YERALTI KAZILARINDA MEKANİZASYON

[ozguryolcu]

YERALTI KAZILARINDA MEKANİZASYON

MECHANICAL EXCAVATION IN UNDERGROUND

WORKINGS

Nuh BİLGİN H

ANAHTAR SÖZLÜKLER Roadheadcr, TBM Tam cepheli Tıınel Açma Makinesi

Mekanize Kazı ,Cerchar Aşındıncılık indeksi, Schımazek

Aşındırıcılık indeksi

ÖZET

Bu tebliğde, yeraltı kazılarında mekamzasyonun nasıl geliştiğine kısaca

değinilmiş, mekanize sıstemleıın avantaj ve dezavantajlarından bahsedilmiştir

Roadheadei \e 1BVTleım seçim krıteılerı ıçm geliştirilen modeller

detaylandııılnnştn Uygulamadan bazı örnekler venleiek mekanize sistemlerin

perfoımanslarmın nasıl kestıı ilebileceği özetlenmiştir

ABSTRACT

In this article, historical development of mechanical excavation systems

are briefly given and advantages and disadvantages of these systems are

summarized Diffeient models to pi edict the loadheader and TBM

performances, cuttei consumption and optimum cuttei head design aie

explained in detail

"Pi of Di ITU Maden Fakültesi

49

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

-50-

-51-

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

-52-

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 (<>

Ş^kıl 10 >ılhızHır l BMde Jeolojik Surtk-azlıklcnn

Flkhi (dl

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

-54-

$£&/ //- fi/f TBM'de Jeolojik Süreksizliklerden Etkilenebilecek

Bölge

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

-55-

Şekil 13 Raadheadeı Kazı Hızı ite Lahoraîmaı Spesifik Sneıjı

Değeı len Arasındaki İlişki (9,10)

-56-

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.

(1)

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

-57-

Şekil 14. RMR Sini (lama Değerleri ile OrU Ağırlıktaki

Roadheaderlerin Kazı Hızı Arasındaki İlişki ( 11)

Keskiler arası izin optimum mesafede kopması

s/p oranı

Şekil 15 Spesifik Enerjinin Optimum Keskiler Arası Mcsafe/Kcsme Derinliği Oranı

(s/p) ile Değişimi

-58-

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.

y = JC x 0.31 x 0.97r (2)

Bu bağıntıda,

Y- Roadheader'in net kazı hızı (mVh),

K= Roadheaderin'in kesme gücü (HP).

kayaç kütlesi kazılabilirlik indeksi

= kayaç basınç dayanımı, MP

= kayaç kalite değeri.

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

-59-

Şekil 16 TBM'lenn Perfoımansında Hei lerne Hızının Makine, itme Kuvveti,

Spesifik Eneıjı ve Torkîle Değişimi (17)

Şekil 17 Disk Keskıleıını Tam Boyutta Şekil 18 Cetchaı Aşındıııcılık Test

Denendiği Bu Pilot Kazı Seti Cihazı (15)

-60-

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).

(3)

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

-61-

-62-

Cerchar aşındırıcı lık indeksi

Şekil 19 Cerchar Aşındıncılık tndcksı ılc

Mohs Sertliği Arasındaki İlişki (15)

Ktnars mıktan

Şekil 20 Kuvars Mıktan ılc Cerchar Aşındıncılık

tndcksı Arasındaki İlişki (15)

Cerchar aşındırıcı lık indeksi

Sekil 2l Cerchar Aşındıncıiık tndcksı ılc Keski

Sarin atı Arasındaki ilişki (1)

Schımazck aşınma indeksi F

Şekil 22 Schımazck Aşınma indeksi ıfe

Roadhcadcrlcrdckı Keski Sarfiyatı

Arasındaki Itışkı (3)

Schımazck indeksti-, Basınç dayanımı MPa

Şekil 23 Ka\acm Basınç Dalanımı, Schımazck

Aşındıncılık İndeksi Keski Sarfiyatı

\c Keski Malışetı Arasındaki İlişki (ti)

Şekil 24 TBM U>gulamalanndam' Kazı

İçin Disk Mahsctı (s)

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).

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

-63-

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

-64-