Kollu galeri açma makineleri ve tam cepheli tünel açma makineleri (TBM) gibi mekanize kazı makinelerinin günümüzde kullanımları hem maden hem de inşaat sektöründe hızla artmaktadır. Kazı mekaniğinin en temel kuralı belirli bir kesme derinliği / keskiler arası mesafede, birim hacimdeki kayayı kesmek için harcanan enerji olarak tanımlanan spesifik enerjinin minimum olmasıdır. Bir TBM’de keskiler arası mesafe sabit olduğu düşünüldüğünde optimum kesme derinliğini sağlayan TBM baskı kuvveti minimum spesifik enerjiyi verecektir. Bu değerde TBM lerin seçim ve performans kestirim kriteri olarak kullanılmaktadır. Optimum şartlarda birim hacimdeki kayacı kesmek için gerekli enerji ve disk sarfiyatı minimumdur. Makine seçiminde yapılacak hata projenin bitim süresinin uzamasına ve çok büyük maddi kayıplara yol açabilir. Bu yüzden makine seçimi ve performans tahmini proje başlamadan önce yapılmalıdır. Kayaçların kazılabilirlik tayini ve makina performansı için yöntemler çeşitlidir ve bu yöntemlerin bazıları pahalıdır ve deney yapımı uzun zaman almaktadır.
Bu nedenle bu tez kapsamında taşınabilir, kolay kullanılabilir ve pahalı olmayan ve sonuçlarına güvenilir küçük boyutlu bir kazı seti geliştirilmiştir. Deney setinin hareketli tablası hidrolik bir piston ile keskiye doğru itilmektedir. Bu piston tahrik gücünü bir hidrolik akümülatörden alır. Hareketli tablaya bir mekanizma ile tutturulan 20x20x10 cm boyutlarındaki kayaç numunesi 13 cm çapında ve 70 derece uç acılı bir mini disk ile kesilmekte ve keskiye gelen kuvvetler ve birim kayacı kesmek için gerekli enerji ölçülmektedir. Kuvvetlerin ölçülmesi için birim deformasyon ölçerlerle donatılmış bir dinamometre Tübitak projesi kapsamında geliştirilmiş ve saniyede 1000 veri alabilecek bir veri iletişim sistemi seçilmiştir. Dinamometrenin güvenirliliğini denemek için 9o’lik açılı ve düşey yüklemelerle kalibrasyon yapılmıştır, sonuçların güvenilir olduğu ve okumaların tekrar edilebilir olduğu kanısına varılmıştır.
Geliştirilen taşınabilir kazı seti ile,basınç dayanımları 30 ile 174 kg/cm2 arasında değişen 13 adet kayaç numunesi üzerinde geliştirilen küçük boyutlu kazı setinde mini
diskle kesme deneyleri yapılmıştır. Deneyler yapılırken ilk olarak kaya numunesi çimento ile numune kutusuna tutturulmuştur bu durumda deney süresinin çok üzün sürdüğü görülmüş ve kaya numunesi hareketli tabladaki mengeneye tutturularak kesme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Đndeks değerler elde edebilmek için kesme derinliği 5mm de tutulmuş, spesifik enerji, ve keskiye gelen normal ve kesme yönündeki (FN, FR) kuvvetleri ölçülmüştür. Kesme deneylerinin ikinci aşamasında kayaç numunelerinin üzerinde tam boyutlu doğrusal kazı setinde mini disk ve TBM’lerde kullanılan 13” çapında sabit kesit alanlı diskle deneyler yapılmış ve sonuçlar geliştirilen taşınabilir kazı seti sonuçları ile karşılaştırılmıştır.
Geliştirilen taşınabilir kazı setinde kesme deneyleri numuneleri hareketli tablaya mengene düzeneği ile sabitleyerek yapılmıştır. Bunun nedeni numunelerin çimento ile kutulara yerleştirilmesi sırasında karşılaşılan kesme derinliğinin hassas ayarlanamaması ve numune hazırlamanın uzun zaman almasıdır. Ayrıca betonlanan numunenin alt yüzeyinde ikinci kesme deneyini yapma imkanı olmamaktadır. Sınırlı sayı ve boyuttaki numunelerle maksimum kesme deneyi yapabilmek için numuneler mengene düzeneği ile geliştirilen taşınabilir kazı setinin hareketli tablasına sabitlenmiştir.
Geliştirilen taşınabilir kazı seti ile aynı koşullarda (mini disk, d=5mm, yardımsız) tam boyutlu doğrusal kesme setinde kesilen 8 farklı kayaç için FN, FR, SE değerlerinin karşılaştırılmıştır. Karşılaştırılan FN değerlerinde R2 değeri 0.75 ve iyi bir eşleşme gözlenmiştir. FR değerlerinde ise değerler dağınık ve düşük bir R2 0.29 oluşmuştur. FR değerlerinin uyumsuzluğu, bazı kayaç numunelerinin geliştirilen taşınabilir kazı seti ile kesilirken kırılmalarına bağlanmaktadır. SE değerlerinde 0.81 R2 gerçekleşmiştir, ama değerlere bakıldığında geliştirilen taşınabilir kazı seti ile elde edilen SE değerlerinin, tam boyutlu doğrusal kesme setinde oluşan değerlerden, daha yüksek olduğu görülmektedir. Geliştirilen taşınabilir kazı setinde, SE değerlerinin yüksek çıkması, bazı numunelerin kesme esnasında kırılmasına ve pasa miktarın bu yüzden az olmasına dayanmaktadır.
Tam boyutlu doğrusal kazı setinde V uçlu mini disk ve 13” sabit kesit alanlı disk için 5 mm kesme derinliğinde yardımsız yapılan deneyler sonucunda karşılaştırılan FN ve FR değerlerinde korelasyon katsayıları sırasıyla 0.86 ve 0.75 olarak bulunmuştur. Mini disk ve sabit kesit alanlı endüstriyel kullanımlı disklerin kesme sonuçları arasında anlamlı istatistiksel bağlantılar bulunmuştur. Roxborough V uçlu disk
kesme teorisi ve Rostami sabit kesit alanlı disk teorisi FN ve FR karşılaştırmasında, tam boyutlu doğrusal kazı setinde elde edilen değerlere uygun trendler elde edilmiştir.Geliştirilen taşınabilir kazı setinde kullanılan 70o uç açılı mini disk ile TBM’lerde kullanılan sabit kesit alanlı diskler için tahmin yapmanın mümkün olduğu görülmektedir.
Geliştirilen taşınabilir kazı seti kesme sonuçları tam boyutlu doğrusal kazı seti 13” SKA disk ile karşılaştırılmıştır. 13” SKA disk yardımsız kazı modu sonuçlarında FN ve FR değerlerinde 0.49 ve 0.74 korelasyon katsayıları bulunmuştur. SE değerlerinde ise istenilen düzeyde bir istatistik ilişki yakalanamamıştır. Yardımlı kazı modunda FN,FR ve SE değerlerinde düşük korelasyon katsayıları çıkmıştır. Geliştirilen kazı setinde yapılan deneylerde numunelerin kırılması kesme esnasında FN,FR ve harcanan enerjiyi etkilemektedir. Numunenin deney esnasında kırılması durumunda pasa miktarı olması gerekenden daha az oluşmaktadır ve sonuç olarak hesaplana SE değerleri yüksek çıkmaktadır.
Daha önceki çalışamalarda elde edilen tam boyutlu doğrusal kazı seti kalem keski yardımlı kazı modunda gerçekleşen SEopt değerleri ile geliştirilen taşınabilir kazı seti mini disk SE değerleri karşılaştırılmıştır. Kalem keski optimum SE değerleri ile mini disk SE değerleri arasında korelasyon katsayısı 0.62 çıkmıştır. Geliştirilen taşınabilir kazı setinin kollu galeri açma makinelerinin performans tahmininde belirli bir istatistiksel doğrulukla kullanılabileceği anlaşılmıştır.
Geliştirilen yeni kazı seti henüz prototip aşamadadır. Özellikle kaya numunelerinin deney sehpasına sabitlenmesi ve kesme derinliğinin daha pratik ve kesin ayarlanması ileriki çalışmalarla çözülmesi gereken sorunlardır. Geliştirilen kazı setinin güvenilirliği ve daha geniş bir aralıkta sonuç verebilmesi için gelecekteki çalışmalarda farklı mekanik özelliklerdeki kayaçlarla deneyler yapılmalıdır ve kazı makinelerinin yerinde performansları ile ilişkilendirilmelidir.
KAYAKLAR
[1] Bamford, W.E., 1987. Cuttability and drillability of rock, International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, 24/1, February, 22-25.
[2] Megaw, T., M., Bartlett, J., V., 1981. Tunnels, planning, design, construction, Volume 1, Ellis Horwood Ltd., Chichester.
[3] Robbins, J.R., 1976. Mechanized tunneling progress and expectation, Tunnelling 76 Symposium, London.
[4] orwegian Soil and Rock Engineering Association, 1998, Norwegian TBM tunneling, orwegian Tunnelling Society,Oslo.
[5] The Robbins Company, 1991, Robbins tunnel machine projects, Seattle. [6] Url -1 <http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Tunnel_Boring_ Machine _(
Yucca_Mt).jpg>, alındığı tarih 02.09.2008.
[7] The Robbins Company, 1995, Breakthrough, projects and performance from robbins company, Seattle, USA.
[8] Url -2 <http://www.tunneltrade.com/pictures/ml/210120080519104012-1.jpg>, alındığı tarih 02.09.2008.
[9] Url -3 <http://www.minersadvice.co.uk/images/our_view/mk2_dosco.jpg>, alındığı tarih 02.09.2008.
[10] Pakes., G., 1991. Selection of Methods, World Tunnelling, 4, no:9, ovember. [11] Copur, H., Rostami, J., Özdemir, L., Bilgin, ., 1997. Studies on performance
prediction of roadheaders based on field data in mining and tunnelling projects, 4th Int. Sym. on Mine Mechanization and Automation, Brisbane, Queensland.
[12] Tarkoy, P.,J., 1973. Predicting TBM penetration rates in selected rock types, In Proceedings, inth Canadian Rock Mechanics Symposium, Montreal. [13] Graham, P.,C., 1976. Rock exploration for machine manufacturers. In
Proceedings, Symposium on exploration exploration on rock engineering, johannesburg, 173-180.
[14] Roxborough, F.,F., H., R., Phillips, 1975. Rock excavation by disc cutter, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. And Geomech. Abstr., 12, 361-366.
[15] Farmer, I., W., ., H., Glossop, 1980. Mechanics of disc cutter penetration, Tunnels and Tunneling, 12 (6), 22-25.
[16] Bamford, W., E., 1984. Rock test indices are being successfully correlated with tunnel boring machine performance, In proceedings Fifth Australian Tunnelin Conf., Sdyney, Australia, 218-221.
[18] Bruland, A., Johannessen, B., E., Lislerud, A., Movinkel, T., Myrold, K., Johannessen O., 1988. Hard rock tunnel boring. Project report, Trondheim: orwegian Institute of Technology.
[19] Bilgin, ., Seyrek, T., Shahriar, K., 1998. Goldenhorn clean-up contributes valuable data, Tunnels and Tunnelling, June.
[20] Thuro, K., Plinninger, R.J., 1996. Introducing ‘desctruction work’ as a new rock property of thoughness refering to drillability in conventional drill and blast tunnelling, Eurock 96, Rotterdam.
[21] Bilgin, ., Çopur, H., Balcı, C., Tumaç, D., Akgül, M., Yüksel, A., Kahriman, A., 2007. Kadıköy – Kartal metro tünellerinde kullanıcak tunnel açma makinelerinin (TBM) bazı tasarım parametrelerinin kesme deneyleri ile belirlenmesi ve performans tahmini, Ulaşımda Yeraltı Kazıları 2. Sempozumu Bildiriler Kitabı, 63-71.
[22] Rostami, J., Özdemir, L., eil, D.M., 1994. Performance prediction a key issue in mechenical hard rock mining, Mining Engineer, ovember, 1263–1267.
[23] McFeat,S.,Fowell,R.J, 1977. Correlation of rock properties and the cutting performance of tunneling machines, Proc. Conference on Rock Engineering, The University of ewcastle Upon Tyne, 581-602.
[24] McFeat,S.,Fowell,R.J, 1979. The selection and application of roadheaders for rock tunneling, RETC Proceedings, Atlanta USA, 1/16, 261–279. [25] Url -4 <http://www.mines.edu/academic/mining/research/emi/papers/ seminar/
08_02_machine_performance_assessment_and_costing.pdf>, alındığı tarih 02.09.2008.
[26] Roxborough F., Phillips H.,R. 1975. Rock Excavation by Disc Cutter, International Journal of Rock Mechanics Mining Science and Geomechanics, Vol. 12, 361-366.
[27] Rostami, J., Ozdemir, L., 1993. A new model for performance prediction of hard rock TBMs, RETC Proceedings, 793-809.
[28] J. Rostami, L. Ozdemir, and B. ilsen, 1996. Comparison Between CSM and NTH Hard Rock TBM Performance Prediction Models, ISDT 1996,
LAS VEGAS V.
[29] Lundberg, B., 1974. Penetration of rock by conical indenters, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics, 11, no:6, June, 209-214.
[30] Evans, I., 1984. A theory of the cutting force for point attack picks, International Journal of Mining Engineering, 2, 63-71.
[31] Bilgin, ., Çopur, H., Balcı, C., Feridunoğlu, C., Tumac, D., 2006. Kaya kazı makinalarının (galeri ve tünel açma makineleri gibi) optimum seçiminde kullanılmak üzere taşınabilir bir test cihazının geliştirilmesi, TÜBĐTAK Proje o: MĐSAG-274.
[32] Eskikaya, S., Bilgin, ., Balci, C., Tuncdemir, H., 2005.From research to practice Development of Rapid Excavation Tecnologies,
Underground Space Use : Analysis of the past and Lessons for future, Editors, Erdem & Solak.
[33] Bilgin, ., Demircin, M., A., Çopur, H., Balcı, C., Tuncdemir, H., Akçin, ., 2006. Dominant rock properties effecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoritical results, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 43, 139–156.
ÖZGEÇMĐŞ
Ad Soyad: Osman Cenk FERĐDUNOĞLU
Doğum Yeri ve Tarihi: Đstanbul – 04/06/1977
Adres: Muradiye Mah. Göknar Sk. No:35/10 Beşiktaş IST Lisans Üniversite: Đstanbul Üniversitesi
Yayın Listesi:
Feridunoglu, C., Tumac., D., Bilgin, N., 2006, TBM breakdown causes and effects on tunnelling performance in Tarabya sewerage Tunnel, 4th International Rock Mechanic Symposium.
Bilgin, N., Feridunoglu, C., Tumaç,D., Çınar, M. and Özyol, L. 2006, TBM cutting performance in Istanbul, Tunnels & Tunnelling Interanational.
Tumac, D., Bilgin, N., Feridunoglu, C., Ergin, H., 2006, Estimation of Rock Cuttability from Shore Hardness and Compressive Strength Properties, Rock Mechanics and Rock Engineering.