekil 2.7 Şekil 2.7 Kollu makine uygulamasında kazı performansını etkileyen parametreler [8] Kazı performansını etkileyen faktörlerden en önemlisi, kazı için doğru makinenin seçilmiş olmasıdır. Seçilmiş olan makinenin teknik özellikleri örneğin; kesici uç sayısı, kesici uç tipi, kesici kafa dizaynı, kesici kafanın dönme hızı, kesici kafa motor gücü, bum silindirinin itme kuvveti ve makinenin ağırlığı kazı performansını doğrudan etkileyen parametrelerdir. Performansı etkileyen diğer faktörler jeoteknik parametrelerdir. Bunlar; porozite ve kuvars miktarı gibi parametreleri içeren kayacın mineralojik özellikleri. Basınç dayanımı ve çekme dayanımı gibi parametreleri içeren kayacın kaya mekaniği özellikleri. Süreksizlik aralığı, yönlenme, hacimsel sıklık ve kesme dayanımı gibi kayaç kütlesi özellikleridir. Son olarak kazı performansını etkileyen en önemli faktörlerden biri de çalışma yöntemleridir. Çalışma 9

24 yöntemlerinde dikkat edilmesi gereken en önemli faktörler ise kazı yönteminin başarıyla uygulanması için kalifiye işçilerin seçilmesi, gerekli olan iş planlarının hazırlanması ve lojistik desteğin devamlılığıdır. 2.2 Tam Cepheli Tünel Açma Makineleri Tam cepheli tünel açma makineleri 2 ile 14 m. çaplarındaki ayna yüzeylerini, belirli kesme derinliğinde bir defa da kazabilen makinelerdir (Şekil 2.8). Bazı özel tipleri ise 3m. çapında açılmış pilot tünelleri 15m. çapına genişletebilmektedir. Tüm donanım uzunlukları 12-15m. kadardır. Çok kısa olan tam cepheli makinelerle 10-12m. yarıçapında dönemeçler dönülebilmekte, halihazırdaki tam cepheli makinelerle m. yarıçapında dönemeçler dönülebilmektedir. Şekil 2.8 Herrenknecht marka tam cepheli tünel açma makinesi Tam cepheli tünel açma makineleri kazı ve pasa nakliyatı yapabilen, tek birimde birleştirilmiş mekanik ve elektrik parçalar birliğidir. Bu makineler; tam hizalama, pasa nakliyatı, hayati hizmet sağlama sistemi (hava, su, enerji) ve tahkimat gibi alt yapı sistemlerini içine alan geniş kapsamlı mekanize kazı sisteminin bir parçasıdır. Yedekleme alt sistemi bileşenlerinin çoğu tam cepheli makinenin arkasında çekilmekte olan kızak yada platformlar üzerine kurulmuştur. Şekil 2.9 bir tam cepheli tünel açma makinesi ve yedekleme sistemlerini göstermektedir. 10

25 Şekil 2.9 Tam cepheli tünel açma makinesi ve yedekleme sistemleri (Herrenknecht) Tam cepheli tünel açma makineleri yapısal olarak kalkanlı ve kalkansız olabilirler. Kalkansız makineler stabil kaya ortamlarında kullanılmaktadır. Kalkanlı makineler ise kalkanların varlığı nedeniyle akıcı zeminde kazı yapabilme özelliğine sahiplerdir. Bu makinelerde kendi içlerinde farklı gruplara ayrılmaktadır. Bunların içinde en önemlilerinden birisi arazi basıncı destekleme esasına göre çalışan makinelerdir. Tam cepheli tünel açma makinelerinin çalışma yöntemi ise şu şekildedir. Tam cepheli makinelerin ucunda sertleşmiş çelikten yapılmış disk keskilerle donatılmış kesici kafa vardır. Yüksek randımanlı ve güçlü elektrik motorları kesici kafayı yavaşça döndürür. Delici kafanın en gerisinde, makinenin kesici kafasının tünel duvarına yüksek basınç uygulamasını sağlayan, hidrolik presler bulunur. Disk keskilerin yüksek basıncı altında kaya, cips adı verilen küçük parçalara ayrılır. Bu makineler kısa adımlarla ilerle; her delici darbesinden sonra bütün makine ileri çekilerek pozisyonu desteklenir ve tüm bu işler tekrar edilir. Kesici kafanın tam arkası, çalışanları korumak amacıyla kaya cıvatalar kullanılarak sağlamlaştırılır. Kayacın kalitesine bağlı olarak, buna ilaveten çelik bağlar veya diğer güvenlik önlemleri alınır. Robot kollarla püskürtme döşenir. Gunit olarak da bilinen bu malzeme kemerin içini kaplar ve tünel için çok gerekli olan koruyucu kalkanı oluşturur. 11

26 Tam cepheli tünel açma makinelerinin arka tarafına yerleştirilen konveyör ile kazılan malzeme taşınır. Malzeme buradan demiryolu ile tünelin girişine taşınarak tampon bir siloyla yükleme noktasına götürülür. Uygun jeolojik şartlar altında bu makineler günde 50 m. ilerleyebilir. Tam cepheli tünel açma makinelerinin bütün bu üstünlüklerinin yanında çeşitli olumsuzlukları bulunmaktadır. İlk yatırım maliyetleri çok yüksektir. Kazıya başlandıktan sonra makine üzerinde değişiklik yapılması hemen hemen mümkün olmamakta, aksi durumda maliyeti çok daha yüksek değere çıkmaktadır. 2.3 Darbeli Kırıcılar Yumuşak ve orta sert formasyonların kazısında başarı ile kullanılması, ilk yatırım maliyetlerinin düşük oluşu ve bakım onarım masraflarının daha az olması nedeni ile diğer kazı makinelerine kıyasla kendilerine geniş kullanım alanı bulmuşlardır. Bu avantajlar sayesinde darbeli kırıcılar inşaat ve madencilik sektörlerinde başarı ile kullanılmaktadır. İnşaat sektöründe kullanılan ITC-420 model bir darbeli kırıcı Şekil 2.10 da görülmektedir. Darbeli kırıcılar inşaat sektöründe galeri yada tünel açım işlerinde kullanılmaktadır bu tip kırıcılar genellikle basınç dayanımı 100 MPa ın altında olan kayaçlarda yani yumuşak yada orta sert kayaçların kazısında kullanılırlar. Madencilik sektöründe ise iri parçalı üretimin yapılmasında kullanılabilirler. Darbeli kırıcının kazı performansını arttırabilmek için kazı işlemi sırasında jeolojik süreksizlerden kazı yapılmalı ve kırıcı gaga aynaya dik şekilde tatbik edilmelidir. Bu kırıcıların performansları masif kayaçlarda düşük olmaktadır. Kazı sırasında ayna önünde oluşan pasanın uzaklaştırılması için geçen zaman nedeni ile kazı performansı olumsuz yönde etkilenmektedir. Darbeli kırıcının performansını artırabilmek için kırıcı ile boş darbe yapılmamalı, kırıcı çalışırken bum oynatılmamalı, kırıcı uç aynı noktaya 30 sn den fazla vurmamalı, tavsiye edilen yağlama süresine uyulmalı, vuruş adedinde düşme olursa veya basınç hortumları anormal derecede titremeye başlarsa kırıcı hemen durdurulmalı, kırıcı dik olarak ve bum ile bastırılarak kullanılmalıdır. 12

27 Şekil 2.10 ITC-420 model darbeli kırıcı 2.4 Mikro Tünel Açma Makineleri Mikro tünel açma makineleri yol, yapı ve benzeri yerlere zarar vermeden ve trafiği aksatmadan kazı yapma işlemine olanak sağlamaktadır. Bu tip makineler şehirlerde altyapı oluşturmak amacıyla boru ve kablo döşeme işlerinde başarı ile kullanılmaktadır. Mikro tünel açma makinelerinin yaygın olarak kullanılan tipleri, yapı olarak tam cepheli tünel açma makinelerine benzer. Tam cepheli makinelerden en önemli farkları ise boyutlarının daha küçük olması ve otomasyon ile yeryüzünden kontrol edilebilmeleridir. Ayrıca açılan boşluğun tahkimatı, kuyuda bulunan itme silindirleri ile itilen borular vasıtasıyla sağlanır. Mikro tünel açma makinelerinin çapları 3.5 m den küçüktür. En yaygın olarak kullanılan mikro tünel açma makinelerinin çalışma prensipleri ise arazi basıncını kazılan pasa ile dengeleme yada aynaya çamur karışımının verilmesi esaslarına dayanmaktadır. Şekil 2.11 de Mikro tünel açma makinesi kazı sisteminin şematik olarak görünümü verilmiştir. Şekil 2.11 Mikro tünel açma makinesi kazı sisteminin şematik görünümü 13

28 2.5 Sürekli Yüzey ve Yeraltı Kazıcıları Sürekli yüzey kazıcıları Sürekli yüzey kazıcıları açık işletme kazıları için geliştirilmiş makinelerdir. Selektif madencilik yapabilme özellikleri ile geniş kullanım alanı bulmuşlardır. Diğer bir üstün yönü ise farklı özelliklere sahip tabakaları istenilen kesme derinliğinde kesebilmeleridir. Kesme işlemi esnasında, yapısında bulunan bant sistemi sayesinde pasa nakliyesi kolaylıkla gerçekleştirilebilmektedir. Makinenin en önemli dezavantajı kazı sırasında oluşan tozdur. Sürekli yüzey kazıcılarında kullanılan keskiler tungsten karbür uca sahip konik keskilerdir [9]. Şekil 2.12 Makinenin ana parçalarını göstermektedir. Şekil 2.12 Sürekli yüzey kazıcının ana parçaları [9] Sürekli yeraltı kazıcıları Kaliteli üretimi amaçlayan yeraltı kömür madenciliğinde, toz ve gürültü problemlerini engelleyebilmek için geliştirilmiş mekanize kazı yapabilen makinelerdir. Özellikle kömür, fosfat ve potas cevherlerinin kazısında kullanılmaktadırlar. Sürekli yeraltı kazıcıları yapısal olarak kollu galeri açma makinelerine benzemektedir. Tablo 2.3 Kollu tünel açma makineleri ile sürekli kazıcıların karşılaştırmasını göstermektedir [6]. Şekil 2.13 Tamrock marka sürekli yeraltı kazıcısını göstermektedir. 14

29 Tablo 2.3 KGAM ile Sürekli yeraltı kazıcılarının karşılaştırması [6] Kollu Galeri Açma Makinesi İstenilen geometride kazı imkanı sağlar. Kesici kol ile her yönde kazı yapılabilir. Kesici kafada bir motor vardır. Keski gereksinimi daha azdır. Yumuşak zemine oturtulabilir. Stabilite sorunu daha azdır. Basınç dayanımı maksimum120 MPa olan kayaçların kazısında kullanılabilir. Sürekli Kazıcı Dikdörtgen kesitte kazı imkanı sağlar. Kesici kol ile yatayda ve düşeyde kazı yapılabilir. Kesici kafada iki motor vardır. Keski gereksinimi daha fazladır. Stabilite sorunundan, yumuşak zemine oturtulamaz. Basınç dayanımı maksimum 60 Mpa olan kayaçların kazısında kullanılabilir. Kesici kafa daha dardır. Kesici kafa daha geniştir. Madencilik ve tünelcilik endüstrisinde kullanılabilir. Sadece madencilik endüstrisinde kullanılabilir. Şekil 2.13 Tamrock marka sürekli yeraltı kazıcısı 2.6. Arazi Basıncını Kazılan Pasa İle Dengeleme Esasına Göre Çalışan Makineler Arazi basıncını dengeleme esasına göre çalışan EPB makineleri ilk olarak Japonya da li yıllarda görülmeye başlamıştır. Yapışkan olmayan ortamlarda ve yeraltı su seviyesi altında bulunan zeminlerde ilerlemeler sırasında stabilite kaybı 15

30 kaçınılmazdır. Genellikle bu gibi alanlarda ve kendini kısa süreli bile tutamayan kayaçların kazısında bu makineden faydalanılır. Temel çalışma prensibi su gelirini veya arazi akmasını kontrol etmek amacıyla ayna boşluğunun kapalı bir hacim haline getirilerek basınç altında tutulması, "bizzat arazi ve içindeki su basıncı etkisiyle, kesme kafası ve ayna boşluğunda doğal bir basıncın oluşmasına imkan verilmesi" diye tanımlanabilir. Bir başka deyişle amaç kazılan malzemenin kesici kafa haznesini doldurması ve tüm yüzeyi desteklemesidir. Bu destekleme basıncının tünel kalınlığındaki doğal arazi basıncını karşılayacak bir değerde ayarlanması gerekir. Bu makineler 10 bara (1 MPa) kadar ulaşan basınç altında çalışabilecek şekilde yapılabilirler. En iyi çalışma koşulları arazi nemlilik oranının % veya daha az olduğu durumlardır. EPB makinesi çok sert kayaçlardan (diskli) çok yumuşak olanlarına (kalem keskili) kadar, değişik kayaç ve zemin formasyonlarında kullanılmak üzere tasarımlandırılabilirler. Çalışmalarındaki basitlik ve uygulama alanlarının genişliğinden dolayı, giderek çamur makinelerinin (slurry machines) yerlerini almaktadırlar. Makineler çoğu defa çok amaçlı kullanılabilecek şekilde imal edilmektedirler. İstendiği anda tek veya çift şiltli olarak kullanılabilmektedirler. Keza arazinin durumuna bağlı olarak kapalı (basınç altında) veya açık (atmosfer basıncında) çalışabilecek duruma da kolayca getirilebilmektedirler. Böylece, derin bir deniz altında çalışan bir makine, basınçlı bir damar veya fay zonuna rastlamadığı sürece, çift şiltli, açık bir konumda çalışabilmektedir. Gerektiğinde de çok çabuk olarak kapanabilmekte ve gerçek bir EPB makinesi olarak çalışmaya başlamaktadır. Bir EPB makinesinde kazılan malzeme bir vida konveyör vasıtası ile kesici kafa haznesinden çıkarılır. Kazı bölgesindeki arazi basıncı azalmalarını ve bu yüzden oluşacak oturmaları engellemek için malzeme aktarımının kontrollü bir şekilde yapılması gereklidir. Bu yüzden vida konveyörün hızı malzeme çıkış hızını kontrol etmek için ayarlanabilir. İstenilen bir şekilde vida hızı ayarlaması bilgisayarlı bir monitörden izleme sistemiyle yapılabilir. Dengeli ve güvenli bir kazı yapabilmek için malzeme çıkış hızının makine ilerleme hızına eşit olması gerekir. Böylece zemin oturmalarına yol açabilecek fazla malzeme çıkışına izin verilmez. Eğer ortamda bulunan suyun basıncı atmosfer basıncının üzerine çok fazla çıkarsa bazı 16

31 basınç kilitleri gerekli olabilir. Basınç kilitleri vidanın bir yanından diğerine doğru bir patlamayı önlemek için gereklidir ve vidanın çıkış kapısında konumlandırılır. EPB makinelerinde diğer metotların aksine ikincil bir destekleme metodu kullanılmaz (sıkıştırılmış hava, süspansiyon). Akıcı formasyon döner kafadaki keskiler tarafından kazılır. İttirme kuvveti aynaya kazı haznesinin doldurulmasıyla meydana getirilen basınç duvarı yoluyla transfer edilir. Böylece kazı bölgesinde kontrolden çıkmış bir şekilde malzeme akışı engellenmiş olur. Kazı bölgesindeki formasyon uygulanan ittirme kuvveti nedeniyle daha fazla yük alamadığı anda denge sağlanılmış olacaktır. Formasyonu destekleme basıncı, sağlanan dengenin üzerine çıkarılırsa kazı bölgesindeki akıcı formasyon çok daha sağlam bir hale gelecektir. Eğer açılan tünel yeryüzüne yakınsa çok fazla uygulanan ittirme basıncı sebebiyle kabarmalar meydana gelebilir. Tünel boyunca taşıma, bant konveyörlerle, vagonlarla, damperli kamyonlarla ya da borular içerisine taşınmayı kolaylaştıran bir katkı maddesi ekledikten sonra katı taşıma pompaları yardımıyla yapılabilir. EPB çalışma prensiplerine bağlı olarak çeşitli isimler alır: Malzeme Hapsedici Şiltleri (Soil Confinement Shields), Su Basıncını Destekleme Şiltleri (Water Pressure Balance Shields), Yüksek Yoğunluktaki Çamur Şiltleri (High Density Slurry Shields) ve Çamur Şiltleri (Mud Shields). Eğer malzeme, destekleme basıncını sağlayabilecek durumda ve vida konveyörle taşınacak kıvamda değilse çeşitli kıvamlaştırıcı katkı maddeleri eklemek gerekebilir. Standart durumda, çeşitli katkı maddeleri kayaca ya kazı aynasında iken direkt olarak ya da kesici kafa haznesine alındıktan sonra enjekte edilir fakat verimlilik açısından en iyisi birinci seçenektir. Bu maddeler 3 amaç için malzemeye enjekte edilir: Malzemenin akışkanlığını artırarak kesici kafa ve vida konveyörden geçişini kolaylaştırmak, Kesici kafadaki herhangi bir boşluğu doldurmak ve stabiliteyi sağlamak, Kazılan kaya eğer geçirgense su fışkırmasını önleyen hemen hemen sızdırmaz bir engel oluşturmak. EPB makinesinin kazı anında çalışma aşamaları da şu şekilde gerçekleşmektedir: Şekil 2.14 te elemanları görülen bir EPB makinesinin öncelikle kesici kafanın döndürme motorları ile döndürülmesi ve kesici kafaya ittirme silindirleri ile araziyi 17

32 destekleyecek kadar ya da biraz daha fazla kuvvet verilmesiyle akıcı alüvyal zemin kazı haznesine dolmaya başlar. Kazı haznesi tamamen dolduktan sonra istenilen destekleme ortamı yaratılır ve kazılan malzeme vida konveyör yardımıyla normal basınçtaki bölgeye alınmaya başlanır. Burada vida konveyörün en önemli görevi aynada oluşturulan basıncın kademeli olarak düşürülmesi ve normal basınca indirilerek düzenli bir malzeme çıkışının sağlanmasıdır. Vida konveyörün çıkış kapısından bant konveyöre boşalan malzeme kuyruk bölümünde bekleyen vagonlara ulaşır ve buradan da kuyu ağzına gönderilir. Şekil 2.14 Arazi basıncı destekleme şilti kesit görünümü ve elemanları Eğer kazı sırasında istenilen miktarda malzeme geliri olmuyorsa yani malzeme yerine su geliyor veya zeminin fazlasıyla kuru olması nedeniyle vida konveyörden malzeme geçişi mümkün olmuyorsa, kazı aynasına doğru malzemeyi daha kaygan yapan ve böylece su geçişini engelleyen bir katkı maddesi enjekte edilmesi gerekebilir. Kazı ilerlerken şildin tam arkasına taşıyıcı raylarla getirilen beton segmentler erektörler yardımıyla yerleştirilirler. Bu arada segmentler ve zemin arasında kalan -şilt kalınlığı kadar olan- boşluklar ya da aşırı sökümler yüzünden oluşan boşluklar şilt üzerinden yapılan bentonit enjeksiyonlarıyla doldurularak kapatılırlar. Arazi basıncını dengeleme prensibine göre çalışan makinelerin kullanıldığı formasyonları ve bu formasyonların özellikleri ise şu şekilde tarif edilebilir. Bir EPB makinesi şimdiye kadar genellikle kil, silt, kum, çakıl, dolgu malzemesi ve bunların 18

33 birbirleri içerisindeki ardalanmalarının bulunduğu, zemin özelliği gösteren formasyonlarda kullanılmıştır. Bu formasyonlar bir EPB makinesinin kullanımı açısından şu özellikleri taşırlar: Kil: 0.002mm den daha küçük parçacıklarla başlayan ve 200mm civarındaki taş parçalarıyla sonlanan boyutlardaki malzeme olarak tanımlanabilir. Suyla doygun hale getirilmezse yapışkan bir malzemedir. Yumuşak killer sıkıştırma özelliği gösterir yani kazılan bir boşluğa doğru akma eğilimindedirler. Bazı killer su alarak hacimce şişer. Kilin yarattığı en önemli problem şişerek kesici kafanın keskilerin ve bant konveyörün kilitlenmesine sebep olmasıdır. Silt: Parça boyutu 0.002mm ile 0.060mm arasında değişir. Kil ve kum arasındaki zayıf ve geçirgen bir malzeme olarak tanımlanabilir. Yapışkan veya akıcı olabilir. Su geçirme özelliği vardır. Fakat küçük boyuttaki parçaların drenajı zordur. Suyu çabucak emmeye eğilimlidir ve su alarak doyduğunda var olan stabilitesini kaybetmeye başlar. Kum: Kum parçaları 0.60mm ile 2mm arasında değişir. Kum kuru olduğunda yapışkan olmayan bir malzemedir. Boyutuna, içeriğine ve şekline bağlı olarak 30 den daha büyük bir açıda yığın oluştuğunda serbest olarak kayabilir. Rutubetli olduğu zaman zayıf bir şekilde yapışkandır. Fakat suyla doyarsa serbestçe akar. Boyutuna bağlı olarak önemli derecede su geçirgenliğine sahiptir. Kumun bağımsız hareket etme özelliği tünelcilikteki problemlerin ana kaynağıdır. Ayrıca kum çok aşındırıcıdır. Kesici kafa yapısında hızlı bir aşınmaya sebep olur. Çakıl: Çakıl parçaları 2mm ile 60mm arasındadır. Tünel açmadaki zorlukları kuma benzer. Parçalar arasındaki boşluklar daha büyük olduğu için su geçirgenliği daha fazladır. Bu daha fazla su geliri demektir [10]. 19

34 3. PERFORMANS VE KESKİ SARFİYATI TAHMİN YÖNTEMLERİ 3.1 Performans Tahmin Yöntemleri Performans tahmin yöntemlerinin amacı; herhangi bir formasyonu kazmak için kullanılacak bir mekanik kazıcının ekonomikliğinin belirlenmesidir. Kazı performansı tahmininde değişik metotlar kullanılmaktadır. Bu metotlar; tam boyutlu doğrusal kazı seti, küçük boyutlu kazı seti, ampirik yaklaşımlar, yarı ampirik yaklaşımlar ve gerçek bir makine ile yerinde (in-situ) kazı yöntemi olarak gruplandırılabilir. Gerçeğe yakın sonuçlar elde edebilmek için birden fazla metodun uygulanması tavsiye edilmektedir Tam boyutlu doğrusal kazı seti ile performans tahmin yöntemi Bu performans tahmin yönteminin uygulanabilmesi için kaya ortamını temsil eden cm boyutlarında kayaç numunesinin kuyu (shaft) açılırken alınması esastır. Laboratuarda kayaç ortamını temsil eden bu blok numuneler üzerinde gerçek boyuttaki keskilerle farklı kesme derinliklerinde keskiler arası mesafeler değiştirilmekte, bu sayede bu değerler için normal kuvvetler, kesme kuvvetleri ve spesifik enerji değerleri bulunabilmektedir. Kesme deneyleri sonucunda açığa çıkan malzeme boyutlarından yararlanarak kazı sonrası oluşacak parça boyutları tahmin edilebilmektedir. Tam boyutlu testler, boyuttan ve bilinmeyen kayaç davranışlarından kaynaklanan belirsizlikleri en aza indirir. Ölçülen kuvvetler, mekanize kazıcı ve keski seçiminde, kesme geometrisinin belirlenmesinde, performans ve maliyet tayininde kullanılır. İlgili kayacı parçalamak için gerekli olan kesme, normal kuvvetler ve spesifik enerji değerleri farklı kesme derinliği ve keskiler arası mesafelerde belirlenir ve daha sonra aşağıdaki bağıntıda verilen eşitlikle (3.1) mekanik bir kazıcı için üretim hızı hesaplanabilir [11]. Net ilerleme hızı (ICR) = Kesicikafa gücü ( kw ) k SE opt 3 ( kwh / m ) (3.1) 20

35 Büyük boyutlu blok numune alma işleminin zor ve zahmetli olması tam boyutlu doğrusal kesme deneyinin uygulanabilirliğini azaltmaktadır. İstanbul Teknik Üniversitesi, Kazı teknolojisi laboratuarında performans tahminlerinin yapıldığı tam boyutlu doğrusal kazı seti Şekil 3.1 de görülmektedir. Şekil 3.1 Tam boyutlu doğrusal kazı seti Küçük boyutlu kazı seti performans tahmin yöntemi Bu tahmin yöntemi arazide ve laboratuarda bir çok kayaç üzerinde yapılan deneyler ve gözlemler sonucunda 1977 yılında I. Mc Feat Smith ve R. J. Fowell tarafından geliştirtmiştir. Performans tahmin yöntemleri arasında en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Küçük boyutlu kesme deneyleri 7,6 cm çapında karot numunesinin yada cm boyutlarında kayaç numunesinin bir planya makinesinde tablaya oturtulup ve uç açısı (-5 ), keski genişliği 12,5 mm, temizleme açısı (5 ), kesme derinliği 9 mm olan 21

36 bir kama uçlu keski ile kesilmesi esasına dayanır. Kesme, dikey ve yanal kuvvetler bir dinamometre kullanılarak kaydedilir ve ortalama kesme kuvvetlerinin birim mesafede kesilen pasa hacmine bölünmesiyle spesifik enerji MJ/m 3 veya kwh/m 3 olarak bulunur. İndeks değerler olarak sınıflandırılan test sonuçları daha önceden toplanmış olan arazi performans verilerine göre değerlendirilir [12]. McFeat Smith ve Fowell ın kollu galeri açma makinelerinde yaptığı çalışmalarda spesifik enerji değeri arttıkça kesme işleminin de zorlaştığını görmüşlerdir. Araştırmalarında spesifik enerji değerinin 10 MJ/ m 3 olduğu değere kadar kollu galeri açma makineleri yüksek kesme performansı göstermektedir [12]. Kazı teknolojisi laboratuarında performans tahmini için kullanılan küçük boyutlu kazı seti Şekil 3.2 de görülmektedir. Şekil 3.2 Küçük boyutlu kazı seti 22

37 3.1.3 Ampirik yaklaşımlar Ampirik tahmin modellerinin temeli araziden doğru, güvenilir ve kaliteli veriler alınmasına dayanmaktadır. Yapılan çalışmalardan elde edilen verilerin istatistiksel analizlerinin yorumlanması ile ampirik modeller oluşturulur. Ampirik yaklaşımlarda tahmin yöntemleri geliştirilirken makine parametreleri ve jeolojik parametreler üzerinde durulmuştur. Aşağıda ampirik yaklaşımların bazıları özetlenmiştir Bilgin yöntemi Beşiktaş, Baltalimanı, Eyüp ve Haliç tünellerinde toplanan istatistiksel verilere (tünel jeolojisi, kayaç kütle ve sağlam kayaç özellikleri, makine performansı) dayanılarak Bilgin ve arkadaşları tarafından geliştirilen tahmin modelinde kollu galeri açma makinelerinin net ilerleme hızlarının makinenin gücü, kayacın basınç dayanımı ve RQD ye bağlı olarak değiştiği anlaşılmış ve (3.2) eşitliği ile gösterilen kayaç kazılabilirlik indeksi önerilmiştir. Yaygın bir şekilde kullanılan bu yöntem ile arına dik ve arına paralel tipli kollu galeri açma makinelerinin anlık üretim hızlarının tahmin edilebileceği ortaya koyulmuştur [13-14]. 2 3 RQD = ) (3.2) 100 RMCI σ C ( Bu indeks kullanılarak bir kollu makine için net kazı hızı (m 3 /h) eşitlik (3.3) teki gibi hesaplanır. Burada P, beygir gücü olarak makine gücüdür. ICR=0.28 P (0.974) RMCI (3.3) İstanbul Metrosu nda yapılan kazılarda 33 kw lık bir güce sahip hidrolik kırıcı kullanıldığı sırada toplanan verilerden de bir hidrolik kırıcı performans tahmin yöntemi geliştirilmiştir. Buna göre net kazı hızı (m 3 /h); eşitlik (3.4) teki gibi hesaplanır. IBR=4.26 P (RMCI) (3.4) Burada, ICR; m 3 /h olarak anlık kazı hızı, IBR; m 3 /h olarak anlık kırılma hızı, P; beygir gücü olarak makine gücü, RMCI; kayaç kütlesi kazılabilirlik indeksi, UCS; MPa olarak basınç dayanımı, RQD; yüzde olarak kayaç kalite indeksidir. 23

38 Çopur ve arkadaşlarının yöntemi 50 den fazla kollu galeri açma makinesi kullanılan projelerde, 250 farklı kayaçta performans verileri değerlendirilmiş ve tahmin yöntemi geliştirilmiştir. Kazı sırasında makinenin net ilerleme hızı (3.5) deki denklemle bulunmaktadır [12] P W UCS ICR= e (3.5) Bu model arına paralel tip kesici kafalı kollu galeri açma makinelerinin evaporatik kayaç kazısı için geçerlidir. Ayrıca bu model kullanılarak, verilen bir evaporatik kayaç ve istenen bir üretim hızı için makine gücü ile ağırlığının seçimi yapılabilir Yarı ampirik yaklaşımlar Bu yaklaşımın temelinde bilgisayar modelleme yöntemleri kullanılmaktadır. Performans tahmini ve kesici kafa dizaynı mümkün olmaktadır. Bu metodun doğruluğu yapılan bir çok çalışma ile kanıtlanmıştır. Makine üreticileri, araştırma enstitüleri ve danışman firmalar tarafından kendi bilgisayar modelleri geliştirilmiştir Gerçek bir makine ile yerinde (in-situ) kazı yöntemi Bu performans tahmininin esası kullanılması düşünülen makinenin özelliklerine benzer bir makinenin kiralanarak bir madende test edilmesine dayanır. Bu yöntem en doğru sonucu vermesine rağmen çok pahalı ve zaman alıcıdır [11]. 3.2 Keski Sarfiyatı Tahmin Modelleri Maliyet analizi hesaplarında, proje kapsamında harcanacak olan keski miktarını tahmin edebilmek için keski tüketim tahmin modelleri geliştirilmiştir. Mekanize kazıda kazı hacmine bağlı olarak harcanacak keski miktarının önceden tahmin edilmesi bu yöntemler sayesinde mümkündür Cerchar aşınma deneyi 160 kg/mm 2 çekme dayanımı olan 90 tepe açılı konik bir uç 7 kg. bastırma kuvveti ile gayrı muntazam numune üzerinde 1 cm çekilmekte ve uçta oluşan aşınma yüzeyi kayaç numunesinin aşındırıcılığını vermektedir. 1/10 mm lik bir aşınma yüzeyi bir birim Cerchar aşınma indeksi olarak tarif edilmektedir. Tablo 3.1 kayaçların aşınma 24