Yeraltı Kazılarında Mekanizasyon

[ozguryolcu]

1. GİRİŞ

Son elli yılda dünya nüfusunun, beklenenden çok daha hızlı bir şekilde
artması.büyük şehirlerde yapılan yer alt kazılarım hızlandırmıştır.
Kanalizasyon şebekeleri, metro vs. için planlanan tünellerin emniyetli,
ekonomik ve hızlı açılabilmeleri ise mekanizasyonu gündeme getirmiş ve bu
konudaki çalışmalar artmıştır. Bugün artık 7-8 m çaplı bir tünelde, eğer
mekanize sistemler gereği gibi seçilmişse günde 30-40 m'lik ilerlemeler olağan
karşılanmaktadır. Bir çok durumda şehirleşmenin getirdiği problemlerin
çözümünde yer altı yapılarının hızlı kazısı ve bir an evvel devreye sokulmaları
esas alınmaktadır. Çok özel koşulların dışında, şehirlerin altında delme
patlatma kazı yöntemine müsaade edilmemesi roadheader veya tam cephe tünel
açma makinelerinin (TBM) kullanılmalarını ön plana çıkartmaktadır (Şekil
1,2,3). Bu tür kazı makinelerinin kazılacak formasyona uygun seçilmemden ise
kazı maliyetini beklenenin çok ötesinde artumjakta bazenda proje bitim
sürelerini kabul edilemeyecek sürelere çıkartmaktadır (1). Bu nedenle proje
fizibilite çalışmaları sırasında laboratuvarda yapılan tam boyut kazılabilirlik
deneyleri önemini gittikçe arttırmıştır. Roadheader11er Macaristan'da I950*de
ilk olarak kömür ocaklarında kullanılmalarından beri büyük teknolojik
gelişmelere uğramışlardır. Masif formasyonlarda üst kullanım sınırı 500 kg/cm2
iken bugün bu sınır 900 kg/cm"ye kadar çıkmıştır, kınkh ve çatlaklı
formasyonlarda ise 1500-1600 kg/cm2'ye kadar basınç dayanımına sahip kayaç
formasyon lan ekonomik olarak kazılabi I inektedir (2). Kesici kafanın, arma dik
veya paralel hareket etmesi kazı verimini önemli ölçüde etkiler (3). Tambur
şeklindeki kazıcı kafalar (arma dik hareket), spiral (arma paralel hareket)
şekilde tasarımlandırmış kesici kafalara nazaran sert formasyonlarda daha
verimli kazı yapabilmektedir (Şekil 4). Buna rağmen, Şekil 5 den de görüldüğü
gibi tambur tipi kesici kafaya sahip roadheaderlerde keski sarfiyatı daha fazla
olmaktadır. Roadheaderler sert formasyonlarda kesici kafaya gelen reaksiyon
kuvvetlerim dengelemek ve makine gövdesinin stabilitesini sağlamak üzere
güçlerine bağlı olarak daha ağır yapılmaktadırlar (4). Jeolojik süreksizliklerin
fazla olduğu durumlarda ise şildli makinelerin kullanılması kaçınılmaz
olmaktdadır. TBM lerin ilk uygulamaları ise roadheader'den sonra olmuştur.
Şekil 6'de görüldüğü gibi, 1970 lerden sonra teknolojik gelişmelerin bir sonucu
olarak TBM lerin performansları senelere bağlı olarak gittikçe artmıştır (5).
TBM 1er bugün en sert kayaçlarda bile başarı ile kullanılmaktadır. Basınç
dayanımı 2500 kg/cm2 olan bir granit formasyonunda, 7 m çapında bir makine
günde kolaylıkla 8-9 m'lık kazı hızlarına ulaşabilmektedir Makine arkasındaki



erektörler yardımı ile, prekast segmanlar kolaylıkla yerleştirilebilmekte ve
ikinci bir kaplama işine gerek kalmayabilmektedir. Mekanize sistemin en büyük
avantajlarmdan biri de, kazı, pasa nakliyesi ve tahkimat sistemlerinin bir
birlerinden bağımsız olarak sürekli yapılabilmesidir. Tektonik yönden aktif olan
jeolojik birimlerde çift şiltli makineler, makine sıkışmadan, kazının sürekli
olarak yapılabilmesini sağlamaktadır.
Killi, akıcı ve sulu zeminlerde arın basıncının, sulu veya basınçlı hava
ile dengeledikten sonra, kazırım yapıldığı şiltli makineler son 7-8 senede
teknolojik olarak büyük gelişim göstermişlerdir. Bu tür uygulamalarda yer üstü
taşınanları en az olmaktadır. Konu uzun ve karmaşık olduğu için burada sadece
değinilmekle yetinilecektir.

2. MEKANİZE KAZI SİSTEMLERİNİN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI

Mekanize kazı sistemlerinin, delme-patlatma yöntemine nazaran en
önemli avantaj larmdan biri, kayaç formasyon lartmn kırılıp çatlamaması ve aşın
sökülmenin en az olmasıdır (Şekil 7). Buna bağlı olarak tahkimat masraftan
önemli ölçüde azalmaktadır (6) Şekil 8 ve 9, İsviçre Teknoloji Enstitüsü
araştırmacı lan ndan Dr.H.Wanner'in bir araştırmasını özetlemektedir. Tünel
açılmadan önce arazi basınçtan, p karşı basınçla dengelenmekte, tünel açıldıkça
deformasyon zamana bağlı olarak artmaktadır (6). Şekil 7'de görüldüğü gibi iç
sürtünme açısı 35°, kohezyonu c= 1-2 kp/cm2. Elastisite modülü £'=(4-5)x]06
kp/cm2 olan bir kayaç formasyonunda 1000 m dennlikte açılan 4m çaplı bir
tünelde, kabul edilebilir deformasyon 40 mm ise, TBM. için yapılan kaplama
beton hesabında dizayn kriteri olarak 25 kp/m2'lık,T25 kp/m3Tık bir basınç
almak gerekmektedir. Bu da TBM uygulamalarında, kaplama masraflarının
klasik tünel açma yöntemlerine kıyasla ne kadar azalabileceğini
kanıtlamaktadır. Lugano yakınlannda aynı formasyonda açılan iki tünel buna
tipik örnektir TBM ile açılan tünelde her 100 m için 9 tavan cıvatası gerekirken
delme patlatma yöntemiyle açılan tünelde tavan civatası sayısı 100 m için 31'e
çıkmıştır, her 100 m ilerleme için ilk yöntemde 5 çelik iksa gerekirken diğer
yöntemde bu sayı 25 olmuştur (6). Bunra rağmen jeolojik süreksizliğin fazla
olduğu formasyonlarda, şiltsiz bir TBM'de Şekil 10'de görüldüğü gibi
olumsuzluklar y aş an ab ilmekte, sık sık göçük olayları olmakta ve. »riperler tünel
cidarlarına gömülerek ilerlemeyi aksatmaktadır.


Şekil G 7 m Çapında \vılan Tüllülerde Senelere Gore IBM lenn Performanslarının Gelişmesi (•)


Şekil 7 IBM \e Delme PaıUmn>einen ıUt Viuı Sckl1 s Dengc Bisinu (PI u Daorma^on (Sï
Tünellerdi El dienen Bolçtlcr £&J Vasin&iki ll^ki (' )


Şekil ') Denge Basıncı (P) ve Dde Tirgon (&| ArnMiulakı İlişki (<>)
Şekıl 10 >ılhızHır l BMde Jeolojik Surtk-azlıklcnn Flkhi (dl

Nuh BİLGİN H

[ozguryolcu]

Balta limanı tünelinde benzer bir durum ortaya çıkmış,makineden
yararlanma oranı %7 1ère kadar düşmüştür (7). Bu nedenle makinenin seçimi ve
tasarımında, jeolojik süreksizliklerin Önemi büyük olmaktadır. Şekil ll'de
görüldüğü gibi arazinin kendi kenidini tutma özelliği makine ilerleme hızına
bağlı olarak L mesafesi (LI+L2+L3) içersinde ise, şiltsiz makinelerin seçimi
uygun olabilmektedir. Kazı aynası (A) stabil değilse düz kesici kafalar daha
uygundur. B ve C bölgeleri göçükten etkilenebilecek uzaklıktaysalar, tektonik
hareketlere göre tek şiltli veya çift şiltli TBM 1er daha verimli sonuçlar
vermektedir. Birçok durumda D bölgesine kazı esnasında koyulan prekast
segmanlar, ikinci bir kaplamayı gerektirmeyebilmektedir.
TBM veya roadheader uygulamalarının diğer avantajları, hızlı kazı hızı,
zemin titreşimlerinin minimum olması, emniyet, sürekli pasa nakli ve tahkimat
sistemlerinin kullanılabilmesi ve havalandırma kolaylığıdır.
Mekanize sistemlerin en büyük dezavantajı ilk yatırımlarının yüksek
olması, makinelerin nakil ve montaj süreleridir. Bugün bir roadheader'in fiyatı
kullanılma durumuna güç ve ağırlığa bağlı olarak US$ 700.000 ile 2.000.000
arasında TBM'in fiyatı ise US$ 2.000.000 ile 8.000.000 arasında
değişmektedir.

3. ROADHEADER'LERİN SEÇİM KRİTERLERİ

Herhangi bir kazılabilirlık sınıflamasında, kayacın dayanım özellikleri
jeolojik süreksizleri içerin kütlesel özellikler ve keskilerle kayaç kütlesinde
aktarılabilecek güç göz Önüne alınmalıdır. Bugüne kadar birçok model üzerine
çalışılmış buna rağmen birkaçı uluslararası düzeyde kabul görmüştür.
Bunlardan önemli görülen 3 ayn yönteme aşağıda değinilecektir.

3.1. Pilot Kazı Setinde Yapılan Karot Kesme Deneyleri

1987'da Montreal'da toplanan, Uluslararası Kaya Mekaniği Cemiyeti
(ISRM) kazılabilirlık sınıflama komisyonu üyeleri, Newcastle Üniversitesi
Karot Kesme Deneyim standart deney olarak önermişlerdir (. Bu yöntem
uzun yıllar Iaboratuvar ve in-situ deney sonuçlarına dayanılarak geliştirilmiştÜ"
(9,10). Laboratuvarda, şekil 12'da görüldüğü gibi karotlar kesme deneylerine


Şekil11: TBM'de Jeolojik Süreksizliklerden Etkilenebilecek Bölge


Şekil 12, Laboratlivarda Yapılan Karat Kesme Deneyi (9. 10)


Şekil 13 Raadheadeı Kazı Hızı ite Lahoraîmaı Spesifik Sneıjı Değerı len Arasındaki İlişki (9,10)


tabi tutulmakta, keskilere gelen FC, ve FN kuvvetleri, buna ilaveten de birim
hacimdaki kayacı kesmek için gerekli enerji olarak tarif edilen spesifik enerji
(SEt MJ/m3) tespit edilebilmektedir. Böyle bir deney seti Î.T.Ü. Maden
Fakültesi, Maden Müh. Laboratuvannda mevcuttur. 90 kw kesme gücünün
altındaki makineler için uygulama sının 10 MJ/m3, 90 kw kesme gücünün
üzerindeki makinelerde ise uygulama sının 15 MJ/m3 alınmaktadır. Ayrıca
Şekil 13'den de görüldüğü gibı,spesifik enerjiye bağlı olarak orta ağır ve ağır
makinelerde kazı hızı hesap edilebilmektedir. Bu yöntem, kayaç kütlesi
Özelliklerini ve aynaya aktarılabilecek kesme gücünü tam yansıtmadığı için
eleştirilmektedir.

3.2. Laboratuvarda Yapılan Tam Boyut Kesme Deneyleri

Teorik olarak, net ilerleme hızı, makine kesme gücü ve spesifik enerji arasında aşağıdaki bağıntı mevcuttur.



Bu bağıntıda K.H, deneyin yapıldığı keskilerle donatılmış roadheader'in
net ilerleme hızıdır. Günlük ilerleme hızının bulunması için günlük çalışma
vardiyası ve makineden faydalanma oram göz önüne alınmalıdır. G,
roadheader'in kazı gücü, SE ise laboratuvar tam boyut kesme deneylerinden
elde edilen spesifik enerji değeridir. K kayaç kütlesinin özelliklerine bağlı
olarak 0,4 - 0,8 arasında değişen bir katsayıdır.

3.3. Yerinde Yapılan, Ölçmelere Dayanarak Geliştirilen Modeller

Fowel va arkadaştan Şekil 14'de görüldüğü gibi RMR sınıflama
sistemine bağlı olarak, orta ağırlıktaki roadheader için bir performans tahmin
grafiği geliştirmişlerdir. Bu grafikte 3 bölge tarif edilmiştir (11). 1 inci bölge
de, formasyonun tamamen parça dayanımı hakimdir, 2 cı bölgede kayacm parça
dayımının etkisi kayaç kalitesi düştükçe artmaktadır, 3. cü bölgede ise, kayaç
kütle özellikleri makine performansına tamamen hakimdir. Bu yöntem sadece
orta ağırlıktaki makınelen için geliştirilmiş, uygulaması unıverselleştinle
memıştır.

Nuh BİLGİN H

[ozguryolcu]

Şekil 14. RMR Sini (lama Değerleri ile OrU Ağırlıktaki Roadheaderlerin Kazı Hızı Arasındaki İlişki (11)


Şekil 15 Spesifik Enerjinin Optimum Keskiler Arası Mcsafe/Kcsme Derinliği Oranı (s/p) ile Değişimi

Diğer başka yaklaşımda ise istanbul'da açılan kanalizasyon tünelleri
temel alınarak, makine performansının ve kayaç kütlesi özelliklerinin yerinde
tespit edilmesi, çok katlı regresyon analiz yöntemleri kullanarak bir model
geliştirmesi' şeklinde olmuştur. (12,13). Yöntem diğer uygulmalarla
desteklenmiş ve sonuçlar genelleştirilmiştir. Bu model USA'da Maden
(SME) Mühendisleri Odasının 1992 yılında yayınladığı Maden Mühendisliği El
Kitabın'da standart yöntem olarak tavsiye edilmektedir (14). Bu modelde
makine performansı, kayaç kütlesi kazılabitirlik indeksi ve makine kazı gücü
arasında aşağıdaki bağıntı vardır.



Bu bağıntıda,

Y- Roadheader'in net kazı hızı (mVh),
K= Roadheaderin'in kesme gücü (HP).

kayaç kütlesi kazılabilirlik indeksi



4. TBM'LERİN SEÇİM KRİTERLERİ

TBM'lerin performanslarının hangi kayaç formasyonunda nasıl
değişeceği, kesici kafanın tasarımının nasıl olması gerektiği en iyi Şekil 17 de
gösterilen tam boyut kesme deney serinde yapılan deneylerle
kestirilebilmektedir . Bu deney setinde tam boyutlu disklere gelen kuvvetler ve
spesifik enerji tespit edilmekte, yukarıda verilen (1) nolu bağıntı ile de
TBM'lerin net kazı hızlan hesap edilebilmektedir. Bu tür bir deney seri "NATO
Science for Stability" programı çerçevesinde NATOTU Excavation projesi
için İTÜ Maden Mühendisliği Laboratuvarlan'nda inşaa edilmektedir. Şekil 15
ve 16 dan görüldüğü gibi her bir kayaç formasyonu için optimum spesifik
enerjiyi veren bir keskiler arası mesafe, makine itme kuvveti ve tork söz


Şekil 16 TBM'lenn Perfoımansında Hei lerne Hızının Makine, itme Kuvveti, Spesifik Eneıjı ve Torkîle Değişimi (17)


Şekil 17 Disk Keskıleıını Tam Boyutta Denendiği Bu Pilot Kazı Seti
Şekil 18 Cetchaı Aşındıııcılık Test Cihazı (15)


konusudur. Her bir formasyon için ayn ayn tespit edilen bu grafikler yardımı
ile kazılacak formasyon için en uygun TBM seçilebilmektedir.

5. ROADHEADER VE TBM'LERDE KESKİ SARFİYATININ ÖNCEDEN BELİRLENMESİ VE MALİYETLER

Çok sert ve aşındırıcı formasyonlarda keski sarfıyati kazi maliyetini
önemli ölçüde etkileyebilmektedir. Bu nedenle tünel fizibilite çalışmalan
sırasında, keski sarfiyatını önceden belirlemek önemli olmaktadır. Bu iş için ise
laboratuvarda kayaçlann Cerchar veya Schimazek aşındıncılık indeksleri
bulunmalıdır.
Cerchar aşındıncılık indeksi Şekil 18'de görülen bir cihazla ölçülür. 1
nolu mengeneye sıkıştınlan kayaca 10 kg'lık bir kuvvetle sivri çelik bir uç
bastınlır ve 1 cm çekilir. Uç üzerindeki aşınma yüzeyi mikroskop altında
ölçülür ve her bir 1/10 mm'lık aşınma bir birim indeks olarak tanımlanır. Şekil
19,20 ve 21 den 'de görüldüğü gibi Cerchar Aşındıncılık indeksi ile Moh's
sertliği, kayaç kuvars miktan ve roadheader'lerdeki pik sarfiyatı arasında lineer
bir ilişki vardır.

Schimazek aşınma indeksi ise aşağıdaki bağıntı ile hesap edilebilmektedir (16).



Bu bağıntıda;

F = Schimazek aşındıncılık indeksi,
Q = Aşındırıcı minerallerin eşdeğer kuvars yüzdesi,
<jt = Kayacın çekme dayanımı (kg/cm2) ve
d = Aşındırıcı minerallerin ortalama tane çapı (cm).

Şekil 22 ve 23'den görüldüğü gibi, roadheader uygulamalarında Schimazek
aşındıncılık indeksi keski sarfiyatı ve keski maliyetleri arasında çok açık
ilişkiler vardır. (3,17). Şekil 24'de ise kayaç basınç dayanımı ve kayaç
aşmdırıcılı'na bağlı ulaıak TBM uygulamalarında m3 kazı başına disk maliyeti
verilmiştir. Buradan da görüldüğü gıbi.basınç dayanımı 2000 kg/cm3 olan çok
aşındırıcı bir kayaç formasyonunda 70 m2 kesitli bir tünelde keski maliyeti m
ilerleme basma 1000 $*a kadar çıkabilmektedir (5).

Nuh BİLGİN H

[ozguryolcu]

6. SONUÇLAR

Yeraltı kazılarında mekanizasyon uygulmalan son 25 senede büyük
gelişmelere sahne olmuş ve bunun yanında da birçok problemleri yanında
getirmiştir. Roadhear veya TBM seçimi için fizibilite çalışmalan sırasmda
yapılacak detaylı çalışmalar uygulamanın getireceği riskleri ortadan
kaldırmaktadır, özellikle laboratuvarda gerçekleştirilen tam boyut kesme
deneyleri pahalı ve zahmetli olmalarına rağmen uygun seçim ve tasarım için
önemle tavsiye edilmektedir.

KAYNAKLAR
1. FOWELL, R.J., The Mechanics of Rock Cutting, Comprehensive
Rock Engineering, Pergamqn Press, 1993, pp. 155 - 176.
2 BÎLGlN, N., İnşaat ve Maden Mühendisleri İçin Uygulamalı Kazı
Mekaniği, Birsen Yayınevi, 1989, s. 192
3. GEHRJNG, K H , Roadheaders - A Cutting Comparison, Tunnels and
Tunnelling, November, 1989, pp 27 - 30
4. BİLGİN, N., SEYREK, T., ERDİNÇ, E., Kuzey ve Güney Haliç
Projeleri örneği ve Tünel Açma Makinelerinin Seçimi İçin Bazı Yeni
Kriterler, 2. Ulusal Kaya Mekaniği Sempozyumu, Ankara, 5 - 7
Kasiml990, s. 113- 133.
5. ROBBÏNS, R.J, Tunnel Machines in Hard Rock, Civil Engineering
for Underground Rail Transport, Butterworth Scientific Ltd. Surrey,
V.K, 1990
6. WANNER, H., Rock Mass Classification for Tunnel Boring
Machines, Congress of Tunneling, Düsseldorf, 1981, pp. 365 - 382.
7. BİLGİN, N , NASUF, E, ÇIĞLA, M, Stability Problems Effecting
the Performance of a Full face Tunnel Boring Machine in İstanbul
Baltalunam Tunnel, Assesmenl and Prevention of Failure Phenomena
m Rock Engineeiiiig, Balkama 199**, pp 501-506
8. PAMFORD, W, E., Minutes of the Meetingof ISRM Commission on
boreability, cuttability and drillability, Montreal, 1987.
9. McFEAT, S., FOWELL, R.J., Rock Property Testing and the Cutting
Performance of Tunneling Machines, Tunnels and Tunneling, March
1977, pp 29 - 32.
10. McFEAT, S, FOWELL, R.J, The Selection and Application of
Roadheaders for Rock Tunneling, Proceedings of Rapid Excavation
and Tunnelling Conference, 1979 U.S.A, Vol. 1, pp 261 - 279.
11. JOHNSON, S.M, FOWELL, R.J, A Rational Approach to Practical
Performance Assessment for Rapid Excacation using boom-type
tunnelling machines, Proceedings Twenty-Fifth Symposium on Rock
Mechanics, USA, 1984, pp. 759 - 766
12. BÎLGÎN, N., SHAHRIAR, K, Roadheaders in Istanbul, Golden Horn
Clean-up Contributes Valuable Data, Tunnels and Tunnelling, 1988,
pp41 -44.
13. BÎLGÎN, N., SEYREK, T, ERDİNÇ, E., SHAHRIAR, K,
Roadheaders Glean Valuable Tips for Istanbul Metro, Tunnels and
Tunnelling, October 1990, pp. 29-32.
14. BREEDS, CD, CONWAY, J.J., Rapid Excavation, Chapter 22.1
SME Mining Engineering Handbook, USA, 1992, pp. 1871 - 1907
15. WEST, G, Rock Abrasiveness testing for tunnelling, Int. J. Rock
Mech. Min. Sei and Geomech. Abstr. Vol 26, No. 2, 1989, pp. 151 -
160.
16. SCHIMAZEK, J, KNATZ, H, The Influence of Rock Structure on
the Cutting Speed and Pick Wear of Heading Machines, Glückauf
106, pp. 274-278.
17. MAIDL, R, HANDKE, D„ Application Areas for Modern Boom -
Type Roadheaders of Vaorious Power Classes in Tunnelling, World
Tunnelling, April 1989, pp 47 - 50
8. PAMFORD, W, E., Minutes of the Meetingof ISRM Commission on
boreability, cuttability and drillability, Montreal, 1987.
9. McFEAT, S., FOWELL, R.J., Rock Property Testing and the Cutting
Performance of Tunneling Machines, Tunnels and Tunneling, March
1977, pp 29 - 32.
10. McFEAT, S, FOWELL, R.J, The Selection and Application of
Roadheaders for Rock Tunneling, Proceedings of Rapid Excavation
and Tunnelling Conference, 1979 U.S.A, Vol. 1, pp 261 - 279.
11. JOHNSON, S.M, FOWELL, R.J, A Rational Approach to Practical
Performance Assessment for Rapid Excacation using boom-type
tunnelling machines, Proceedings Twenty-Fifth Symposium on Rock
Mechanics, USA, 1984, pp. 759 - 766
12. BÎLGÎN, N., SHAHRIAR, K, Roadheaders in Istanbul, Golden Horn
Clean-up Contributes Valuable Data, Tunnels and Tunnelling, 1988,
pp41 -44.
13. BÎLGÎN, N., SEYREK, T, ERDİNÇ, E., SHAHRIAR, K,
Roadheaders Glean Valuable Tips for Istanbul Metro, Tunnels and
Tunnelling, October 1990, pp. 29-32.
14. BREEDS, CD, CONWAY, J.J., Rapid Excavation, Chapter 22.1
SME Mining Engineering Handbook, USA, 1992, pp. 1871 - 1907
15. WEST, G, Rock Abrasiveness testing for tunnelling, Int. J. Rock
Mech. Min. Sei and Geomech. Abstr. Vol 26, No. 2, 1989, pp. 151 -
160.
16. SCHIMAZEK, J, KNATZ, H, The Influence of Rock Structure on
the Cutting Speed and Pick Wear of Heading Machines, Glückauf
106, pp. 274-278.
17. MAIDL, R, HANDKE, D„ Application Areas for Modern Boom -
Type Roadheaders of Vaorious Power Classes in Tunnelling, World
Tunnelling, April 1989, pp 47 - 50

Nuh BİLGİN H