Soil conditioning studies for a waste water tunnel excavated by an EPB TBM
EPB TBM ile kazılan bir atıksu tüneli için zemin şartlandırma çalışmaları
- Tez No: 439677
- Danışmanlar: PROF. DR. HANİFİ ÇOPUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Büyüyen kentleşme sonucunda, yeraltı yapılarının kullanımı giderek artmaktadır. Altyapı ihtiyaçlarını karşılamak için yeni ve daha büyük tünellere ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Kentsel alanlardaki tünel inşaatlarının çoğunlukla alüvyal ortamlarda olması sebebiyle, yumuşak zeminlerde tünel açma çalışmaları büyük önem taşımaktadır. Pasa basınçlı (EPB) tünel açma makineleri (TBM) yaygın olarak yumuşak zemin tünel kazılarında kullanılmaktadır. Bu makineler kazı sırasında basınçlı kafa haznesi içerisindeki kazılmış zemini, tünel aynasına destek uygulamak için kullanır. Sağlam olmayan bir tünel aynasının EPB TBM'de ne kadar desteklendiği, sabit basıncın destek ortamından tünel aynasına etkili bir şekilde transferine bağlıdır. Destek basıncı sabit değil de değişken ise, değişken basınç aynanın çökmesine ve yeryüzü oturmalarına yol açabilir. Bur tür makineler belirli ve ideal zemin koşullarında çalışmak üzere tasarlanmışlardır. Ancak, doğal zemin nadiren bu özelliklere sahiptir ve genellikle zemin koşullarının makineye uyacak şekilde değiştirilmesi gereklidir. Yüzyıllar boyunca insanlar zeminlerin özelliklerini değiştirmeye veya kontrol altına almaya çalışmışlardır. Gelişen medeniyetle birlikte özellikle modern ulaşım sistemlerinin gelişmesiyle mühendisler açısından zeminin karakteristiklerinin değiştirilmesi veya değişen zemin suyu şartları altında optimum zemin özelliklerine ulaşılması önem kazanmıştır. EPB TBM'lerdeki pasa basıncı dengesinin ana çalışma parametrelerinden biri zemin şartlandırmadır. Zemin şartlandırma terimi mekanize tünel kazılarında kazılan zeminin özelliklerini çeşitli oranlarda uygun katkı maddeleri (şartlandırma katkıları) kullanılarak iyileştirilmesi anlamına gelir. Şartlandırma katkıları yıllardır tünelcilik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Uygun zemin şartlandırma sonrasında tünel açma makinelerinin performansının önemli ölçüde arttığı bilinmektedir. Köpük ve polimer gibi zemin şartlandırıcı maddeler, genellikle kesici kafa ya da kazı odası içine pasanın akışkan, zemin taneciklerinin arasında daha düşük içsel sürtünmeli olmasını sağlamak, zeminin yapışkan kıvamını kontrol etmek, zeminin tünel yapımı sırasında basınçlandırılabilir olmasını sağlamak, su oranını kontrol etmek, kesici kafadaki torku azaltmak ve burgu konveyörün tork ve gücünü düşürmek için enjekte edilir. Ancak, zeminin şartlandırılmasının, EPB TBM performansları üzerindeki etkileri açık bir şekilde anlaşılabilir değildir ve EPB TBM'lerin kullanıldığı projelerde sık sık problemlerle karşılaşılmaktadır. Bu çalışmada, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (Tübitak Proje No: 213M487) tarafından finansal olarak desteklenen bir proje kapsamında İstanbul Zeytinburnu-Ayvalı 2 Atıksu Tüneli kazısında kullanılan EPB TBM'in performansına zemin şartlandırmanın etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla sahadan alınan zemin numunesi üzerinde tane boyut dağılımı, doğal nem içeriği, konik penetrometre (likit limit ve plastik limit) ve özgül ağırlık deneyleri yapılarak temel zemin karakteristiği ortaya konulmuştur. Daha sonra, iki farklı köpük (antikil) (Exfoam 2 ve ACP 143) örnekleri üzerinde köpük kararlılığı (yarı ömrü) ve köpük yoğunluğu deneyleri yapılarak köpüklerin karakteristikleri ortaya konulmuştur. En son olarak, suyun ve köpüğün şartlandırmadaki etkilerini belirlemek amacıyla, zemin+su ve zemin+köpük örnekleri üzerinde güç ve yapışma ölçümlü mikser, konik penetrometre ve yayılma tablası deneyleri farklı su içeriklerinde, değişen FIR miktarlarında, sabit FER= 16 ve CF= %3 değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Zemin numunesinin doğal nem içeriği %33 olarak belirlenmiştir. Yapılan elek analizi ve hidrometre deney sonuçları değerlendirildiğinde numunenin %80 killi siltli (yaklaşık eşit oranda) ve geri kalan yüzdesinin kum ve çakıl olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca numune içindeki kil+silt kısım kullanılarak likit limit ve plastik limit deneyleri yapılarak zemin numunesinin plastisite ve tıkanma riski grafiğindeki yeri bulunmuştur. Numunenin likit limit değeri %56,2, plastik limit değeri %29,7, plastisite indeksi 26,5 ve kıvam indeksi 0,87 olarak bulunmuştur. Numune plastik özellik göstermekte ve yüksek tıkama (yapışma) potansiyeli saptanmıştır. Numunenin alındığı sahada kullanılan antikil ajanı Exfoam 2 ve daha sonra zemin şartlandırma deneyleri ile Exfoam 2'nin numune yapışmasını yeterince önlememesi nedeniyle ikinci bir antikil ajanı ACP 143 üzerinde yaygın olarak bilinen köpük karakterizasyon (köpük kararlılığı (yarı ömrü) ve köpük yoğunluğu) deneyleri yapılmıştır. Exfoam 2 köpük yoğunluğunun artan CF oranı ile arttığı ve artan FER ile ise azaldığı tespit edilmiştir. ACP 143'de ise CF'nin köpük yoğunluğuna etkisinin olmadığı ve artan FER ile ise köpük yoğunluğunun azaldığı görülmüştür. Exfoam 2'de köpük yarı ömür süresinin artan CF değeri ile düştüğü ve artan FER ile arttığı bulunmuştur; en yüksek yarı ömür süresi %3 CF ve 16 FER değerlerinde 792 saniye olarak ve en düşük yarı ömür süresi ise %5 CF ve 8,5 FER değerinde 493 saniye olarak ölçülmüştür. ACP 143'de köpük yarı ömür süresinin artan CF değeri ile düştüğü ve artan FER değeri ile arttığı bulunmuştur. En yüksek yarı ömür süresi %3 CF ve 16 FER değerlerinde 761 saniye olarak ve en düşük yarı ömür suresi ise % 4 CF ve 8,5 FER değerinde 464 saniye olarak ölçülmüştür. Dolayısı ile iki antikil arasındaki en belirgin farklılık yoğunluk karakteristikleridir. Sadece su eklenerek yapılan şartlandırma deneylerinde %35 ve %54 oranları arasında su içeriği değiştirilmiştir. Buna göre yapılan mikser deneylerinde, artan su içeriğiyle birlikte güç ihtiyacının 92 W'tan 35 W'a düştüğü, mikser bıçağına zemin yapışma miktarının 2024 g'dan 295 g'a düştüğü, penetrasyon değerinin 8,4 mm'den 22,6 mm'ye yükseldiği görülmüştür. İstenen şartlandırma kıvamına numunenin likit limit değerine yakın su içeriğinde ulaşılmıştır. Ancak, suyun nakliye esnasında kuruyup numuneye plastiklik kazandırması ve dolayısı ile döküm sahasına nakliye esnasında kamyonlara yapışma problemleri veya tünel aynasındaki pasanın istenen kıvama getirilmesinde cıvıklık problemleri ile karşılaşılabileceği nedenlerle, antikil kimyasalı kullanılmasının daha doğru olacağına karar verilmiştir. Exfoam 2 ile şartlandırmada güç ihtiyacı ve yapışma miktarı azalmasına rağmen, ACP 143, %50'den %300'e değişen FIR değerlerinde, 67,5 W'tan 42 W'a kadar azalan güç gereksinimi, 1800 g'dan 1600 g'a azalan yapışma miktarı ve 7,5 mm'den 13,1 mm'ye artan penetrasyon değeri ile Exfoam 2'den daha iyi sonuç vermiştir. Ancak şartlandırmanın daha da geliştirilmesinde hala bir ihtimal olduğu düşünülmüştür; bu nedenle %12 ilave su, zeminin su içeriğine eklenmiştir ve şartlandırma testleri daha iyi sonuçlara sahip ACP 143 kullanılarak yapılmıştır. Güç ihtiyacı ve yapışma miktarı önemli ölçüde azalmıştır. Optimum şartlandırma koşulu yaklaşık % 250 FIR değerinde, konik penetrometre değeri 19 mm, yapışma miktarı 900 g ve güç ihtiyacı 37 W olarak sonuç vermiştir. Önerilen optimum zemin şartlandırma parametrelerini doğrulamak için, Zeytinburnu Ayvalı 2 Atıksu Tüneli'nin kazısında çalışan 3,96 m kazı çapındaki EPB TBM üzerinde ölçüm ve gözlemler yapılmıştır. Sahada önceleri %1 CF oranında ve 15-16 FER değerinde Exfoam 2 kullanılırken ve zeminde yaklaşık %45 toplam su içeriği sağlanırken, yüklenici firma ile yapılan görüşmeler sonucunda maliyetler de göz önüne alınarak %1-1,5 CF, 15-16 FER ve %50 toplam su içeriğinde bir şartlandırma için karar alınmıştır. Ayrıca, yüklenici firma kesici kafada bulunan grizzly barları da sökmeye karar vermiştir. Bu koşullarda, EPB TBM'in kesici kafa torkunun 1072 kNm'den 930 kNm'ye (yaklaşık %13 düşüş), itme kuvvetinin 3932 kN'dan 3539 kN'a (yaklaşık %10) düştüğü ve net kazı hızının 24,3 mm/dev'den 32,1 mm/dev'e çıktığı (%32 artış) görülmüştür. Kazı aynası stabil olduğundan ve ayna basıncı verilmediğinden dolayı, tork ve baskı kuvvetindeki düşüşün daha çok grizzly barların sökülmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Net kazı hızındaki %30'un üzerindeki artışın ise şartlandırmada yapılan iyileşme sonucunda yapışkan malzemenin keskilere yapışmamasından ve dolayısı ile keskilerin temiz kalarak daha iyi penetrasyon yapmasından dolayı olduğu düşünülmektedir. Bu çalışmada zemin şartlandırma parametrelerinin güvenilirliğini arttırmak amacıyla yeni bir şartlandırma metodu geliştirilmiştir. Literatürdekinin aksine tek bir şartlandırma deneyi yapmak yerine çeşitli deneyler yapılarak ortalama bir optimum şartlandırma koşulu belirlenmiştir. Değişik deneylerin değişik kıvamlar oluşturması ve değişik optimum FER değerleri ile sonuçlanması, bu yaklaşımın doğruluğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
As a result of growing urbanization, subsurface space is developed and has to be expanded. Newer and bigger tunnels are required to meet the infrastructural needs. Since most of the tunnel constructions in urban areas are in soft ground, study about tunneling in soft grounds is significant. Earth pressure balance (EPB) tunnel boring machines (TBM) are commonly used in soft ground tunneling. These machines use the excavated soil in a pressurized head chamber to apply a support pressure to the tunnel face during excavation. How well an unstable face is supported in an EPB TBM depends on effectively maintaining a constant level of pressure from the support medium to the face. If the support pressure is not constant, the varying pressure inevitably leads to collapse of the face or heave on the surface ground. A machine may be designed to work in ideal ground conditions. However, natural soils rarely have ideal properties. Hence, conditioning of the soil is usually necessary to change its properties to suit the machine. One of the main operational parameters in EPB TBMs is soil conditioning. Soil conditioning agents such as foam and polymer, are often injected through the cutterhead or into the cutting chamber to make the muck flowable, lower inner friction between the soil particles, control soil stickiness, prepare the excavated soil to be compressible during the tunneling operation, control the water inflow, reduce the torque on the cutterhead, and lower power and torque of the screw conveyor. However, for the common soil conditioning methods, the effects of different conditioning treatments on soil properties and the machine performance are not clearly understood, and therefore problems with EPB operations related to the soil properties are often encountered. The effect of soil conditioning on performance of EPB TBM used to excavate Zeytinburnu- Ayvali 2 Wastewater Tunnel in Istanbul is investigated in the present study which is supported financially by The Scientific and Technological Research Council of Turkey (Tubitak Project No: 213M487). Basic soil characterization via laboratory tests such as grain size distribution, natural water content, cone penetrometer (liquid limit) and plastic limit have been carried out paralleled with foam characterization. Moreover, foam and soil mixture characterization tests are performed by mixing test with power measurements, cone penetration test and flow table test. The natural water content of the soil sample is determined as being 33%. Using the grain size distribution, liquid and plastic limit tests the place of soil sample in plasticity and clogging risk chart is located and high clogging potential for the sample is detected. Foam characterization were carried out via half-life and density for 2 different types of foam produced by different companies (Exfoam 2 and ACP 143). Soil+water and soil+foam tests are performed with different water amounts, FER of 16 and CF of 3% and varying FIR amounts in order to observe the effect of water, foam on power requirement, sticking amount and consistency of the sample. Conditioning with adding just water between the range of 35-54 % were resulted in reduction of power requirement and sticking amount from 92 W to 35 W and 2042 g to 295 g and rising the penetration value from 8.4 mm to 22.6 mm respectively. Even though conditioning with Exfoam 2 reduced the power requirement from 81 to 44 W and sticking amount from1958 to 1570 g, ACP 143 had better results than Exfoam 2 where the FIR value ranged from 50 to 300 % and power requirement decreased from 67.5 to 42 W, sticking amount decreased from 1800 g to 1600 g and the penetration value increased from 7.5 to 13.1 mm. However, it was considered that there was still possibility to improve the conditioning so that 12% of additional water was added to the natural water content of the soil and conditioning tests performed using ACP 143 which had better results. The power requirement and sticking amount decreased significantly and the superior conditioning results were achieved where FIR was around 250 %, cone penetration was around 19 mm, sticking amount was 900 g and the net power requirement was around 37 W. The optimized soil conditioning parameters and suggested conditioning method were tried on the field to validate the experimental results. Performance of the EPB TBM was improved by means of increasing penetration rate and decreasing cutterhead torque. The changings on penetration rates, torque and Thrust before and after improvement is compared and presented where the average cutter head torque decreased from 1072 kNm to 930 kNm and the penetration rate increased from 24.3 to 32.1 mm/rev and thrust force decreased slightly from 3932 to 3539 kN. A new soil conditioning method was used in this study: To increase the reliability of soil conditioning parameters, it is suggested applying different types of experiments with enough number of tests, instead of using only one type of conditioning test.
Benzer Tezler
- Zemin şartlandırmanın EPB TBM performansına etkilerinin araştırılması
Investigation of effects of soil conditioning on EPB TBM performance
EMRE AVUNDUK
Doktora
Türkçe
2018
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANİFİ ÇOPUR
- Sığ kuyu toprak kaynaklı ısı değiştiricilerin tasarımında mevsimlere bağlı atmosferik koşulların etkisi
Effects of seasonal atmospheric conditions on the design of shallow ground-source heat exchangers
FERHAT CAN KOÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU
- Geoteknik mühendisliğinde geri dönüştürülmüş beton agregasının dolgu malzemesi olarak kullanımının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the usage of recycled concrete aggregate as a filling material in geotechnical engineering
MERVE AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP İYİSAN
- Comparative evaluation of nutrient, land, water and energy requirements of hydroponic vs. conventional agricultural methods: Case study for lettuce, basil, and arugula
Hidroponik ve geleneksel tarım yöntemlerinin besin, su ve enerji ihtiyaçlarının kıyaslamalı analizi: Marul, fesleğen ve roka incelemesi
İLAYDA AKTUĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVAL SÖZEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜMİT BARIŞ KUTMAN
- Biyokütle kaynaklı gazlaştırma sistemi modellemesi ve sentez gazının arıtımı
Modelling of biomass gasification system and syngas treatment
PINAR TABAN