Taşınabilir doğrusal kazı deney seti kullanılarak TBM performans tahmin modeli geliştirilmesi
Development TBM performance prediction model by using portable linear rock cutting machine
Yazar: RAMAZAN ÇOMAKLI
Danışman: DOÇ. DR. CEMAL BALCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Maden mühendisliği = Mine engineering

Özet:
Kayaç kazılabilirlik özelliklerinin belirlenmesinde yaygın bir şekilde kullanılan ve gerçeğe yakın sonuçlar veren tam boyutlu kazı deney seti (LCM) yerine daha pratik ve hızlı sonuçlar elde edilebilecek yeni bir deney setinin geliştirilmesi ve bu deney seti kullanılarak TBM performans tahmin modeli geliştirilmesi bu doktora tezinin amacını oluşturmaktadır. Mekanize kazı yöntemlerinin kullanım alanlarının göz önüne alınması yeni deney setinin geliştirilmesinin ne kadar önemli olduğunun anlaşılmasına yardımcı olacaktır.
Dünyada ve ülkemizde madencilik ve inşaat alanlarında mekanize kazıcıların kullanımı artarak devam etmektedir. Klasik kazı işlemlerinin yapıldığı projelere oranla mekanize kazı işleminin yapıldığı projelerde çalışmalar daha ekonomik olarak yapılsa da, özellikle ilk yatırım maliyeti mekanize kazı projelerinde çok daha fazladır. Bu nedenle bu projelerde; özellikle mekanize kazıcı ve uygun keski seçimi, kesici kafa dizaynı ve kazı performans tahmini gibi parametrelerin proje başlamadan önce doğru şekilde yapılması çok önemlidir. Proje başlamadan önce yapılacak doğru seçimler ve tahminler proje maliyeti açısından büyük önem taşımaktadır. Tüm bu önemli parametrelerin doğru belirlenmesinde en doğru sonuçlar ise öncelikle kayaç kazılabilirlik özelliklerinin doğru şekilde tanımlanmasıyla mümkün olmaktadır. 
Kayaç kazılabilirliğinin en gerçekçi tahmini, laboratuvar kesme deneyleri ile yapılabilmektedir ve günümüzde uluslararası alanda kabul görmüş kesme deney setleri; tam boyutlu doğrusal (LCM) ve küçük boyutlu doğrusal kazı setleridir (SLCM). Bu deney setleri dünyada sadece birkaç laboratuvarda bulunmaktadır. Bu laboratuvarlardan birisi de İTÜ Maden Mühendisliği Bölümü Kazı Teknolojileri Laboratuvarıdır. Bu laboratuvarda hem büyük boyutlu hem de küçük boyutlu kazı deney setleri kullanılarak birçok proje yapılmış ve bu esnada her iki deney setinin de eksiklikleri ve dezavantajları gözlemlenmiştir. Bu deney setlerinin başlıca dezavantajları; öncelikle her iki deney setinin kullanımında tecrübeli insan gücüne ihtiyaç olmasıdır. Bununla birlikte büyük boyutlu doğrusal kesme deneylerinde büyük blok numuneler gerekmekte ve bu bakımdan büyük blok numunelerin elde edilmesi ve laboratuvar ortamına taşınması bir hayli güç olmaktadır. Küçük boyutlu kesme deneylerinde ise kesme deneyleri blok numuneler dışında karot numuneler üzerinde yapılabilmekte ve bu bir avantaj olarak görülebilmektedir. Küçük boyutlu kesme deneylerinde de sadece indeks kama uçlu keskiler kullanılabilmekte ve dolayısıyla bu deney yöntemi her mekanize kazıcı tasarımı veya performans tahmini için kullanılamamaktadır.
Her iki deney setinin bahsedilen bu dezavantajları göz önüne alınarak bu doktora tez çalışması sonucunda diğer deney setlerinde gözlemlenen dezavantajları minimize edecek yeni bir taşınabilir doğrusal kaya kazı deney seti (PLCM) geliştirilmiştir. Bu deney seti geliştirilirken 5 farklı kayaç numunesi (kireçtaşı, bej mermer, küfeki kireçtaşı, traverten ve kumtaşı) üzerinde hem tam boyutlu kazı deney setinde (LCM) hem de yeni geliştirilen deney setinde (PLCM) kaya kesme deneyleri yapılmıştır. LCM kaya kesme deneylerinde 432 mm çaplı (432 mm çaplı) CCS tip disk keski kullanılarak 1 x 0.8 x 0.6 m boyutlarındaki her bir kayaç numunesi üzerinde en az üç farklı kesme derinliği ve belirlenen bir keskiler arası mesafe değerinde yardımsız ve yardımlı kaya kesme deneyleri yapılmıştır. Aynı kayaç numuneleri üzerinde yapılan PLCM kaya kesme deneylerinde ise 20 x 14 x 10 cm boyutlarında küçük blok numuneler üzerinde 1, 3 ve 5 mm kesme derinliği ve 20 mm keskiler arası mesafe değeri belirlenerek kaya kesme deneyleri yapılmıştır. Yapılan PLCM kaya kesme deneylerinde sadece bej mermer numunesi üzerinde 3 farklı CCS ve 1 V tip olmak üzere 4 farklı 144 mm disk çapına sahip mini disk keskiler kullanılmış ancak diğer numuneler için 1 CCS ve 1 V tip olmak üzere 2 farklı mini disk keski kullanılmıştır. 
Yapılan LCM ve PLCM deneylerinden sonra her iki kaya kesme deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Yapılan bu karşılaştırmalar sonucunda kayaç ve değişen keski özellikleri göz önüne alındığında her iki deney seti arasında bir ilişkinin var olduğu ortaya çıkmıştır. Kayaç özelliklerine bağlı olarak LCM ve PLCM deney setleri arasında geçiş sağlanabilmesi için de kayaçların tek eksenli ve dolaylı çekme dayanımları ile LCM ve PLCM deney sonuçları karşılaştırılmıştır. 
Daha sonra LCM ve PLCM deney sonuçları kullanılarak belirlenen bir tünel açma makinesi (TBM) için TBM performans parametreleri (itme kuvveti, tork, kesici kafa gücü, net kazı miktarı) tahmin edilmiştir.  LCM ve PLCM deney sonuçları kullanılarak yapılan performans tahminleri karşılaştırılmış ve iki deney sonuçları arasında anlamlı bir ilişki bulunmuştur. Bunun yanında PLCM deney sonuçları CCS tip ve V tip disk keskiler için geliştirilen teorik modellerden elde edilen sonuçlarla da karşılaştırılarak teorik ve laboratuvar sonuçları arasında anlamlı bir ilişki elde edilmiştir.
Sonraki aşamada Üsküdar – Ümraniye – Çekmeköy metro hattı kazı çalışmaları sırasında tünelden küçük blok numuneler (kireçtaşı, çamurtaşı, konglomera, diyabaz ve altere kireçtaşı) alınmıştır. Alınan bu kayaçlardan öncelikle karot numuneler hazırlanarak fiziksel mekanik deneyler yapılmıştır. Daha sonra araziden alınan bu kayaçlardan küçük blok numuneler hazırlanarak PLCM kaya kesme deneyleri yapılmıştır. Yapılan bu deneyler sonucunda elde edilen veriler kullanılarak tünel kazısında kullanılan makinenin (TBM) performansı tahmin edilmiş ve elde edilen sonuçlar makinenin arazi verileriyle karşılaştırılmıştır. Yapılan bu karşılaştırma sonucunda her bir kayaç numunesi için deneysel sonuçlardan TBM arazi sonuçlarına geçiş için model geliştirilmiştir. 
Tüm bu çalışmalar sonucunda LCM kaya kesme deneyleri yerine, kullanımı daha pratik ve daha hızlı sonuçların elde edilebileceği yeni geliştirilen taşınabilir doğrusal kazı deney setinin (PLCM) belirli düzeltme katsayılarıyla normalize edildikten sonra kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. PLCM deney setinden elde edilen sonuçlar kullanılırken bu deney setinde kullanılan disk keskilerin mini boyutlarda olmasından kaynaklı bir geçiş katsayısının belirlenmesi ve sonuçların bu katsayıyla normalize edilmesi gerekmektedir. Söz konusu geçiş katsayısı bu çalışma sonunda elde edilen verilerle ilerde PLCM deney seti kullanılarak yapılacak farklı kaya kesme deney sonuçları birleştirilerek belirlenmelidir.

Abstract:
Many factors such as environmental and market conditions are forcing civil or mining companies to be more profitable and competitive. These companies aim to complete more projects in a short time or they want to increase productivity. One way of to do this is to use mechanized excavators. For these reasons the application of mechanical excavators for rock excavation in both civil construction and mining engineering fields has increased significantly in recent years.
Proper machine and cutter selection, cutter head design and performance prediction for mechanized excavators such as tunnel boring machines (TBM) or roadheaders are the most important parameters for a mechanized tunneling or mining project. The most used machine design parameters are cutter layouts, cutting power of the machine, torque and thrust. Besides, the performance prediction of machines can be done by predicting cutting parameters from physical and mechanical properties of rocks. 
Full and small scale linear cutting tests are widely used for the prediction of excavation performance. In addition of these University of Trondheim model is widely used for the performance prediction of tunnel boring machines. 
The small scale cutting test for rock was developed to cut core samples by a standard chisel tool for predicting performance of roadheaders. Small scale rock cutting machine (SLCM) tests have some advantages such that it doesn't require large block samples however this test method have lots of disadvantages. The basic disadvantage of this test method is using an index cutter instead of a real life cutter and disc cutters cannot be used in this method. In addition, the database is based only on the field performance of light and medium weight Dosco roadheaders used in coal mines in England.
The full-scale linear cutting machine (LCM) tests are widely used on large rock samples having size of (1 x 0.8 x 0.6 m) is cut in the laboratory with a real-life cutter. Orthogonal forces (rolling force, normal force, sideways force) acting on the cutter are measured with a data logger with different cutter spacing and depth of cut. Specific energy values are determined using rolling force values.  The production rate of a mechanical miner is calculated based on the optimum specific energy or using a computer model/simulation requiring forces acting on the cutters. The basic disadvantage of the full-scale rock-cutting test is that it requires large blocks of rock samples, which are usually difficult, too expensive, or sometimes impossible to obtain.
However LCM and SLCM test methods have some disadvantages and for this reason a new portable linear cutting machine (PLCM) (prototype) was developed in Mining Engineering Department of Istanbul Technical University after evaluating disadvantages of LCM and SLCM test methods. After carrying out some researches by using PLCM, it was shown that PLCM could be used for the performance prediction of mechanical excavators. However, prototype portable linear cutting machine had some disadvantages such as the cutter spacing could not to be changed, mini CCS type disc cutters could not be used in this machine and it was not suitable for cutting tests on hard rock due to low power of the machine. For these reasons in this study a new portable linear rock cutting (PLCM©) machine was developed in the Mining Engineering Department of Istanbul Technical University and financially supported by The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK-112M859). 
This machine minimized disadvantages of other linear cutting tests and it was designed such as a mini full scale linear cutting machines. This new machine does not requires too much manpower or large blocks of rock samples and it can also be used for cutting small core samples or small block samples by a real-life mini scaled conical and disc cutters. In addition, PLCM tests are cheaper than LCM tests and the rock cutting tests results can be obtained in a short period of time. 
The newly developed portable linear cutting machine has many advantages but the accuracy of PLCM test results should be checked. The PLCM test results can be checked by comparing to LCM test results and mechanical excavators' field data. In this study, these comparisons were performed and investigated to understand the usage of the new portable linear rock cutting machine for the performance prediction of mechanical excavators.
In the first part of this study relieved and unrelieved linear rock cutting tests are performed with the newly developed portable and the full scale linear cutting machines. For PLCM tests two mini disc cutters (one CCS and one V type disc) are used. Mini CCS and V type disc cutters have 144 mm (5.7 inch) disc diameters and they have 5 and 0.7 mm tip width respectively. For LCM tests one CCS type disc cutter having 432 mm çaplı (17 inch) disc diameter and 18 mm tip width is used. Five different rock samples (beige marble, sandstone, limestone, kufeki limestone and travertine) are selected for rock cutting tests (PLCM, LCM) and the cutting tests are performed on different cutting depths and cutter spacing values. Orthogonal forces (normal, rolling and side) acting on a disc cutter are measured and specific energy values were determined for PLCM and LCM tests and the relationships between cutting depth and cutter forces for unrelieved and relieved PLCM and LCM rock cutting tests and relationships between s/d ratio and cutter forces for relieved PLCM and LCM rock cutting tests were evaluated and then PLCM and LCM test results compared for each rock sample and a good relationship was obtained between LCM and PLCM test results. In order to develop a better model by using PLCM, the comparison of experimental and theoretical results should be extended with more rock samples.
In the second part of this study, theoretical cutting forces in cutting five different rock samples (beige marble, sandstone, limestone, kufeki limestone and travertine) with mini CCS and V-type disc cutters were calculated by using the theories defined by Rostami and Ozdemir (1993) and Roxborough (1975), respectively. Then experimental PLCM tests results were compared with the theoretical models and these comparisons showed that the relationships between experimental and theoretical results were strong for normal and rolling forces.
Then TBM performance parameters were estimated for a selected tunnel boring machine using the LCM and PLCM test results respectively. The estimated performance parameters were compared for the LCM and PLCM test results and these comparisons showed that the relationships between the LCM and PLCM are strong for TBM trust force, torque, power and instantaneous cutting rate (ICR).
In the next part of this study, five different rock samples were obtained from Uskudar – Umraniye – Cekmekoy subway tunnel project in Istanbul. First, physical and mechanical property tests performed on these rock samples.  All experiments (uniaxial compressive and Brazilian tensile strength, P and S velocity test, Young modulus, Schmidt hammer, Shore scleroscope tests) done according to ISRM and ASTM methods. Then, relieved and unrelieved linear rock cutting tests are performed with PLCM. For PLCM tests, two mini disc cutters (one CCS and one V type disc) have 144 disc diameter are used. TBM performance parameters were estimated by using PLCM test results and estimated performance parameters compared to the TBM field data but the relationship between PLCM laboratory results and field data was not strong.
In conclusion, the results of the study indicate that PLCM test method can be used for the selection of proper mechanical excavator and prediction of its performance parameters. However PLCM test results should be used with a correction factor that can be determined based on rock physical and mechanical properties. In addition, in order to develop a better model for PLCM, the comparison of laboratory results and field data should be extended with more rock samples.