Belpınar tünelinde jeolojik ve geoteknik faktörlerin tünel açma makinesi performansına etkisi

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, geçmişşten 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.