Belpınar tünelinde jeolojik ve geoteknik faktörlerin tünel açma makinesi performansına etkisi
The effect of geological and geotechnical factors in Belpinar tunnels on tunnel boring machine performance
Yazar: MUSTAFA SAKALLI
Danışman: DOÇ. DR. İSMAİL HAKKI AKSOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Performans = Performance ; Peridotit = Peridotite ; Serpantinit = Serpentinite ; Tünel açma makineleri = Tunnel boring machinery

Özet:
Yapılan bu çalışma ile Belpınar Tüneli'nde tünel açma makinası ile inşaatın yapılması sırasında karşılaşılan zemin özelliklerinin tünel açma makinası performansına etkisinin ortaya konması amaçlanmıştır. Tünel kazısının tamamen ultrabazik karakterli kayaçlardan peridotit ve serpantinitler içerisinde yapılacak olması sebebiyle, güzergah boyunca geçilen formasyonların ayrımı yapılarak, bu bölgelerde tünel açma makinası kazı parametrelerinin nasıl değiştiği gözlenmiştir.
Genel olarak tünel açma yöntemleri ve uygulama alanları hakkında özet bilgi verilmiş, geçmişten günümüze gerek konvansiyonel gerekse makina ile tünel inşaatı konusunda gelişmelerin nasıl olduğu ile ilgili süreç açıklanmaya çalışılmıştır. Ayrıca günümüzde tünellerin inşaatında başarı ile kullanılan tünel açma makinası tipleri ve hangi durumlarda hangi tipin kullanıldığı ile ilgili özet bilgiler sunularak, Belpınar Tüneli'nde seçilen tünel açma makinası tipin uygunluğunun sorgulanması amaçlanmıştır.
Belpınar Tüneli inşaatını yapmak için kapalı mod tip bir makina olan "Pasa Basınç Dengeli Tünel Açma Makinası" seçilmiştir. Seçilen makinanın kazı çapı 6,82 m'dir. Kesici kafa üzerinde 4'ü çiftli 39'u tekli olmak üzere 43 adet kesici disk bulunmaktadır ve bu disklerin çapı 432 mm'dir. Makina üzerindeki kesici kafanın maksimum dönme hızı 3,5 rpm ve maksimum torku 8,307 kNM'dir. Makina üzerinde ileriye doğru hareketi sağlayan 32 adet itme silindiri bulunmaktadır ve bu silindirlerin toplam itme kuvveti 48.657 kN'dur. Makinanın toplam gücü 2.785 kW'tır. 
Belpınar Tüneli'nde uygulanan kazı tekniğinde, tünel açma makinası ile yapılan kazıdan çıkan pasa malzemesi lokomotif ve 6 vagondan oluşan katar sistemi ile tünel dışına alınmaktadır. Kazıdan sonra erektör denen vakumlu kaldırma tertibatı ile segmentlerin montajı yapılmakta ve pasa malzemesini tünel dışına çıkaran katar sisteminin geri dönüşünde tünel içine alınan enjeksiyon malzemesi, segmentlerle kazı çeperi arasındaki boşluğun doldurulması için enjeksiyon malzemesini getirmektedir. Bir yandan bir sonraki ringin kazısı yapılırken diğer yandan montajı tamamlanan ringin enjeksiyonu yapılmaktadır. 
Tünel kazı ve segment kaplama imalatları toplamda 675 gün sürmüştür. Çalışmalar sırasında hidromotor arızasından dolayı 27 gün, bakım onarım çalışmaları için 2 gün, lokomotif arızaları için 6 gün, sıkışan tünel açma makinasınn kurtarılması için 17 gün, hat uzun olduğu için işi hızlandırmak amacıyla yapılan makas kurulumu için 13 gün, vidalı konveyör helezonunda oluşan aşınmaların tamiri için 17 gün, tünele giren ince daneli zeminlerin oluşturduğu olumsuz ortam koşullarını iyileştirmek için 4 gün, kesici disklerin değişimi için 2 gün, ilave enjeksiyon işleri için 2 gün, bölgeden kaynaklı elektrik kesintilerinden dolayı 14 gün ve resmi tatillerden kaynaklı 24 gün olmak üzre toplamda 128 gün boyunca kazı ve segment kaplama çalışmaları yapılamamıştır. Böylece genel olarak 8,07 m/gün'lük bir hız ve çalışmayan günler hesaba dahil edilmediğinde de 9,96 m/gün'lük bir hızla çalışmalar tamamlanabilmiştir. 
Tünel kazı çalışmaları sırasında serpantinitlerin peridotitlerden %3 oranında daha kolay kazılabildiği ve belirli miktarda tünel aynasından su gelirinin kazı hızına olumlu etkisinin oluğu tespit edilmiştir. Ancak kırıklı çok çatlaklı peridotit biriminde su gelirinin fazla olması ve bazı bölümlerde aynadaki yüksek su basıncı kazı hızını olumsuz olarak etkilemiştir. Kazı hızı, yarı hidrotermal metamorfizmaya uğramış kayaç olan peridotit-serpantinit birimlerde su gelirinin olduğu durumlarda en düşük seviyede olmuştur. Bunun en önemli sebebi suya birlikte yarı hidrotermal metamorfizmaya uğramış kayacın çamur haline gelerek kesici diskleri kilitlenmesine sebep olmasıdır.
Jeolojik ve geoteknik faktörlerin tünel açma makinası performans parametrelerine etkisinin açıklayabilmek adına, her bir ring (1,40 m) için makinanın itme kuvveti, torku, kesici kafa dönüş hızı ve ilerleme hızı değerleri kayıt altına alınmıştır. Toplamda 3.893 adet ring için bu veriler bilgisayar ortamına aktarılmış, ortalama ve standart sapma değerleri elde edilmiştir. Yine bu değerlerden itme kuvvetinin torka oranı (1/m), ortalama penetrasyon ve spesifik enerji değerleri hesap edilmiştir. Bu hesaplamalara göre güzergah boyunca yapılan kazı çalışmalarından elde edilen itme kuvveti / tork oranının 1,53-2,50 1/m arası değiştiği tespit edilmiştir. Bu değerin düşük çıkması güzergah üzerindeki kayaçların basınç/çekme dayanım oranlarının (3,80-4,10) düşük olması ile açıklanmaktadır. Basınç dayanımı 77 MPa olan peridotit birimlerde, makina üzerinden elde edilen itme kuvvetinin, basınç dayanımı 39 MPa olan serpantinit birimlerden %22 daha fazla olduğu tespit edilmiş, su peridotit birimlerde itme indeksini %33 azaltırken serpantinit birimlerde %12 oranında azaltmıştır.
Sonuç olarak, hazırlanan bu çalışmada, 6,82 m kazı çapına sahip, pasa basınç dengeli tünel açma makinası ile yeraltı suyu altında, tamamen ultrabazik karakterli kayaçlar olan peridotit ve serpantinit birimler içerisinde tünel açılması durumunda, 9,90 m/gün ile imalatların yapılabildiği görülmüştür. Tünelin yeraltı suyu seviyesi altında açılmış olması ve güzergah üzerinde yarı hidrotermal metamorfizmaya uğramış peridotit-serpantinit birimlerin olduğu bölgelerde, tünele çok fazla miktarda suyla birlikte ince daneli zeminlerin girmesi seçilen makina tipinin doğruluğunu teyit etmiştir. Güzergahın genel olarak ofiyolit birimlerden oluşması sebebiyle bazı bölümlerde lokal olarak diyabaz dayklarının varlığı tespit edilmiş, tünel aynasının tamamen diyabazlardan oluştuğu bir bölümde, disklerin çok hızlı bir şekilde aşındığı ve bunun sonucunda da tünel açma makinasının sıkıştığı görülmüştür. Bu durum ofiyolit birimlerde yapılan makinalı kazılarda disk kontrolünün mümkün olduğunca sık yapılması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Ayrıca ilerde benzer özellik gösteren projelerde, planlamanın daha doğru yapılmasında ve bir takım risklerin daha doğru öngörülmesinde faydalı olması amacı ile bu tez çalışması yapılmıştır.

Abstract:
This study focuses on how the performance of the TBM was affected by geological and geotechnical factors encountered during the construction phase of the belpinar tunnel. Data collected from the laboratory results of samples taken from the probe drilling and similar data from works previously done have been compared to each other.
This thesis includes the historical development of the TBM methods and other methods used in the Belpinar Tunnel for general information purposes. The historical development of conventional tunneling methods and tunneling methods with machines have been tried to be illustrated with examples. After the general information on the methods and such this thesis will give information regarding the necessity and purpose of the Belpinar Tunnel, how its tunneling method was chosen and general information the selected machine type.
The tunnel course consists mainly of ophiolite entities. In order to better determine the geological and geotechnical factors throughout the tunnel course 6 probe drillings were carried out before the tunnel excavation and the installation of the permanent rings. According to the data collected from the probe drillings, the entire tunnel course is below the ground water table level and consists fully of peridotite and 
serpentinite which are ultrabasic rocks. Samples taken from the probe drillings were analyzed in the laboratory and according to the results of the analysis the rocks have a density ranging from 2,50 gr/cm³ to 2,78 gr/cm³. Furthermore, tensile and compressive strength tests were carried out on the samples and it was determined that peridotite formations have an average compressive strength of 77 MPa and an average tensile strength of 18,70 MPa while serpentinite formations have an average compressive strength of 39 MPa and an average tensile strength of 10,3 MPa. It was determined that the compressive strength to tensile strength ratio is ranged 3,80-4,10 throughout the whole tunnel course.
In order to construct the Belpinar tunnel, a closed mode type machine called "Earth Pressure Balance TBM" was selected. The excavation diameter of the selected machine is 6,82m. The Cutterhead consists of 4 double disk cutters and 39 single disk cutters which all have a diameter of 432 mm. The Cutterhead has a maximum rotation velocity of 3,5 rpm while the maximum torque is 8,307 kNm. The forward movement of the machine is achieved through 32 hydraulic thrust cylinders that have a total thrust force of 48,657 kN. The total power of the machine is 2,785 kW.
The excavation method used in the Belpinar Tunnel was to use a railway system that consisted of a locomotive and 6 wagons that carried the excavated material from the TBM to the outside. After the excavation, a vacuum lifting device is used to install the segments. The railway system used to move away the excavation material is also used in delivering injection materials which will be used to fill the possible blank space between the segment and the excavation radius. The injection for the installed ring is carried out while the excavation for the next ring is continuing.
The excavation and installation of the segments was done in a total of 675 days. During the construction phase a total of 128 days were determined to be days without excavation or installation of segments. The time spent without excavation or installation of rings and their reason(s) are as follows; 27 days loss due to breakdown of the hydro engine, 2 days due to maintenance, 6 days due to breakdown repairs on the locomotive, 17 days were lost while trying to free the entrapped TBM, due to the reason that the tunnel became too long to travel and in order to shorten the time losses a cross for the railway was built and thus resulting in a 13 days loss, 17 days were lost in maintaining the wear and tear at the helix conveyor, 4 days were lost due to trying to improve the unfavorable conditions which occurred due to the fine grained soil that entered the tunnel, 2 days were lost due to the changing the cutter disks, 2 days were lost due to extra injection works, 14 days were lost due to the local electrical network shutdowns and 24 days due to official holidays. Therefore, including the days in which no excavation was carried out an excavation speed of 8.07 m/day was recorded while excluding the non-working days an excavation speed of 9.96 m/day can be determined. 
As can be seen in the results of the probe drillings the whole excavation process took place inside peridotite and serpentinite which are ultrabasic rocks. The formation at the beginning of the excavation for the TBM was in general solid with a few cracks and joints, the water intake into the tunnel was measured to be maximum 6 lt/sec and the formation had a few small areas in which diabase dikes were cut through. In the continuing phases of the excavation the peridotite formations showed more cracks and joints and the water intake into the tunnel was changing between 6 lt/sec to 210 lt/sec. In formations of peridotite with a lot of cracks it was determined that the water pressure at the excavation face went up to 4 bar and also the water intake in these areas increased up to 430 lt/sec. Besides the cracked peridotite formations, the tunnel course also went through hydrothermally metamorphosed peridotite-serpentinite formations. Excavation in these type of formations determined that in some areas there was no water intake into the tunnel while in some other areas the water intake was 6-210 lt/sec. Peridotite and serpentinite followed by serpentinite units which are metamorphic rocks. In these type of formations the water intake was determined to be 0-30 lt/sec in some areas.
During the excavation, it was determined that serpentinite formations were %3 easier to excavate than peridotite formations and a certain amount of water entering the tunnel resulted in an increase in excavation speed. However, the excavation speed was effected negatively in faulted/cracked peridotite formations due to high water intake and high water pressure at the excavation face. The lowest excavation speed was recorded when there was a water intake in half hydrothermally metamorphosed peridotite-serpentinite formations. The main reason for the decrease in speed was because with the water intake half hydrothermally metamorphosed peridotite-serpentinite rocks became muck which blocked the cutter disks.
Most of the mechanical Break downs during the construction phase were recorded in peridotite-serpentinite formations and in situations where there was a water intake into the tunnel. This can be seen as one of the reasons as to why the excavation speed was low in these type of situations. As was expected the cutter disk changes were the most in peridotite formations because they have a higher hardness and wear and tear effect. It was observed that in peridotite-serpentinite formations had the most intake in fine-grained soil with water. Due to this reason the tunnel was constantly cleaned in order to improve the unfavorable working conditions and continue work.
In order to determine the effects of geological and geotechnical factors on the TBM performance, the thrust force of the machine, torque, the rotation velocity and advancement speed of the cutter head have been recorded for each ring (1.40m). Data for a total number of 3.893 rings have been recorded in a digital format and their average and standard deviation have been calculated. Also, with the data for the rings, the thrust force and torque ratio, average penetration and specific energy values have been calculated. According to these calculations, the thrust force / torque ratio was ranged as 1.53-2.50 1/m. The reason why this value is this low can be explained with the fact that the compressive and tensile strength of the rocks are low (3.80 - 4.10). Peridotite formations with a 77 MPa compressive strength had a 22 % higher thrust force achieved from the machine than serpentinite formations which had a compressive strength of 39 MPa. Also, it was determined that water in peridotite formations lowered the thrust index by 33% while it was lowered in serpentinite formations only by 12 %. 
In Conclusion, this study shows that if an EPB type TBM with an excavation diameter of 6.82m used in ultrabasic rocks such as peridotite and serpentinite and below the ground water table, can achieve a working speed of 9.90 m/day. The tunnel being below the ground water table and in areas where there are half hydrothermally metamorphosed peridotite-serpentinite formations experienced a high intake of water and fine grained soil thus conforming that this type of TBM was chosen correctly. Due to the reason that the tunnel course mainly consisted of ophiolite formations, in some areas diabase dikes were located and in areas where the excavation face was completely made out of diabase dikes cutter disks experienced a much faster wear and tear effect which in return resulted in the TBM getting stuck. This situation shows that TBM's used in ophiolite formations need their cutter disks to be checked as much as possible. This study was done in order to make a more correct plan and in order to better foresee some of the risks in similar projects in the future.