Bir projede kullanılacak tünel kazma makinesi seçilirken dikkate alınması gereken faktörler nelerdir?

Tünel Delme Makinesi Seçimini Etkileyen Jeolojik ve Geoteknik Koşullar

Zeminin, kaya yapısının ve yer altı kararlılığının değerlendirilmesi

Tünel Açma Makineleri (TAM), verimli çalışabilmek için hassas jeolojik uyumluluğa ihtiyaç duyar. Bir 2023 çalışmasında Scientific Reports tAM'ların durma sürelerinin %70'inin özellikle karışık zemin ortamlarında jeolojik uyumsuzluktan kaynaklandığı bulunmuştur. Temel hususlar şunlardır:

• Aşındırıcı kaya tabakaları yumuşak zeminlere kıyasla kesici başlığın 3 kat daha hızlı aşınmasına neden olur
• Killi formasyonlar makinenin durmasını önlemek için artırılmış tork kapasitesi gerektirir
• Kırık zonlar çökmeleri önlemek için zorlu gerçek zamanlı yer destek ayarlamaları

Yeraltı suyu basıncının ve fay hatlarının değerlendirilmesi

5 bardan fazla olan yeraltı suyu basıncı tünel bütünlüğünü tehlikeye atabilir, buna karşılık fay hatları çökme riskini %40 artırır. Modern TBM'ler şunları entegre eder:

• Ani su sızıntısını tespit etmek için hiperbarik basınç sensörleri
• 3 bar diferansiyel basınç eşiğinde devreye giren enjeksiyon sistemleri
• Delme yolunun 15 metre içindeki fay hatlarını haritalamak için sismik ön tarama modülleri

Vaka çalışması: Gotthard Temel Tüneli'nde karmaşık jeolojiye TBM'leri uyarlama

Gotthard projesi, şunları da içeren 73 farklı jeolojik arayüzle karşılaştı:

1. Meta-sedimanter kayaç 450 kN itme kapasitesi gerektiren bölümler
2. Freatik su zonları çift kademeli drenaj ile yönetildi
3. Kesme zonları modüler bölümlü kaplama sistemleri aracılığıyla azaltıldı

Bu uyarlama, geleneksel yöntemlere kıyasla jeolojik gecikmeleri %62 oranında düşürdü ve tünelleme makinesi seçiminde kapsamlı jeoteknik araştırmanın kritik rolünü gösterdi.

Tünel Açma Makinelerini Zemin Koşullarına Uydurma

En uygun tünel açma makinesini (TBM) seçmek, makine yeteneklerini yer altı zorluklarına göre uyumlandırmayı gerektirir.

EPB, Şlam ve Sert Kaya TBM'leri: Jeolojiye Göre Seçim

Toprak Basınç Dengeli (EPB) Tünel Açma Makineleri, sıkıştırılmış toprak malzemesini kullanarak tünel duvarlarını stabilize ederken yüzey hareketlerini en aza indirdikleri yumuşak zeminlerde ve şehir ortamlarında en iyi performansı gösterir. Doymuş zemin koşullarıyla başa çıkmak gerektiğinde, aşağıdan gelen yeraltı suyu basıncına karşı denge kurmak amacıyla bentonit kilini suyla karıştırarak bir çamur oluşturan sıvı kalkan makineler devreye girer. Disk kesicilerle donatılmış sert kaya TBM'leri, kaya kalitesine bağlı olarak yaklaşık 15 ila hatta bazen 30 metreye kadar günlük ilerleme kaydederek sağlam kaya formasyonlarında iyi bir ilerleme sağlayabilir. 2022'de yayımlanan son bir çalışmaya göre, mühendisler belirli jeolojik koşullar için yanlış makine türünü seçtiklerinde projeler genellikle beklenenden yaklaşık üçte iki oranında daha fazla gecikmeye uğrar. Bu durum, kazı çalışmalarına başlamadan önce altta yatan yapıyı gerçekten anlamak ne kadar önemliyse o kadar büyük bir öneme sahiptir.

Değişken ve Heterojen Zemin Koşulları için Çoklu Modlu TBM'ler

Modern hibrit tünel açma makineleri, EPB ve slurry teknolojilerini birleştirerek projeyi durdurmadan farklı kaya türlerini işleyebilme imkanı sunar. Gotthard Erişim Tüneli'ni bir örnek vaka çalışması olarak ele alalım. Orada mühendisler, kazı sırasında birden fazla kez mod değiştirebilen bir makine kullandı. Özellikle, kireçtaşı ile daha yumuşak mergel tortularının karışık olduğu katmanlarda çalışırken yaklaşık 14 ayrı seferde ayarlarını değiştirdi. Bu makineler, yer altında neler olduğunu sürekli izleyen sensörlerle donatılmıştır. Önlerindeki zeminde değişiklik tespit ettiklerinde sistem, tork ve itme gibi parametreleri otomatik olarak ayarlar. Bu durum, karmaşık karışık yüzey koşullarıyla başa çıkmada beklenmedik duruşların yaklaşık %40 oranında azalmasına yol açtı. Bir diğer büyük avantaj ise modüler kesici başlık tasarımından gelir. Farklı kaya formasyonları için aletleri değiştirmek haftalar almaktan, bu işlem artık sadece iki gün gibi kısa bir sürede tamamlanabiliyor ve bu da projelerin zamanında ilerlemesini büyük ölçüde etkiliyor.

Tünel Boyutları, Hizalama ve Makine Performansı Gereksinimleri

TBG Seçimini Etkileyen Tünel Derinliği, Çapı ve Hizalama

Bir tünelin ne kadar derine gittiği, maruz kaldığı zemin basıncını belirler ve bu da özellikle 5 bar'ın üzerindeki basınçlarla başa çıkabilmek için tünel açma makinelerinin ekstra güçlü bir yapıya sahip olması gerektiği anlamına gelir. Boyutun da önemi vardır. 12 metreden büyük olan büyük makineler genellikle binaların otmasına izin vermek istemediğimiz şehir ortamlarında, toprak basınç dengesi sistemleriyle birlikte çalışır. 6 metrenin altındaki daha küçük makineler ise hassas konumlandırma için yönlendirilmiş delme teknolojisiyle yetinebilir. Tüneller kıvrıldığında ya da düz yukarı/aşağı gittiğinde operatörlerin oldukça fazla bükülme ve dönme yapabilen makinelerine ihtiyacı olur; yaklaşık 8 derecelik dönüş kabiliyeti, parçalanmadan bu zorlu yükseklik değişimlerini yönetmelerine yardımcı olur. Dikdörtgen şeklindeki tünel uçlarını inceleyen son çalışmalar ilginç bir şey ortaya koymuştur. Yükseklik, genişliğin 1,5 katından fazlaysa, kararsızlık sorunlarının oluşma ihtimali yaklaşık %34 daha yüksektir. Bu yüzden mühendislerin, kesme başlıklarını özel tünel yollarına uygun hale getirmek için çok fazla zaman harcamalarının nedeni anlaşılabilir.

Proje Verimliliği için Güç, İtki ve İlerleme Hızı Optimizasyonu

Günümüzün tünel açma makinelerinin, karışık zemin koşullarında dakikada yaklaşık 15 ila 35 milimetrelik makul hızlarda ilerlemeye devam edebilmek için 2.500 ile 6.000 kilonewton arasında bir itme kuvvetine ihtiyacı vardır. Güç sistemleri, genellikle 3 ila 15 meganewton metre arasında değişen kesici başlık tork gereksinimlerine göre doğru şekilde boyutlandırılmalıdır. Sert kaya formasyonlarında çalışırken, disk kesiciler genellikle 350 kilovatlık motorlarla sağlanan dakikada yaklaşık 5 ila 6 devir hızıyla döner. Daha yumuşak topraklarda çalışan toprak basınç dengeli makineler için durum oldukça değişir. Bu makineler, kazı malzemesinin uzaklaştırılması sürecini yönetmeye daha çok odaklanır ve bu nedenle vida konveyörlerinin tork kapasitesine büyük ölçüde bağımlıdır; genellikle 120 ile 250 kilonewton metre arasında bir tork gerekir. 2015 yılında yapılan yumuşak zemin tünelleme çalışmalarından elde edilen bazı ilginç bulgular, sabit basınç ayarlarını kullanmaya kıyasla, itme basıncında gerçek zamanlı ayarlamalar yapmanın yön hatalarını neredeyse yarıya indirebileceğini göstermiştir. Tünel operatörleri her zaman zeminden ne kadar hızlı geçmek istedikleri ile kesicilerinin ne kadar dayanacağı arasında hassas bir denge kurar. 2022'deki son çalışmalara göre, özellikle aşındırıcı granit formasyonlarda çalışan kesicilerin ömrünü iki katına çıkarabilmek için devir sayısını yalnızca %20 oranında düşürmek yeterli olabilir.

Modern Tünel Delme Makinelerinde Teknoloji Entegrasyonu ve Operasyonel Verimlilik

Modern tünel delme makineleri (TDM'ler) artık otomasyon ve yapay zekâ destekli kılavuz sistemleri ile donatılmıştır ve bunlar insan hatasını azaltırken kazı doğruluğunu en iyi hale getirir. Bu sistemlere entegre edilmiş gerçek zamanlı izleme araçları, jeolojik verileri analiz ederek kesici başlık torkunu ve itme kuvvetlerini dinamik olarak ayarlar ve hatta kararsız tabakalarda bile ±10 mm içinde hizalama doğruluğunu sağlar.

Otomasyon, Yapay Zekâ Destekli Kılavuzluk ve Gerçek Zamanlı İzleme Sistemleri

Modern AI sistemleri her saniye 500'den fazla sensör okumasını işleyebilir ve bu sayede zeminin nasıl davranacağını öngörerek sondaj ayarlarını buna göre optimize edebilir. Bu durum, Gotthard Temel Tüneli inşaatı gibi büyük projelerde beklenmedik duruşmaları yaklaşık dörtte bir oranında azaltmıştır. Şlamlı zemin yönetimi açısından otomasyon, basınç seviyelerini dengede tutarak ıslak toprak koşullarında çökmeleri önlemeye yardımcı olur. Gerçek zamanlı izleme sistemleri de eski tip manuel yöntemlere kıyasla su sızıntısı sorunlarını yaklaşık %40 oranında azaltarak oldukça etkili olduğu kanıtlanmıştır. Ayrıca mühendislik firmalarının saha raporlarına göre ekipmanların daha uzun süre çalışmasını sağlayan ve parça ömrünü yaklaşık %30 artıran tahmine dayalı bakım özelliklerini de unutmamak gerekir.

Artırılmış Performans için Uzaktan Tanı ve Kontrol Sistemleri

Merkezi kontrol merkezleri artık uzaktan TBM operasyonunu mümkün kılar ioT destekli tanılar kullanarak. Örneğin, titreşim analizi algoritmaları rulman aşınmasını arızadan 50 saat önce tespit eder ve önleyici onarımlara olanak tanır. Uzaktan kılavuz sistemlerini kullanan 2024 yılı pilot projesi, kesici değişimlerini ve kazı malzemesi tahliyesini kolaylaştırarak şehir içi boru hattı kurulumlarında %98 çalışma süresi sağlamayı başardı.

Bu gelişmeler, proje sürelerini %20-30 azaltırken aynı zamanda iş gücü maliyetlerini ve güvenlik olaylarını da düşürür.

Sahiplik Toplam Maliyeti, Bakım ve İşgücü Uyum Yeteneği

Yaşam Döngüsü Maliyetleri, Bakım İhtiyaçları ve Onarım Erişilebilirliği

Bir tünel açma makinesinin sahiplik toplam maliyeti (TCO), ilk fiyatının çok ötesine uzanır ve işletme ve bakım (O&M) yaşam boyu harcamaların %45-60'ını oluşturur. Bunlara şunlar dahildir:

• Periyodik bakım : Katalitik arızaları önlemek için kesici başlık muayeneleri (her periyot başına 12.000 - 18.000 ABD doları) ve sızdırmazlık contalarının değiştirilmesi (yılda 740.000 - 2,1 Milyon ABD doları)
• Zamanı gelmeden yapılan onarımlar : Aşındırıcı kaya koşullarında aşınan parçaların değiştirilmesi, yıllık proje bütçesinin %30'una kadar maliyet oluşturabilir
• Durağan zaman etkileri : Rulman arızalarından kaynaklanan 1-2 haftalık gecikmeler, tünelleme verimliliğini %18-22 oranında düşürür

Onarım erişilebilirliği, dar çalışma alanlarında bakım maliyetlerinin %25'ini oluşturur. Standartlaştırılmış bileşenlere sahip modüler tasarımlar, özel sistemlere kıyasla bileşen değişim süresini %40 oranında azaltır.

Operatör Eğitimi, Güvenlik Özellikleri ve Yerel Mevzuata Uyum

Yetkin operatörler ilerleme hızını %15 artırırken kesici takım aşınmasını %28 oranında azaltır. Zorunlu sertifikalar şunları gerektirir:

• yumuşak zemin TBM operasyonları için 120–180 saat simülatör eğitimi
• Yangın söndürme ve acil tahliye konularını içeren haftalık güvenlik tatbikatları
• OSHA'nın dar alan giriş protokolleri (29 CFR 1926.800) gibi bölgesel standartlara uyum

Modern tünel delme makineleri, çarpışma önleme sistemlerini (yüzde 25 daha az olay) ve AB Makineler Direktifi 2023 güncellemelerine uyum sağlamak için otomatik gaz izleme sistemlerini entegre eder. Orta Avrupa'da 2023 yılında yapılan bir proje, uyarlanabilir eğitim programlarının gerçek zamanlı performans analitiği sayesinde planlanmamış durma süresini %30 oranında azalttığını gösterdi.

SSS

Tünel Aşındırıcı Makinesi (TBM) seçimini etkileyen temel faktörler nelerdir?

Anahtar faktörler, makinenin verimliliğini ve projenin genel başarısını etkileyebilecek kaya bileşimi, toprak türü, zemin stabilitesi, yeraltı suyu basıncı ve fay hattı varlığı gibi jeolojik uyumluluk içerir.

Modern TBM'ler değişken zemin koşullarını nasıl yönetir?

Özellikle hibrit modelli modern Tünel Açma Makineleri (TBM), farklı kaya türlerine uyum sağlamak için Hem Toprak Basınç Dengeli (EPB) hem de sıvı destekli teknolojileri birleştirir ve gerçek zamanlı sensörler kullanarak izleme ve otomatik ayarlamalar yapar.

TBM'lerde teknoloji entegrasyonunun önemi nedir?

Yapay zeka destekli yönendirme sistemleri ve gerçek zamanlı izleme gibi teknoloji entegrasyonu, kazı işlemlerinde hassasiyeti artırır, insan hatasını azaltır ve kesin hizalama için kesici başlık ayarlarını dinamik olarak ayarlayarak genel operasyonel verimliliği artırır.

TBM operatörleri için hangi eğitimler gereklidir?

Operatörlerin genellikle 120-180 saat simülatör eğitimine tabi tutulmaları, haftalık güvenlik tatbikatlarına katılmaları ve TBM operasyonlarının etkili ve güvenli bir şekilde yürütülmesini sağlamak amacıyla OSHA'nın dar alan giriş protokolleri gibi bölgesel güvenlik standartlarına uymaları zorunludur.