Bir mikrotünel makinesinin farklı jeolojik ortamlarda kazı performansının araştırılması.
Investigation into excavation performance of a microtunneling machine for different geological formations.
Yazar: AHMET BARIŞ AKKAYA
Danışman: PROF. DR. HANİFİ ÇOPUR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Maden mühendisliği = Mine engineering

Özet:
İstanbul Boğazı'na direk deşarj edilen atık suların kirliliğe neden olmaması için toplanarak arıtma tesislerine aktarılması projesi İstanbul Su ve Kanalizasyon İdaresi Genel Müdürlüğü'nce hayata geçirilmiştir. Bu tez çalışması İstanbul'da 2002 ile 2005 yılları arasında CET İnşaat Ltd. Şti. tarafından kullanılan Herrenknecht AVN1800C mikrotünel makinesi ile açılan projeleri kapsamaktadır. Kurbağalıdere, Bostancı, Küçüksu, Küçükköy, Avcılar, Dudulu, Nakkaşdere, Çırpıcı bölgelerinde mikrotünel makinesinin günlük ilerlemeleri, net kazı hızları, makine kullanım oranları ve itme kuvvetleri; günlük vardiya raporları, makine kayıtları ve saha gözlemleri ile incelenmiş, sondaj raporları, proje dokümanları incelenerek zemin türleri ve özellikleri belirlenmiştir.İnceleme yapılan tüm bölgelerde zemin litolojisinin ağırlıklı olarak kil olduğu belirlenmiştir. Toplam 3.740 metre mikrotünel açılmış, bunun 3.647 metrelik (% 98) kısmı mikrotünel makinesi ile açılmıştır. Mikrotünel makinesi ile ortalama 8,4 m/gün ilerleme sağlanmış, ekskavatör ve delme-patlatma ile açılan yerlerde ortalama 1,03 m/gün ilerleme sağlanmıştır. Rekor günlük ilerleme 27,07 m olmuştur.Mikrotünel makinesi ile net kazı hızı ortalama 1,48 m/saat olmuş, bölgelere göre en yüksek 4,24 m/saat ortalama ile Kurbağalıdere olmuş, diğer bölgeler ortalama 1,12 m/saat ile 1,48 m/saat arasında kalmıştır. En yüksek ortalama net kazı hızı 5,46 m/saat ile killi kumlu zeminde gerçekleşmiş, en düşük ise 0,96 m/saat ile kil-silt ağırlıklı yer yer çakıl ortamında elde edilmiştir.En yüksek makineden faydalanma oranı Nakkaşdere'de kil, kum, organik madde içerikli zeminde % 54, en düşük makineden faydalanma oranı Bostancı'da çakıl-şeyl ortamda % 26 olmuş, projelerin toplam ortalama makineden faydalanma oranı ise % 41 olarak gerçekleşmiştir.Tüm bölgelerde ortalama birim sürtünme kuvveti 3,44 tonf/m, en yüksek birim sürtünme kuvvetleri formasyon bazında da en yüksek Ceylan Formasyonu'nda kil zeminde (Nakkaşdere N3-N4 sürüşü 6,13 tonf/m) ve en düşük Güngören Formasyonu'nda kil zeminde (Çırpıcı MPJ18-MPJ17 sürüşü 0,47 tonf/m) elde edilmiştir. Ayna basınç kuvvetleri 32 ile 93 tonf arasında değişmiştir ve genel ortalama 62±11 tonf olarak bulunmuştur.Boru itme maliyeti, boru ve kuyu imal maliyetleri ve nihayetinde proje maliyetleri hesaplanmış ve bir maliyet analizi yapılarak maliyet unsurlarının yüzdesel dağılımı ortaya konulmuştur. 500 metrelik varsayımsal bir mikrotünel projesinin maliyet dağılımları içinde boru maliyetinin oranı %17, boru itme maliyeti %61 ve kuyu maliyeti %22 olarak hesaplanmıştır.Bazı değişkenlerin (doğal nem içeriği, likit limit, plastik limit, plastisite indeksi, SPT-standard penetrasayon testi değeri ve TCR-toplam karot kazanım oranı) net kazı hızı üzerinde etkisinin belirlenmesi amacıyla çoklu doğrusal regresyon analizleri yapılmıştır. Parametreler arasında en iyi ilişkiyi SPT değerinin 15'in altında olduğu durum vermiştir. SPT değeri arttıkça net kazı hızı azalmaktadır. Net kazı hızının tahmini için 2,5 m çap ve SPT<15 için killi zeminlerde geçerli olan bu modelin doğruluğunu test etmek amacıyla literatürde çamur basınçlı mikrotünel makineleri için verilen net kazı hızı ve SPT değerleri araştırılmıştır, fakat bulunamamıştır.Bazı değişkenlerinin (doğal nem içeriği, likit limit, plastik limit, plastisite indeksi, SPT ve TCR) birim sürtünme kuvveti üzerinde etkisinin belirlenmesi amacıyla regresyon analizleri yapılmıştır. Parametreler arasında en iyi ilişkiyi TCR değeri vermiştir. Bentonit kullanılan sürüş örneklerinin fazla olmaması ve düşük ilişki göstermesinden dolayı bentonit kullanılmayan sürüşler için geçerli olan bir model oluşturulmuştur. Bu modelde TCR arttıkça birim sürtünme kuvveti de artmaktadır. Modelin geçerliliğini sınamak için literatürde bulunan sürtünme kuvvetleri tahmin modelleri ile bu tezde geliştirilen tahmin modelinin sonuçları kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, bu çalışmada geliştirilen modelin güvenirliğinin yüksek olduğu görülmüştür. Ancak belirtilmelidir ki, bu tez kapsamında geliştirilen model 2,5 m çaplı çamur basınçlı mikrotünel açma makineleri için geçerlidir.

Abstract:
Istanbul Waste Water Authority (ISKI) started an important waste water collection and treatment project to obstacle sea water pollution in Bosporus. This thesis study includes microtunneling projects constructed in Istanbul between 2002 and 2005 by CET Inşaat Ltd. Sti. using Herrenknecht AVN1800C microtunneling machine. Daily advance rates, net cutting rates, machine utilization ratios and jacking forces are investigated based on daily shift records, machine data logging records and visual in situ observations in the project sites of Kurbağalıdere, Bostancı, Küçüksu, Küçükköy, Avcılar, Dudulu, Nakkaşdere, and Çırpıcı. Soil types and their properties are defined by analysing the borehole reports and project documents.It is identified that the dominant soil lithology is clay in all project sites investigated. Total driving length of the projects investigated is 3740 m of which 3647 m is excavated by microtunneling and the rest by open trenching. Average daily advance rate is 8,40 m/day for microtunneling and 1,03 for open trenching. The best daily advance rate is 27,05 m/day with microtunneling.Averages of the net excavation rate in all project sites is obtained as 1,48 m/h. The highest average net excavation rate is achieved as4.24 m/h in Kurbağalıdere site and it varies between 1,12 and 1,48 m/h in the other sites. The highest net excavation rate is achieved as 5,46 m/h in sandy clay Lithology, and the lowest net excavation rates are achieved as 0,96 m/h in silty clay lithology including some pebbles.The highest average machine utilization rate is obtained as 54% in Nakkaşdere site in a soil incuding clay, sand and organig soil. The lowest average machine utilization rate is obtained as 26% in Bostancı site in a soil incuding pebbles and shale. Overall average of machine utilization time is achieved as 41%.Average unit frictional jacking force in all Project sites is 3,44 tonf/m. The highest unit frictional jacking force is obtained as 6,13 tonf/m in Nakkaşdere site (between N3 and N4 shafts) in clays of Ceylan Formation. The lowest unit frictional jacking force is obtained as 0,47 tonf/m in Çırpıcı site (between MPJ18 and MPJ17 shafts) in clays of Güngören Formation. Face pressure resistance values vary between 32 and 93 tonf with an average value of 62±11 tonf.The costs of pipe jacking, pipe, and manhole/shaft construction are analysed and the distribution of the cost parameters are found out. Distribution of costs for a 500 m of hypothetical microtunnel includes 17% for pipe, 61% for pipe jacking and 22% for shaft construction.Multiple linear regression anaysis are performed to investigate the effects of some soil related parameters (natural water content, plastic limits, liquid limits, plasticity index, SPT-standard penetration values, and TCR-total core recovery) on net excavation rates. The best relationship is obtained with SPT values being lower than 15. Net excavation rate decreases with increasing SPT value. No data can be found in literature to validate the model, which is valid for slurry microtunnel boring machines with 2,5 m of diameter and SPT values lower than 15.Multiple linear regression anaysis are performed to investigate the effects of some soil related parameters (natural water content, plastic limits, liquid limits, plasticity index, SPT, and TCR) on unit frictional jacking forces. The best relationship is obtained with TCR values. Unit frictional jacking force increases with increasing TCR value. To validate the model, the results of the model found in literature are compared to the results of the model developed in this study. As a result, it seen that the model developed in this study is highly reliable. However, it should be noted that the model is valid for only microtunneling machines with 2,5 m diameter.