Tünel Açma Makineleri ( Tunel Boring Machine)

Tünel Açma Makinelerine Genel Bir Bakış

2 – 12 m arasında değişen çaplarda kazı yapabilecek şekilde tasarlanmışlardır. Bazı özel genişletme makineleri 3 m çaplı pilot kazı deliğini 15 m çaplı hale getirebilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu makinelerin uzunlukları 12 – 25 m arasındadır. TAM 3 ana bölümden oluşur. Kuyruk kısmı, gövde kısmı ve yüz kısmıdır. Kuyruk bölümü; kaplama tesisi için, konveyör tesisi için, platform için gerekli olan kaldırma kollarını içermektedir. Gövde bölümü; operatör çemberi, hidrolik ve elektrikli sistemleri, motorlar, jeneratörler, dişli sistemi ve çalışma platformu gibi üniteleri içermektedir. Kesici kafada değişik formasyonlar için farklı kesici uçlar kullanılmaktadır. Kesici tipte uçlar ve dişler yumuşak tip formasyonların kazılmasında kullanılmaktadır. Disk tipte keskiler tüm kayaç türlerinde ki kazılarda kullanılabilmektedir. Dış gövde, makinenin yapısına göre sayısı 2 – 8 arasında değişen demirleme ayakları taşır. Bu ayaklar kazı esnasında makineyi yerinde tutmakta ve sağ – sol yapmayı ayarlamaktadır. Ayrıca üst tarafında kazılmış olan malzemeyi arkaya nakleden bir bant bulunmaktadır. TAM ‘i üzerinde lazerli yön verme sistemleri; kazı sırasında birçok makine parametresinin izlenmesine olanak veren izleme ve veri transferi sistemleri ile makine performansını otomatik olarak optimize eden PLC sistemleri kullanılmaktadır.

Tünel açma makinelerinin genellikle, metro, otoyol, demiryolu tüneli inşaatları ve maden ocağı galerileri yapımında büyük ölçekli işletmelerce kullanıldığı gözlenmektedir. Türkiye’de bu alanlardaki gelişme ve yatırımlar devam etmektedir.

Tünel Açma Makinelerinin (TAM) ilk uygulamaları ise roadheader ‘lardan sonra olmuştur. 1970 ‘lerden sonra teknolojik gelişmelerin bir sonucu olarak TAM ‘nin performansları senelere bağlı olarak artmaktadır. TAM bugün en sert formasyonlarda bile başarıyla kullanılmaktadır. Basınç dayanımı 2500 kg/cm² olan bir granit formasyonunda, 7 m çapında bir makine günde kolaylıkla 8-9 m ‘lik kazı hızlarına ulaşabilmektedir. 

İngiltere kömür ocaklarında yapılan mukayeseli bir çalışma da, klasik yöntemle açılan bir galerinin maliyetinin tam cepheli bir tünel açma makinesi ile açılan galeri maliyetinin hemen hemen aynısı olduğunu göstermiştir, buna rağmen mekanize kazı hızı 3 misli daha fazla olmuştur.

Tünel Açma Makinelerinde elektrik ve hidrolik donanımların kumanda aletleri operatör mevkiinde toplu halde bulunmaktadır. Makineyi burada idare etmek için bir işçi yeterli olmaktadır. Bu büyük makinelerin yönsel idareleri önceleri çok zordu. Ancak şimdi “Lazer Işınları” sayesinde artık çok büyük uzunluktaki galeri sürülmesinde ve kurba (Dönemeç yada Viraj) olan hallerde bile, santimetrelerle ölçülebilecek kadar büyük bir hassasiyetle yönsel idare mümkün olabilmektedir.

Bugün bir roadheader ‘ın fiyatı kullanılma durumuna, güç ve ağırlığına bağlı olarak 700.000 $ ile 2.000.000 $ arasında, TBM ‘nin fiyatı ise 2.000.000 $ ile 8.000.000 $ arasında değişmektedir.

TBM

İnşaat ve madencilik sektörlerinde, yeraltı yapıları büyük önem taşımaktadır. Özellikle büyük şehirlerde, elektrik, su, kanalizasyon, telefon, doğalgaz ve metro tünelleri gibi yapıların açılması sırasında, çevreye ve yer üstündeki yapılara zarar verilmemesi son derece önemlidir. Bu da seçilecek kazı tekniği ile alakalıdır. TBM ( Tunnel Boring Machine) denilen tünel açma makinaları yatırım maliyeti yüksek olsa da, istenilmeyen yeraltı hareketlerini önleme kabiliyeti, daha sessiz, titreşimsiz ve hızlı çalışması nedeniyle günümüzde tercih edilen kazı makineleri haline gelmiştir. Sert, orta sert, yumuşak ve akıcı formasyonlar için kullanılabilen kafa dizaynları ve keski tipleri, makineyi dengeleme sistemleri, tahkimat sistemleri, çıkarılan pasayı taşıma sistemleri, çeşitli yönlerden farklılıklar göstermektedir. Açılacak yer altı boşluğu boyunca geçilecek formasyonların önceden tespiti, kullanılacak makinenin seçiminde en önemli faktörlerden biri olmaktadır.

Tarihçesi:

İlk tünel açma makinesi Amerika’da Hoosac Tüneli’nde kullanılmıştır. Bu makine daire şeklinde döner bir kesme kafasına sahipti ve keskiler konsantrik daireler çizerek kazı yapacak şekilde dizilmişlerdi. Tutunma mekanizması, itme (baskı) mekanizması ve pasa uzaklaştırma düzenleri vardı. Ancak 1856 yılında yapılan bu makinenin yapısal tasarım şekli, makinenin sert kayaçlarda başarılı olarak çalışabileceği seviyede değildi. Herman Haupt isimli inşaat mühendisi, bu makine ile 3 metrelik bir ilerleme yapmayı başarmıştı. TBM’in esasını oluşturan bu kavram, daha sonra yüz yıl boyunca hiçbir gelişme gerçekleşmemiştir.

1956 yılında James Robbins isimli mühendis, kalem keskiler yerine döner disklerin kullanılma fikrini ortaya atmıştır. Toronto’daki bir uygulamada günde 38m’lik ilerleme gerçekleşmiştir.Bu uygulama TBM’lerin yumuşak ve orta sert kayaçlarda ekonomik olarak kullanılabileceğinin ilk göstergesi olmuştur. Toronto’daki uygulamanın ardından 26 yıl boyunca yine pek bir ilerleme olmamıştır.

1970′lerin sonu ve 1980′li yılların başlarında Amerika ve Avrupa’da birçok üniversite ve araştırma kurumu disk kesicilerin sert kayaçlardaki performansının fizik prensiplerini anlamak üzere çok sayıda araştırma yapmışlardır.

Tünel Açma Makinası Genel Özellikleri

TBM’lerin yapısal özellikleri olarak ;

§  Kesici kafa,

§  İtme silindirleri,

§  Yönlendirme silindirleri,

§  Kilitleme pabuçları(gripper),

§  Kesici kafayı döndüren motorlar,

§  Beton tahkimat elemanlarını yerleştiren erektörler sayılabilir.

TBM arkasında bulunan, back-up sistemler olarak adlandırılan kısımda ise;

§  Hidrolik güç üniteleri,

§  Elektrik trafoları,

§  Tavan civataları için delici,

§  Havalandırma fanları,

§  Pasa nakliyatı için bant konveyörler,

§  Vagonlar bulunmaktadır.

TBM İle Kazınının, Delme Patlatma ile Maliyet Karşılaştırılması

Firmalar bir tünel projesine başlamadan önce işi ne şekilde yapacaklarına dair sınırlayıcı sebepler ve hükümler yok ise maliyet açısından yöntem belirlemek için çalışmalar yapmak zorundadırlar. Bu çalışmaları etkileyen parametreler ve bunların maliyete etkileri aşağıdaki gibidir:

§  Tünel Çapı ve Tünel Uzunluğu,

§  Tünel Açılacak Formasyonun Basınç Dayanımları ve Kazılabilirlik,

§  Çalışma Saatleri,

§  Patlayıcı Madde ile Kazıyı Engelleyen Sebepler,

§  Tünele Uygun Makinelerin Temin Zorlukları (Küçük çaplı tünellerde Del-Pat sonrası ayna pasasının yüklenmesi ve taşınması vb. işler için spesifik makinelerin kolaylıkla bulunamaması gibi),

§  İşin Süresi,

§  Diğer sebepler,

Yukarıda sayılan tüm parametreler hassas bir şekilde değerlendirilerek tünelin hangi yöntemle açılacağına karar verilir. Yukarıdaki parametrelerden en önemlisi ve yöntem belirlemede asıl belirleyici olan tünel çapı ve tünel uzunluğudur.

Yukarıdaki grafikten de görüldüğü üzere örneğin 3 metre kazı çapındaki bir tünel için 5km’den sonra TBM ile tünel kazısı daha ekonomik olmaktadır. Proje bitiş süresi göz önüne alındığında ise tünel açma makineleri ile kazı her zaman avantajlı durumdadır.

Neden TBM ?

§  Kazı hızı oldukça yüksektir,

§  Çalışan işçi sayısı oldukça az olmakta ve işçilik maliyeti düşmektedir,

§  TBM kullanımıyla tünel içinde oluşması mümkün toz miktarı önemli derecede azalmakta ve dolayısıyla işçi sağlığı açısından olumlu bir çalışma ortamı elde etmek mümkün olmaktadır,

§  Patlatmadan kaynaklanan sarsıntı oranı TBM kullanımında söz konusu olmayacağından TBM, şehirleşmenin yaygın olduğu kaya ortamlarında kolaylıkla kullanılabilmekte ve çevre sorunu yaratmamaktadır,

§  Patlatma yapılarak çalışıldığında yeraltı açıklığının çevresinde oluşan gevşeme zonu (zedelenmiş kaya kütlesi zonu), TBM’in kullanılması halinde oldukça sınırlı kalmakta ve dolayısıyla, tünel destek elemanlarına etkiyen yükler de azalmaktadır.

TBM’in Performansı

TBM kullanan firmalar bir tünel projesine başlamadan önce işi ne kadar sürede yapabileceklerini bilmek isterler. Yıllar içerisinde farklı yaklaşımların etkin olduğu performans tahmin metotları geliştirilmiştir.

TBM performansını etkileyen parametreler

Kayaç Karakteristikleri

§  Tek eksenli basınç dayanımı,

§  Kayaç sağlamlığı (kayaç dokusu),

§  Çatlak İndeksi,

Keski Geometrisi

§  Çap,

§  Ağız Genişliği,

TBM Özellikleri

§  Keski başına düşen baskı kuvveti,

§  Keskiler arası mesafe,

§  Güç (tork ve devir sayısı),

TBM’in Sınıflandırılması

Çalışılan zemin şartlarına göre;

§  Single Shield Tünel Açma Makinaları

§  Double Shield Tünel Açma Makinaları

§  Mixed Tünel Açma Makinaları

§  Hard-Rock Tünel Açma Makinaları

§  EPB

§  Slurry

kaynak: E-Berk Makina ve Metalurji

TBM İle Kazınının, Delme Patlatma ile Maliyet Yönünden Karşılaştırılması

Firmalar bir tünel projesine başlamadan önce işi ne şekilde yapacaklanna

dair sınırlayıcı sebepler ve hükümler yok ise maliyet açısından yöntem belirlemek

için çalışmalar yapmak zorundadırlar . bu çalışmaları etkileyen

parametreler ve bunların maliyete etkileri aşağıdaki gibidir;

• Tünel Çapı ve Tünel Uzunluğu

• Tünel Açılacak Formasyonun Basınç dayanımlan ve kazılabilirlik

• Çalışma Saatleri

• Patlayıcı Madde ile Kazıyı Engelleyen Sebepler

• Tünele Uygun Makinelerin Temin Zorluklan ( Küçük çaplı tünellerde

Del-Pat sonrası ayna paşasının yüklenmesi ve taşınması vd işler için spesifik

makinelerin kolaylıkla bulunamaması gibi )

• İşin Süresi

• Diğer sebepler

Yukarıda'sayılan tüm parametreler hassas bir şekilde değerlendirilerek

tünelin hangi yöntemle açılacağına karar verilir yukarıdaki parametrelerden

en önemlisi ve yöntem belirlemede asıl belirleyici olan tünel çapı ve tünel

uzunluğudur. Yapılan karşılaştırmalı maliyet reel analizleri neticesinde tek

tip bir formasyonda ( kireç taşında ) çizilen bir grafik görülmektedir.

TBM ve Delme Patlatma ile kireç taşında tünel açılmasının maliyet

analizi açısından karşılaştırılması

Yukandaki grafikten de görüldüğü üzere örneğin 3 metre kazı çapında

ki bir tünel için 5 km den sonra TBM ile tünel kazısı daha ekonomik

olmaktadır. Proje bitiş süresi göz Önüne alındığında ise tünel açma makineleri

ile kazı her zaman avantajlı durumdadır.

Kaynak: Muammer ÇINAR,Cenk FERİDUNOĞLU,  ''TÜNEL AÇMA MAKİNELERİ (TBM)''