Değişken litolojilerdeki ayrışma/bozulma derecelerinin EBP-TBM'lerin kazı performansı ve maliyetine etkilerinin sayısal analizi ve değerlendirilmesi
Numerical analysis and assessment of the effects of weathering degree in varying lithological conditions on the excavation performance and related costs of EPB TBMs
Yazar: İRFAN SERKAN BİNEN
Danışman: PROF. DR. NURAY TOKGÖZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Bu tez kapsamında Mahmutbey – Mecidiyeköy Metro Projesinde kullanılan 3 farklı EPB TBM'in kazı performans parametreleri (RPM, Tork, Thrust, İlerleme Hızı, Ayna Basıncı, Penetrasyon ve Spesifik Enerji) ile kazı güzergahında yer alan jeolojik birimlerin ayrışma dereceleri (W1, W2-3 ve W3-4) arasındaki ilişkilerin incelenmesi amaçlanmıştır. TBM kazılarından elde edilen yaklaşık 11000 ham veri, proje öncesi yapılan jeoteknik etütler ve projede kazılar sırasında yapılan gözlemlerden elde edilen bilgiler ışığında ayrışma derecesine bağlı olarak gruplandırılmıştır.

Ayrışma derecesinin kazı performansına etkisini belirlemek için regresyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Zemin şartlandırmanın ayrışma derecesi ile beraber kazı performansına etkisi analiz edilmiştir. Ayrışma derecesinin keski tüketimine etkisi de bu tez kapsamında incelenmiştir. Son olarak ayrışma derecesine bağlı olarak proje ekonomisinin gelişimi enflasyon etkisi de dikkate alınarak belirlenmeye çalışılmıştır.

Ayrışma zonlarına bağlı olarak yapılan değerlendirmeler de spesifik enerji [SE] ile Penetrasyon [PR] büyüklükleri arasında kuvvetli ilişkiler saptanmıştır. Ayna stabilitesini temsil etmek üzere kullanılan Net İtme Kuvveti [NTh] ve Ayna Basıncı [EP] oranlarına göre analizler yapılmış ve ayrışma zonlarının etkisi ortaya konmuştur. Zemin şartlandırma parametrelerinin aşırı ayrışmış W3-4 ayrışma zonundaki kazı performansına etkileri detaylı olarak incelenmiş, FIR (%), FER gibi büyüklükler ile kazı verimini temsil eden Spesifik Enerji [SE] arasında r > 70 gibi güçlü korelasyonlar saptanmıştır. TBM'lerin keski tüketimlerine ait veriler derlenmiş ve ayrışma zonlarıyla birlikte değerlendirilerek ayrışma derecesinin keski tüketimi üzerindeki etkileri de ayrıca değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirmelerde keski tüketimi üzerinde ayrışma derecesiyle birlikte ayrışmaya maruz kalan litolojinin de önemli rol oynadığı gözlenmiştir.

Tez kapsamında yer alan, ayrışma zonlarının kazı ekonomisi üzerindeki etkilerinin belirlenmesi amacıyla projeye ait tüm vardiya ve üretim raporları incelenmiştir. Arıza ve duraklama süreleri analiz edilmiştir. TBM'ler için makineden faydalanma oranları saptanmış ve projenin gerçekleşen durumunun bir analizi yapılmıştır. Elde edilen bulgular ile simülasyon çalışmalar gerçekleştirilerek TBM'lerle ilgili olmayan bekleme ve duraklamaların etkisi elimine edilmeye çalışılmıştır. Gerçekleştirilen simülasyon çalışmalarla tünel ilerlemelerinin ve projenin gelişimi her bir ayrışma zonu için ayrıca belirlenmiştir. Projenin mecvut durumda tamamlanma süresi 34 ay iken TBM'lerle ilgili olmayan bekleme ve duraklamalar düşüldüğündeki tamamlanma süresi 28 ay'a gerilemiştir. Ayrışma zonları baz alınarak yapılan analizlerde ise en iyi tamamlanma süresi ve karlılık W2-3 ayrışma zonunda 26 ay tamamlanma süresi ve %23,6 genel karlılık oranı ile elde edilmiştir.

Ayrışmanın ekonomik etkisinin belirlenebilmesi için enflasyon etkisini de dikkate alan bir ekonomik model geliştirilmiştir. Geliştirilen bu ekonomik model içerisine gerçekleşen ve simülasyon olarak elde edilen tünel ilerlemelerin yerleştirilmesiyle projenin ekonomik gelişimi ayrışma zonlarına bağlı olarak saptanabilmiştir. Son olarak, yapılan çalışmalar sonucunda ayrışma zonlarının proje ekonomisi üzerindeki etkileri açıklanmıştır. Enflasyon etkisinin proje tamamlanma süresinin artmasıyla beraber eksponansiyel olarak arttığı ve karlılığı ciddi şekilde etkileyebildiği gözlenmiştir. W2-3 ayrışma zonundaki orta ve az ayrışmış birimler W1 ayrışma zonunda gözlenen sert zemin kaynaklı keski tüketimi gibi problemlerle W3-4 ayrışma zonunda gözlenen stabilite, topaklanma, zemin koşullandırma gibi sorunları barındırmadığından EPB TBM'ler için en uygun kazı koşullarını oluşturmaktadır.

Anahtar kelimeler: Ayrışma Derecesi, EPB TBM, Kazı Performans Büyüklükleri, Regresyon, Zemin Şartlandırma, Kazı Ekonomisi, Enflasyon

Abstract:
In the scope of this thesis study, relations between the weathering degrees (W1, W2-3 and W3-4) of the geological units that reside on the excavation route and the excavation performance parameters (RPM, Torque, Thrust, Advance Rate, Face Pressure, Penetration and Spesific Energy) of 3 different EPB TBMs that were used during the Mecidiyekoy – Mahmutbey Metro Project have been investigated. Aproximately 11000 raw data which were obtained from TBM's, have been classified depending on their weathering degrees which were assigned according to the information obtained from the preliminary geotechnical studies and observations made during the project.

In order to determine the effect of weathering degree on excavation performance, regression analyses have been performed. Influence of ground conditioning were analyzed with weathering degrees. Effect of weathering on cutter consumption were also investigated in the scope of the thesis study. Lastly, development of the project economy including the effect of inflation has been evaluated in accordance with the weathering degrees.

Evaluations made considering weathering degrees have shown that there are strong correlations between  Spesific Energy [SE] and Penetration [PR]. Analyses were made in regard of Net Thrust [NTh] and Face Pressure [EP] ratios which were used to represent face stability conditions, and the effects of weathering were presented. Influence of ground conditioning parameters on the excavation performance during the excavations of excessively weathered W3-4 weathering zones has been investigated in detail and strong correlations such as r > 70 were obtained between ground conditioning parameters FIR (%), FER and Spesifik Energy [SE] which represents the excavation efficiency. Also, cutter consumption data of TBMs were put together and evalatuated according to the weathering zones, thus it was possible to determine the effects of weathering on the cutter consumption, seperately. According to the evaluations, it was observed that along with the degree of weathering, lithology of the units which were exposed to weathering also plays an important role on cutter consumption.

In the scope of this thesis study, in order to determine the effects of weathering zones on the Project economy, all of the shift and production records and logs have been examined. Stoppage and fault times were analyzed. Utulization values of the TBMs were determined and the realized state of the Project has been analyzed. It was aimed to eliminate the influence of stoppage and fault times which were not directly related with the TBMs by carrying out simulation studies according to the findings obtained from the realized state analysis of the Project. With the help of simulation studies, tunnel advance and Project development were determined for each different weathering zone. While the total completion time of the Project was 34 months, simulations show that eliminating the stoppage times which are not directly related with the TBMs reduces the completion time to 28 months. Through the analyses based on zones with different weathering degrees, best completion time and profitability values were obtained for W2-3 weathering zone with 26 months of completion time and 23.6% overall profitability.

An economical model including the effect of inflation were later developed to find out the economical impact of weathering. Therefore, it was possible to obtain the economical development of the Project according to each weathering zone by implementing the realized and simulated tunnel advances into the developed economical model. Finally, effects of each weathering zone on the Project economy were explained. Enflasyon etkisinin proje tamamlanma süresinin artmasıyla beraber arttığı ve karlılığı ciddi şekilde etkileyebildiği gözlenmiştir. W2-3 ayrışma zonundaki orta ve az ayrışmış birimler W1 ayrışma zonunda gözlenen sert zemin kaynaklı keski tüketimi gibi problemlerle W3-4 ayrışma zonunda gözlenen stabilite, topaklanma, zemin koşullandırma gibi sorunları barındırmadığından EPB TBM'ler için en uygun kazı koşullarını oluşturmaktadır. It was observed that the effect of inflation rate exponentially increases with the increasing Project completion time and may affect the overall profitability of the Project drastically. Since slightly or moderately weathered units of W2-3 weathering zone do not posses any of the hard rock related problems observed in W1 weathering zone such as cutter consumption and face stability issues, clogging, ground conditioning problems observed in W3-4 weathering zone, W2-3 weathering zone has found to be the most favourable for EPB TBMs.

Keywords: Weathering Degree, EPB TBM, Excavation Performance Parameters, Regression, Ground Conditioning, Project Economy, Inflation