Tünel Açma Makinelerinin (tbm), Kazı Zamanı, Makine Ve Kaya Özelliklerine Göre İstatiksel Analizi

Abstract

İnsanoğlu tarih boyunca kendine güvenli ve sağlam alanlar yaratmak için yer altı yapılarına önem vermiştir ve hayati tesislerini yer altında yapmaya çalışmıştır. Günümüzde şehir yaşamının gerekçeleri, hızlı ulaşım isteğinin artışı ve modern yaşamın altyapı istekleri ile birlikte yeraltı alanlarının önemi gün geçtikçe artmaktadır, ayrıca yaşam alanları ve tesislerinin şehirde yeryüzünün büyük bir kısmını işgal etmesi neticesinde şehir planlamalarında yeraltı tesisleri gündeme gelmiştir ve bununla birlikte tünel açma makineleri geliştirilmiştir. Tünel açma makinelerinin (TBM’lerin) hızlı kazısı, yeryüzü oturmaların optimize olması, kazı esnasında herhangi bir titremeye sebep olmaması gibi avantajları yüzünden kullanımları şehirlerde artmıştır. TBM’ler, şehir dışı projelerinde, kazı hızı ve minimum kazı sapması nedeninden dolayı kullanılmaktadır. Sert, orta sert, yumuşak ve akıcı formasyonlar için kullanılabilen kafa dizaynları ve keski tipleri, makineyi dengeleme sistemleri, tahkimat sistemleri, çıkarılan pasayı taşıma sistemleri, çeşitli yönlerden farklılıklar göstermektedir. Açılacak yer altı boşluğu boyunca geçilecek formasyonların önceden tespiti, kullanılacak makinenin seçiminde en önemli faktörlerden biri olmaktadır. TBM’in 1950 yılında ilk başarılı kullanımından sonra devamlı geliştirilip yeni teknolojilerle teçhiz edilmiştir. Günümüzde TBM’lerin kazı çapları ve teknolojileri çök gelişmiş ve mekanik aletlerden tam elektronik olarak kullanılan makinaler şekline gelmişlerdir, son senelerde bu makineler 17 m’ye kadar tünelleri günlük ortalama 20 m kazı yapmaktadırlar ayrıca bu teknolojiler günden güne geliştiriliyor ve bu makinelerin kapasite sınırları bu nedenden dolayı değişiyor. TBM yukarıda belirtilen avantajların yanında, satın alma, kullanım ve bakım maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle, bu makineler kullanılarak yapılan projeler ile ilgili çeşitli araştırmalar gündeme getirilmiştir. TBM’ler ile yapılan projelerde maliyeti indirmek için yapımdan önce proje esnasında karşılaşabilinecek her durum öngörülmelidir. Bu yüzden TBM ile yapılan projelerde ilk önce kaya özelliklerine göre makine özellikleri tasarlanır ve proje esnasında kullanılan kesici miktarı hesaplanır. Bunların dışında proje esnasında büyük önem taşıyan kazı, bakım ve onarım zamanı, TBM ile yapılan tünel projelerin ihalelerinde zamanlama programı ve makinenin duraklamalarının öngörülmesi kritiktir. Bu projelerde her işlem için gereken zamandan bir genel bakış olması, projenin zamanı ve fiyatının ön görünümünde büyük önem taşımaktadır ve bu yüzden çok sayıda araştırma yapılmıştır. TBM’in kazı ve duraklamalar zamanının analizi için, makine ve kaya özellikleri büyük önem taşımaktadır ve zaman faktörleri bu özelliklerden etkilenmektedir. Bu araştırmanın amacı; makine ve kaya özelliklerinin TBM’in ilerlemesine olan etkilerini incelemektir. TBM’lerin performans analizinde; saatlik ilerleme (ROP), günlük ilerleme (AV) ve kazı zamanı (U) arasında kazı zamanı modellemek veya öngörmek en zor faktördür. Genel olarak kazı zamanı, makinenin hazır olma zamanı içinde yapılan net kazı zamanı oranıdır. Kazı zamanını modellemek için çok az sayıda model vardır. “Colorado scholl of mines (CSM) ve Norwegian University of Science and Technology (NTNU)” ve yaklaşık 20 sene önce yapılmıştır. Son senelerde ise, TBM kazı zamanı analizi ile ilgili genel bir araştırma yapılmamıştır. Bu çalışmada makinenin, kazı ve duraklamalar zamanına etkiyen parametreler ile aralarındaki ilişkileri anlamak için çok sayıda veri analizi yapılmıştır. Bu hedefe ulaşmak için 1968’den günümüze yapılmış olan projelerden 268 adet projenin bilgileri bir geniş veritabanı olarak toplanmıştır ve bu veri tabanından yola çıkarak kazı zamanı ve duraklamaların zamanları ile etkili faktörlerin arasındaki ilişkiler araştırılmıştır. Bu ilişkileri araştırmak için, her projedeki makine detayları (üretici, makine tipi, itme gücü, devirme gücü, devrilme hızı, kesici sayısı ve disk kesici çapı), tünelin jeolojik bilgileri (formasyon, basınç dayanımı, kaya kütle değeri, kuvars içerliği ve su içerliği), makinenin kayıt edilmiş performans bilgileri (saatlik ilerleme ve ortalama günlük ilerleme) ve bu araştırmanın asıl amacı olan kazı ve duraklamalar zamanı bilgileri (kazı zamanı, Re-gripp zamanı, kesici değişim zamanı, makinenin arıza ve bakım zamanı, Backup arıza ve bakım zamanı, tünele sızmış olan sunun boşaltılması ve havalandırma, kazılmış malzemenin nakliyatı ve kaya sağlamlaştırma zamanı) toplanmıştır. Veri tabanının üzerinden yola çıkarak birinci aşamada, projelerin kazı çapları aralığına göre uzunlukları incelenmiştir ve veri tabanında olan projeler yapım tarihlerine göre ayrılmıştır. İkinci aşamada veri tabanı projelerinde kullanılmış olan makinelerin itme ve devirme kuvvetleri, makineleri beş ana, pabuçlu, kalkanlı, pasa basınçlı, çamur basınçlı ve kombine tipleri gruplarına ayırarak çaplarına göre analizleri yapılmıştır. Üçüncü aşama olarak, aynı gruplara göre makinelerin saatlik ilerlemesi, günlük ilerlemesi ve kesici tüketim miktarı, her faktör için maksimum, minimum, ortalama ve standart sapma bulunarak incelenmiştir. Ayrıca aynı işlemler kazı zamanı ve duraklamalar zamanları için de yapılmıştır. Araştırmanın sonunda, kazı zamanı ve duraklama zamanı ile bunlar üzerinde etkili olan faktörler arasındaki ilişki incelenmiştir. Kazı zamanı ile saatlik ilerleme arasında ters bir ilişki bulunmuştur; yani saatlik ilerlemenin artışı neticesinde, kazı zamanın yüzdesinde azalma meydana gelmiştir. Kazı zamanı ile kazılmış malzeme taşıması zamanı arasında doğru bir ilişki elde edilmiştir; yani genel olarak kazı zamanı arttıkça taşıma zamanı yüzdesinde artış yaşanmıştır. Veritabanında olan projeleri, tünel ekseninin kuvars içeriğine göre üç ana gruba (<%5, %5-%20, >%20) ayırarak her grupta birim uzunluk kazı esnasında kesici değişim süresi ile saatlik ilerleme arasındaki ilişki araştırılmıştır bu araştırmada tespit edilmiştir ki kuvars içeriği yüksek olan jeolojik durumlarda genel olarak kesici disk tüketimi daha fazla ve kesici değişimi için gerekli olan zaman daha fazladır ayrıca kesici değişimi için harcanan zaman saatlik ilerlemenin artmasıyla birlikte düşüş göstermektedir. Araştırmanın diğer kısmı ise, veritabanının kaya basınç dayanımına göre, üç ana gruba (<100 Mpa, 100-150 Mpa, >150 Mpa) bölünmesi ve bu gruplarda makinenin her kilometre kazı bedeline duraklamaları ile saatlik ilerleme miktarı arasındaki ilişki incelenmiştir ve sonuç olarak kaya sertleştikçe makinelerin genel olarak daha fazla bakım gerekçesi ortaya çıkmıştır. Araştırmanın son kısmı olarak malzeme nakliyat yöntemine göre projeler iki gruba ayrılmıştır ve her grupta Backup duraklamaları ile saatlik ilerleme arasındaki ilişki incelenmiştir, bu araştırmanın sonucu olarak genelde taşıma bantlarında vagona göre daha az Backup arızası tespit edilmiştir ve Backup tamir süresinin saatlık ilerleme ile ters ilişkili olması tespit edilmiştir. .

Considering the growing demand for rapid transportation and metropolitan life requirements, living areas and facilities occupy a remarkable amount of land in cities and nowadays, city planners have to perceive the paramount importance of underground facilities and tunnels. One of the best ways for tunneling in cities is using TBMs due to its several advantages such as low ground settlements and rapid boring. TBMs are in use in both none-residential and residential areas because of their excavation speed and low overburden, as well. The first successful implementations of TBMs commenced since 1950s and from that time on, TBMs have been developed at a high rate and new TBM types have been invented. Nowadays, tunnels up to 16 meters can be excavated by TBMs and the size of the machine has faced an increasing manner, day by day. However, TBMs are expensive machines and their performance depends on several parameters. One of the most important factors in the performance of these machines is the time spent on each stoppage or operating time and it directly affects project economy. Having a reliable overview of TBM performance is necessary for estimation of time and cost of completion of a tunneling project and it is the common objective of several studies in this area. Among TBM performance parameters (Rate of Penetration (ROP), Advance Rate (AR), and Utilization (U), etc.), utilization is one of the most important parameters to model or predict. As a definition, utilization is the percentage of total time during which rock excavation occurs. There are very few models for estimation of the TBM utilization, most of which have been developed more than two decades ago by Colorado School of Mines (CSM) and Norwegian University of Science and Technology (NTNU) and a dearth of profound related studies is tangible in recent years. To obtain better correlation between operating time, ultimate machine utilization and project/operational parameters, a series of statistical analyses were performed. In this thesis, the relationship between time spent in any step of operation or stoppage and the effective parameters have been examined. This study also aims at scrutinizing the major factors leading to stoppage during operation of TBM and focuses on correlation of aforementioned factors with other parameters of ground and machine. Moreover, machine parameters and geology are the most effective parameters for analyses. In this scope, squeezing, swelling, abrasive and fractured ground conditions showed special results.