Ayna basınçlı (kapalı) TBM’ler

Kazı esnasında arın denge durumunun olmadığı ve/veya su gelirinin diğer tip TBM’lerin kullanılmasına izin vermediği veyahut kullanılması durumunda da yararlanma oranlarına bağlı çok düşük ilerleme miktarlarının olması koşullarında ayna basınçlı yöntemle kazı yapan TBM’ler kullanılmaktadırlar. Kapalı yöntem kazılarında açığa çıkan pasa arın denge durumu söz konusu olmadığından arazi basıncına eş bir basınçta kazı bölmesine girmek ve buradan yine aynı basınçta çıkmak zorundadır.

Tünel güzergâhı boyunca yapılan sondaj çalışmaları her zaman formasyonun tamamını temsil edememektedir. Bununla beraber yağış rejimi ile yer altı su seviyesinde ciddi değişimler söz konusu olmaktadır. Bütün bu unsurların etkisi nedeniyle önceden hesaplanan arazi basınçları ile kazı esnasında uygulanan basınçlar farklılık gösterebilmektedir. Düşük hesaplanmış arazi basınçlarının kazı esnasında uygulanması sonucu arından gerekli olan miktardan fazla pasa alınmakta, bu da özellikle sığ tünellerde yüzeyde ciddi oturmalara veya göçüklere neden olabilmektedir. Olması gerekenden fazla hesaplanan arazi basınçlarının kazı esnasında uygulanması sonucunda ise kazı bölmesinden gereğinden az miktarda pasa alınmakta, bu da pasanın sıkışmasına ve çok sığ tünellerde yüzeyde kabarmalara sebebiyet vermektedir. Ancak uygulanan hatalı arın basınçlarında çıkan pasanın miktarına bağlı olarak kazı esnasında derhal müdahale etmek suretiyle gerçek arazi basıncının uygulamasını sağlamak mümkündür. Bu nedenle uygulanan arın basınçları ile beraber çıkan pasanın miktarının bilmesi ve takip edilmesi ayna basınçlı TBM'lerde çok büyük öneme sahiptir.

Açığa çıkan pasanın kazı bölmesinden alınmasında veya bir başka deyişle kazı bölmesinin basınçlandırılmasında çok farklı yöntemler mevcuttur.

Kesici kafa bölmesinin basınçlandırılması için kullanılan yöntemler aşağıda sıralanmıştır:

● Çamur basınçlı (Slurry) ● Pasa basınçlı (EPB)

● Hava basınçlı (Compressed Air) -Anlatılmayacak- ● Kombine (Mixshield)

Arın basıncının oluşturulmasında kullanılan kombine (mixshield) ve çamur basınçlı (Slurry) tipteki TBM'lerde pasa taşıma yönteminin her ikisinde de borular yardımıyla yapılması ve anlatım ekonomisi sağlanması açısından bu çalışmada tek başlık altında anlatılacaktır.

Pasa basınçlı (EPB)

Bu kazı yönteminde açığa çıkan pasa kazı bölgesinden basınçlı olarak helezon konveyör yardımıyla çıkartılmaktadır. Pasanın helezon konveyör içinde taşınması esnasında basıncı arazi basıncından nakledileceği ortam basıncına kadar düşürülmektedir. Pasanın basıncının kontrollü olarak düşürülmesindeki ana amaç kazı bölmesinden çıkartılan pasa miktarını kontrol altında tutmak ve kazı bölmesinde ani basınç dalgalanmalarının önüne geçmektir. Arazi basıncını dengelemek ve emniyetli bir şekilde kazı yapabilmek için kazı bölgesine giren ve çıkan pasanın miktarının ayarlanması ve kontrol edilmesi gerekmektedir.

Bu bağlamda sondaj verilerine göre önceden hesaplanmış arazi basıncılarını sağlamak için TBM’in penetrasyon miktarlarını (mm/dev) ve helezon konveyörün dönüş hızlarını (dev/dk) sürekli bir şekilde kontrol etmek ve değiştirmek gerekmektedir. Kazı bölmesi içinde oluşan basınçlar anlık olarak basınç sensörleri yardımıyla izlenebilmektedir. Bu sayede değişen ilerleme hızlarında kesici kafa içinde sıkışan pasanın basıncına bağlı olarak helezon konveyörün çalışma devrini yükseltmek veya alçaltmak mümkündür (Şekil 2.21).

Arazi basıncının dengelemesi sırasında arazi basıncının gene zeminin kendisi yardımıyla sağlanması ve kazı bölmesinde bulunan pasanın sıkışabilme özelliği olması nedenleriyle basınçlarda dalgalanmalar yaşanmaktadır. Ayrıca arının heterojen (alt yarının sağlam üst yarının ise daha düşük basınç dayanımına veya akışkan olması) ve kazının sadece arazi basınçlarına göre yapılması durumunda kesici kafa bölmesindeki basınç sürekli olarak üst yarıdan gelen pasa tarafından sağlanmaktadır. Bu da ilerleme esnasında üst yarıdan çok fazla pasa alınmasına sebep olmaktadır. Kontrolsüz pasa alımı sonrasında büyük çaplı göçükler oluşabilmektedir.

EPB tip TBM'lerde pasanın kazı bölmesine girişini, helezon konveyör içinde akışını kolaylaştırmak ve bu bölmelere yapışmasını önlemek ile sudan ayrışmasını engellemek için formasyonun özelliğine bağlı olarak bir takım kimyasallar kazı bölmesinin ve helezon konveyörün içine ve kesici kafanın önüne verilmektedir. Bununla beraber su gelirinin veyahut su basıncının yüksek olduğu kimi durumlarda suyun formasyon içinde kalmasını sağlayarak gerek pasanın daha yoğun kıvamda olmasını ve buna bağlı olarak da yüksek basınç dalgalanmalarının önüne geçmek gerekse de yüksek kimyasal tüketimlerini azaltmak amacıyla kesici kafaya basınçlı hava verilmektedir.

Çamur (Slurry)

EPB tip TBM’lere göre daha yüksek su geliri ve toplam arın basıncı olan formasyonlarda Slurry tip TBM’ler tercih edilmektedir. Pasa nakli EPB tip TBM'lerin aksine borular yardımıyla bulamaç halinde kesici kafa bölmesinden alınarak yapılmaktadır.

Kesici kafa bölmesindeki basıncı dengelemek için kesici kafa bölmesine basılan bulamaç ve kesici kafa bölmesinden alınan pasayla karışık bulamacın debilerini ayarlamak gerekmektedir. Ayrıca pasa naklinde kullanılan borular içindeki bulamacın birim hacim ağırlığını bilmek büyük önem taşımaktadır. Nitekim kesici kafa bölmesine sabit debide bulamaç verilir, ve kesici kafa bölmesinden sabit debide bulamaç alınır iken kesici kafa bölmesinden alınan bulamacın giderek birim hacim ağırlığının artması kafaya kontrolsüz bir şekilde formasyonun aktığı ve arından gerçekte gereğinden fazla miktarda pasa alındığı anlamına gelmektedir.

Bu durumun sürmesi sonucu fazladan alınan pasa miktarına ve formasyonun mekanik özelliklerine bağlı olarak özellikle sığ tünellerde yüzeye kadar ulaşabilen göçüklerin oluşabilmektedir.

EPB tip TBM’lerde arın basıncını dengelenmek için zeminin kendisi kullanmasına karşın çamur tip (Slurry) TBM’lerde arın basıncı geçilen formasyonun özeliğine göre farklı bileşenlerden ve bunların farklı oranlarda birleşmelerinden oluşan bulamaç yardımıyla oluşturulmaktadır. Bulamaç olarak su - bentonit, su - bentonit - kimyasal katkılardan veya sadece sudan oluşabilmektedir. EPB kazı yöntemine nazaran bu yöntem sayesinde daha güvenilir bir basınç dalgalanması aralığında kazı işlemi yapılabilmektedir. Bununla beraber gerek açığa çıkan pasanın pasa işleme istasyonuna gerekse de arazi basıncını dengelemekte kullanılan bulamacın kesici kafaya borular yardımıyla basınçlı bir şekilde pompalanmasından ötürü çok yüksek enerji tüketimlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Sözü edilen enerji tüketimi TBM çapına, ortalama ilerleme miktarlarına dolayısıyla açığa çıkan pasa hacmine, tünel uzunluğuna, borular ile taşıma esnasında taşınacak olan malzemenin mekanik ve geometrik özelliklerine göre borularda çökelmemenin ve buna bağlı boru tıkanıklıklarının olmaması için gerekli olan kritik hıza, tünel eğimine ve son olarak da tünel derinliğine göre değişmektedir. Ayrıca pasanın işlenmesi ve arazi basıncının sağlanmasında kullanılan bulamacın hazırlanması ve pompalanması için yer üstünde büyük bir tesise dolayısıyla da yüksek bir ilk yatırıma ihtiyaç duyulmaktadır.

Günümüzde iki farklı tip Slurry TBM mevcuttur. Bunlar Alman tip ve Japon tip olarak adlandırılmaktadır. Alman tip kombine makinelerde (mixshield) kesici kafa bölmesi iki bölümden oluşmaktadır. Arın tarafındaki bölümde pasa ve bulamaç, makine tarafındaki bölümde ise pasa, bulamaç ve hava cebi mevcuttur.

Değişen arın basınçlarında havanın fiziksel özelliğinden dolayı hava cebinin sıkışıp genleşmesi sayesinde kazı esnasında çok düşük basınç dalgalanmaları sağlanmaktadır. Böylelikle anlık olarak azalan formasyon basınçlarında kesici kafa bölmesinden arın içine bulamaç kaçmasının veya anlık olarak artan formasyon basınçlarında ise arından kesici kafa bölmesine kontrolsüz bir şekilde pasa akmasının önüne geçilmektedir (Şekil 2.22a). Hava cebinin olmadığı, kesici kafanın tek bölmeden oluştuğu Japon tip Slurry makinelerde ise arın basıncında oluşan yüksek dalgalanmalar nedeniyle bulamacın arına kaçma ve arının kesici kafa bölmesine kontrolsüz girme riskleri daha büyük olmaktadır (Şekil 2.22b).

(a)

(b)

Şekil 2.22 : (a) Alman tip hava cepli çamur TBM (mixshield) (Url-7), (b) Japon Tip hava cepsiz çamur TBM (Url-8).

2.4 TBM’lerin Diğer Kazı Yöntemlerine Göre Üstünlükleri ve Sakıncaları