Galeri ve Tünel Açma

1. GİRİŞ


Tünel, Türk Standartları Endüstrisinin tarifine göre; yeraltında çeşitli kayaçlar içinde inşa edilen giriş ve çıkışı olan, drenaj, kanalizasyon, su boruları, kanal, demiryolu, karayolu, yaya yolu vs. geçişine imkan veren bir geçiş yoludur. Galeri ise yeraltının istenilen yerine ulaşmak için açılan yatay veya eğimli bir boşluk veya geçittir.

Dünyamız her geçen gün artan oranlarda bir nüfus artışıyla karşı karşıya kalmaktadır. Buna paralel olarak insanların ihtiyaçları ve sorunları da beraberinde getirmektedir. Nüfus artışına paralel olarak şehirleşme hızla artmakta, bunun sonucunda da kentlerde yaşayan insan populasyonu artmaktadır. Özellikle milyonlarca insanın beraberce yaşadıkları metropollerde trafik ve çevre kirliliği gibi belli başlı sorunlar nüksetmektedir. Ulaşımın hızlı olarak sağlanması, özellikle büyük şehirlerde yer altı ulaşım sistemlerinin (metro) oluşturulmasıyla mümkün olmaktadır. Boş alan azlığı ve çevre sorunlarının yaşanmadığı önceki yıllarda tünelcilik sadece, zorlu dağ engellerini aşmak için düşünülürken günümüzde yer yokluğu ve çevre etkisi daha kolay yöntemlerle (örneğin hafriyat) çözümlenebilecek yapılarda bile insanları tünellere yöneltmektedir Ayrıca metropollerin önemli sorunlarından biri olan kanalizasyon gibi alt yapı sorunları karşısında sağlanan gelişmelerde de sevindirici olmaktadır.

Gün geçtikçe artan hammadde ihtiyacı karşısında doğal kaynaklardan yararlanma eğilimi ön plana çıkmaktadır. Gerekli olan hammadde ve doğal kaynaklara en hızlı ve en ekonomik şekilde ulaşma ihtiyacı gündeme gelmektedir. Yeraltı madenlerinin işletilmesinde çağdaş standartlara uygun olarak üretim kapasitesinin arttırılması yönünde bir eğilim vardır. Bu da ancak mekanize edilmiş yeraltı maden işletmelerinde gerçekçi bir uygulama sağlanırsa mümkündür.

Dünyada olduğu gibi ülkemizde de enerji sorunun çözümünde varolan akarsu kaynaklarımız üzerinde yeni barajların yapılması ile birlikte etkin ve hızlı bir ulaşımın sağlanması için gerekli olan tünellerin açılmasında mekanizasyon yönünde bir tırmanış vardır.
Galeri ve tünel açmada yaşanan en son teknolojik gelişmeler sayesinde hem madencilik alanında hemde inşaat mühendisliği alanında çalışma hızı ve ekonomiklik dolayısıyla da verimlilik artmaktadır.

Türkiye son yıllarda gerek kara ve demir yolu tünelleri, metrolar, kanalizasyon gerekse doğal rezervlerimiz açısından mekanizasyon çalışmaları için önemli bir potansiyel teşkil etmektedir. Mekanize kazı sistemi 20. asrın son yarısından başlayarak bugüne hızlı bir gelişme göstermiştir. Madencilik alanında yüksek üretim kapasitesine erişmek ve yapı endüstrisinde ise daha kısa zamanda daha duraylı tünellerin açımında uygulanan mekanize kazı sistemleriyle normal koşullarda diğer klasik yöntemlere oranla daha yararlı olmaktadır.

2. TARİHSEL GELİŞİM

En eski tüneller günümüzden 3000 yıl kadar önce değerli metallerin araştırılması amacıyla Babilliler ve Aztekler tarafından Hindistan, Mısır ve Mezopotamya ‘da inşa edilmiştir. Yaklaşık olarak 19. yüzyıla gelininceye değin sert kayadaki tüneller arında ateş yakılarak kaya ısıtıldıktan sonra oluşan sıcak yüzeye su ve sirke püskürtülmesi esasına dayanılarak kazılmaktaydı. Bu yolla elde edilen ilerleme miktarı yaklaşık olarak haftada 1 metreydi.

Yeryüzünde ilk tünel M.Ö. 4000 yıllarında Babil şehri yakınlarında, Fırat nehrinin altında açıldığı söylenmektedir. İnşa edilen bu tünel 3.5x4.5 çapında ve 1 km. uzunluktadır.

Sonraki dönemlerde galeri açmanın bir savaş tekniği olarak da kullanıldığı görülmektedir. Surların aşılabilmesi için altlarında galerilerin kazma ve kürek vasıtasıyla açıldığı bilinmektedir.

Mısırlılar ve Romalılar da ağırlıklı olarak su nakletmek amacıyla tüneller açmışlardır.

Barutun icat edilmesiyle beraber birçok alanlarda gelişmeler olmasına rağmen tünelciliğe uzun süre bir yararı olmamıştır.

Tünel işlerinde önem arz eden bir gelişme 1823 – 1843 yılları arasında Thames nehri altında açılan tünel sebebiyle olmuştur. Bu tünelin önemi Fransız mühendis Brunel ‘in patentini aldığı Bukliye (kalkan) met****u ilk kez burada uygulamasından kaynaklanmaktadır. Bu 4.20 m ve 4.80 m çaplarında ikiz tünel olup halen kullanılmaktadır.

1830 yılında Lord Cohrane ‘da sulu zeminlerde kuyu ve galeri açmada kullanılabilecek, basınçlı havadan istifade ederek uygulanabilecek yöntemine ait patenti almıştır.
Büyük tünellerin artışının gözlenmesi demiryollarının gelişimine paralel olarak gerçekleşmiştir. İlk demiryolu tüneli Fransa’da St.Etienne – Terre Noire hattında 1826 yılında gerçekleştirilmiştir.

1868 yılında New York metrosu Amerika kıtasının ilk yeraltı demiryolu ulaşım sistemi olarak hizmete açılmıştır. İlk yeraltı demiryolu ise Türkiye ‘de 1874 yılında Galata – Pera arasında hizmete açılmıştır.

Avrupa’nın gerçekleştirdiği büyük projelerden biriside Manş tünelinin altından tünel inşasıyla geçilmesidir. 1987 ‘de başlayıp 1993 yılında tamamlanan, 50.5 km. uzunluğunda, deniz yüzeyinin 100 m, deniz tabanınınsa 40 m altındaki tünelin maliyeti günümüz rakamlarıyla 648 trilyon liradır.

3. GELENEKSEL YÖNTEMLERLE GALERİ VE TÜNEL AÇMA

3.1. Hidrolik Kırıcılar

Hidrolik maden ve inşaat mühendisliğinin uğraşı alanındaki bir çok işlerde kullanılabilir. Tünel açma faaliyetlerinde de hidrolik kırıcılar özellikle jeolojik süreksizliklerin yoğunlaştığı formasyonlarda galeri sürülmesi işlerinde kullanılırlar.

Modern hidrolik kırıcıların yapıları oldukça basittir. Serbest hareket eden piston darbe enerjisini, çok kısa bir sürede gerekli hacımdaki yağı sağlayan bir akümülatörden alır. Bu akümülatör devamlı olarak hidrolik pompa yardımı ile şarj edilir. Hidrolik kırıcıların bir avantajı da herhangi bir ekskavatöre monte edilebilir olmalarıdır.

Hidrolik kırıcılardaki piston ile kırıcı uç arasında darbe enerjisini ileten bir yağ yastığı vardır. Bu yastık, kırıcı uçta aşırı stres birikmelerini önleyerek yüksek darbe hızlarını mümkün kılar. Pistondaki kinetik enerji yağda gerilme enerjisine dönüşür, yağda basınç yükselir ve kırıcı uç ileri giderken biriken basınç tekrar kinetik enerjiye dönüşür. Eski tip pnömatik kırıcılarda darbe enerjisinin piston ağırlığına oranı 2 iken, bu oran hidrolik kırıcılarda 8 ‘e yükselmiştir. Bu nedenle hidrolik kırıcılar, pnömatik kırıcılara oranla 20 defa daha güçlü olabilmektedir.











Çizelge 3.1. Galeri sürmede kullanılan bazı hidrolik kırıcılara ait teknik özellikler

Firma Adı
Tipi
Darbe En. (J)
Darbe (Dak)
Ağırlık (kg)
Hidrolik Debi (lt/dak)
Hidrolik Basınç (kg/cm2)
Nitrojen/Gaz Basıncı
Ingersoll Rand
G500 G1100
680 1900
135-600 60-600
220 33
54,5‘e kadar 163 ‘e kadar
13,8 13,8
Gaz Basıncı=1/2 yağ basıncı 96 kg/cm2
Krupp
Hm200 Hm600
540 18530
700 450
240 550
55 70-90
12-15 13-16
Dış Akümülatör
Shand
-
2350
180
500
60
Kas.14
69 kg/cm2
Montabert
SRH 500
2000
350-450
475
60-170
6,5-13
İç Akümülatör
Gullick Dobson
-
4070
600
700
185
16,6
4.1-5.5 kg/cm2

3.2. Galeri Sürülmesi Amacı İle Kullanılan Hidrolik Kırıcılar


Bunlar genelde bir paletli aracın üzerine monte edilmiş haldedirler. Operatörün arındaki jeolojik süreksizlikleri görüp, gerektiği yerlere kırıcı ucu yöneltmesi kazı verimini oldukça artırmaktadır. Masif formasyonlarda pek uygulama alanı bulamamıştır. Genelde galeri açma makinelerine nazaran % 50 ucuzdur ve kazı sırasında açığa çıkan toz miktarı da minimumdur. Buna rağmen çok zayıf formasyonlarda, ucun formasyonu kırmadan arına gömülmesi kullanılmaları konusunda bazı tereddütler yaratmıştır. İngiliz kömür ocaklarında 1965 senesinden beri uygulama alanları aranmışsa da gelişme istenildiği gibi olmamıştır.

3.3. Delme ve Patlatma


Delme – Patlatma yöntemi madencilik alanındaki tüm gelişmelere rağmen bazı avantajlarından dolayı bir çok maden işletmesinde kullanılmaktadır. Patlayıcı maddenin anlamı belirli şartlar altında aniden yanarak veya patlayarak ayrışan ve gaz haline dönerek yüksek basınç oluşturan kimyasal bileşimler veya karışımlar anlaşılır.
Patlayıcı maddelerle kayaçların kazılmasında kayaç içerisine patlayıcı maddelerin konulacağı deliklerin açılması gerekmektedir. Deliklerin açılmasında patlayıcının etkisinin artması için delik ağız kısmının dar dip kısmının ise geniş olması fazla patlayıcı yerleştirilmesi açısından gerekmektedir. Patlayıcı madde yerleşiminden sonra üzeri etkinin artırılması için sıkılanır. Sonra ateşleme sistemi kurularak patlatmaya geçilir.

Patlayıcı maddelerin güvenlik açısından kullanımı ve saklanması esnasında bilinip dikkat edilmesi gereken bazı hususlar vardır. Çünkü bir işletmede ancak 1 – 2 ay yetecek kadar patlayıcı bulundurulması gerekir. Patlayıcı maddenin darbe ve sürtünmeye karşı olan duyarlılığına saklanması sırasında dikkat edilmelidir. Patlayıcı maddelerin kıvılcım ve alev etkisiyle ateş alabilme özelliklerine karşı yer altı depolama noktaları özenle seçilmelidir. Kullanımı sırasında delikler içerisine konulacak patlayıcı miktarı ve yüzdeleri, patlayıcının kayaçtan parça koparma miktarına göre özenle seçilmelidir. Patlayıcı maddenin suya karşı dayanımına da dikkat edilmelidir. Çünkü patlayıcı madenin su içinde veya ıslak yerlerde patlatılma zorunluluğu varsa buna uygun ambalajlı olmalı ayrıca depolama alanında su ve neme dikkat edilmelidir. Dona karşı duyarlılıkta önemlidir. Soğuk iklimin hakim sürdüğü yerlerde don olayı meydana gelirse patlayıcı madde patlama özelliğini kaybettiği gibi duyarlılığı artmakta ve kullanımı sırasında tehlikede arz etmektedir. Patlatma işlemi sırasında açığa çıkan CO ve NO2 gibi zehirli gazlarda özellikle yer altı işletmeleri için dikkat edilmesi gerekmektedir.

Patlayıcı madde ile kazının bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Avantajları ; Büyük miktarlarda ilk yatırım masrafı gerektirmez. Piyasadan temin edilebilmesi hızlı ve kolaydır. Makine ile kazıdaki gibi enerji ve güç teminine ihtiyaç yoktur. Dezavantajları ise ; üretimin kesikli olarak yapılabilmesidir. Metan tehlikesi olan işletmelerde kullanılamaz. Emniyetli değildir. Galeri iç cidarlarında fazla kırık çatlak yapısı geliştiğinden iyi bir tahkimata gerek vardır. fazla söküm dolayısıyla pasa nakli artmıştır. İlerleme hızı düşüktür. Yerleşim bölgelerinde açılan tünelcilik faaliyetlerinde kullanımı sakıncalı olmaktadır.
4. MEKANİZE YÖNTEMLERLE GALERİ VE TÜNEL AÇMA



4.1. Galeri Açma Makineleri


4.1.1. Galeri Açma Makinelerine Genel Bir Bakış

Galeri açma makinelerinden anlaşılan, kazı işini yapıp, pasa ‘yı uygun bir nakliyat donanımına veren ve kendiliğinden ileri doğru hareket eden makineler anlaşılır.

Galeri açma makineleri ilk olarak 1950 ’li yıllarda kömürün kazımı için Macarlar tarafından f2 modeli olarak tasarlanmış ve kömür madenlerinde kullanılmıştır. Daha sonra Ruslar bu makineleri geliştirerek Pk modeli GAM ’ni üretmişlerdir. Batı Avrupa’da kullanılan ilk makineler ise 1961 ‘de İngiliz Kömür İşletmelerince Sovyetler Birliğinden ithal edilen PK3 ‘ler dir. Daha sonraki yıllarda İngilizler, mekanik ve hidrolik sistemi daha gelişmiş makineleri tasarlandırmışlar ve Dosco adıyla üretmeye başlamışlardır. Son 50 yılda makine ağırlığı, boyutları ve kesici kafa motor gücü, bum dizaynı kazılan malzemenin yüklenme sistemi, hidrolik ve elektrik sisteminde gelişmeler, kesici uçların metalürjik gelişmeleri ve uzaktan komuta ve otomasyon gibi birçok bölümünde teknolojik gelişmeler yaşanarak bugünkü seviyesine gelmiştir.

Makine ağırlıkları 150 ton ’a ulaşmış durumdadır. Bu makinelerle daha sert kayaç formasyonlarında yüksek itme kuvveti oluşturulmaktadır. Kesici kafa motor gücü 550 kW ’a kadar ulaşmış durumdadır. Sabit durulan bir noktadan, 100 m2 kesitli bir galeri kazımı yapılabilmektedir.

Ağır galeri açma makineleri 120 MPa ‘a kadar ki kayaçlarda ekonomik olarak kullanılabilmekte ve düşük RQD değeri içeren tabakalı veya çatlaklı basınç dayanımı 160 MPa’ a kadar olan kayaçları da kazabilmektedir. Eğer kayaç çok abrasiv özellikli ise uç tüketim değeri 1 adet/m3’ den fazladır. Kayacın içinde bulunan silis içeriğinin artması GAM ’nin performansını oldukça düşürmektedir.
GAM ile çeşitli galeri kesitlerinde (atnalı, dikdörtgen vb.) ve eğimlerde (20o’ ye kadar nadiren 30o) çalışılabilmekte ve 90o ’ye varan dönüşlerde rahatlıkla çalışılabilmektedir.

Galeri açma makineleri (GAM) makine tipi (paletli, şiltli), makine ağırlığı, kesici kafa tipi, kesici kafa gücü, kesici kafanın geometrik yapısı, bum tipi (tek, çift, tamburlu) ve diğer yardımcı ekipmanlardan (lazer ünitesi, uç soğutma sistemi ve toz bastırma sistemi, vb.) oluşmaktadır.

4.1.2. Galeri Açma Makinelerinin Ana Üniteleri


Bum tipi galeri açma makineleri (GAM) bum, kesici kafa, kesici uçlar, yükleme ünitesi olmak üzere 4 bölümden oluşmaktadır.

4.1.2.1. Bum

Galeri açma makineleri sabit veya teleskobik bum ’lu olabilmektedir. Teleskobik bum özellikle yumuşak tabanlarda avantajlı olmakta, kılavuz kazı sırasında makineyi yürütmeden, teleskobik bum ile kılavuz kazının yapılması mümkün olmaktadır.

4.1.2.2. Kesici Kafa

Bum tipi galeri açma makinelerini bum eksenine paralel (BEP) (Axial) ve bum eksenine dik (BED) (Transverse) GAM olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

4.1.2.3. Kesici Uçlar

Galeri açma makinelerinde genellikle üç ayrı tipte kesici uç kullanılmaktadır. Bunlar, kömürler ve yumuşak kayaçlar için kullanılan radyal uçlar, orta sertlikte kayaçlar ve kömürler için kullanılan ileri atımlı uçlar ve sert ve aşındırıcı kayaçlar için kullanılan yuvasında dönebilen, ileri atımlı kalem uçlardır.

GAM ’nde kullanılan kalem uçlar yüksek dayanımlı kayaçları kazabilecek şekilde imal edilmişlerdir. Karbit üzerindeki etkileri ve uçta sıcaklık oluşumundan dolayı yüksek silis içerikli dayanımı yüksek kayaçların kazılmasını sınırlamaktadır. Tungsten karbitin kobalt içeriği, uçlardaki sıcaklığın etkisini azaltmakta ve uç sağlamlığını arttırmaktadır. Kesme işlemi boyunca oluşan sıcaklık ve toz miktarını azaltan daha fazla kesme verimini sağlayan uç şekilleri geliştirilmektedir.

Küçük disk çapların, polikristalin elmaslarda ve karbitlerdeki son gelişmeler daha verimli kesme sağlamaktadır.

4.1.2.1. Yükleme Ünitesi

Galeri açma makinelerinde kazılan malzemeyi yüklemek üzere makine önünde bir yükleme ve taşıma ünitesi mevcuttur. GAM ’nin tipine göre, paletli konveyör, çift zincirli paletler, yıldız çarklar, yengeç kolları, yükleyici kollu, yükleyici diskli veya yükleyici kanatlı gibi çeşitleri bulunmaktadır. Yengeç kollar kaba ve iri malzemelere uygunken yıldız çarklar ince malzemelerin yüklemesinde kullanılırlar. Zincirli paletler ise her iki koşulda kullanılmaktadır.

4.1.3. Galeri Açma Makinelerinin Tipleri

4.1.3.1. Bum Eksenine Paralel Galeri Açma Makineleri

Bu tip GAM ’nde kesici kafa küçüktür ve selektif kazı işine daha uygundurlar. Ana kesme kuvveti yanlara doğru uygulanmakta olup, kesilen malzeme arına paralel olarak atılmaktadır. BEP makinelerde kesici kafalar silindirik, konik, küresel veya bunların kombinasyonları biçiminde olabilmektedir.

Silindirik ve küresel kafaların bir diğer dezavantajı da kesici kafayla sağa sola doğru yapılan kesme işlemi sırasında yan mahmuzlar galeri yan duvarına erişemediğinden tam bir güç alamaz. Ayrıca kesilen malzeme yana doğru atılacağından tekrar yüklenmesi gerekir ve buda zaman kaybına neden olur.
4.1.3.2. Bum Eksenine Dik Galeri Açma Makineleri

Bu makinelerde alına paralel bir eksen etrafında dönen tek veya çift kafa bulunmaktadır. Ana kesme kuvveti yukarıdan aşağıya doğru kafanın dönüşü ile sağlanmakta, buna bumun aşağı doğru uyguladığı hidrolik güç yardımcı olmaktadır. Kesilen malzemenin büyük çoğunluğu ( % 80 ‘i ) doğrudan öndeki yükleyicinin üzerine atılmaktadır.

Bum eksenine dik galeri açma makinelerinin bazı dezavantajları vardır. Bunlar kesim esnasında galeri içi cidarında dalgalı bir kesit oluştururlar. Bunun ise sakıncalı yönleri vardır. Öncelikle makine paletleri yüzeye tam oturmamasından dolayı zorlanır ve vibrasyon yani titreşim artar. Bu makinede arızalara neden olur. Oluşan dalgalı kesitte uç noktalara gelen yükler ve dolayısıyla tahkimat üzerine binen yükler artmaktadır. Tünel açmada gereksiz bir yüzey açılmış olacağından fazladan bir maliyet getirecektir. Ayrıca bu kazılan fazla alanda çimentolanması gerekeceğinden yine maliyeti artırıcı bir etkisi olacaktır.

4.1.2.1. Tamburlu Galeri Açma Makineleri

Bu makinelerdeki çalışma sistemi ise buma monte edilmiş silindirik tambur üzerindeki kesici uçlar vasıtasıyla açılacak galeri yüzeyi aşağıdan yukarı yada yukarıdan aşağıya doğru tek seferde silindirik tamburun genişliği kadar taranarak gerçekleştirilmektedir. Kesilen malzeme yine öndeki yükleyiciye atılmaktadır.

4.1.2.2. Çift Bumlu Galeri Açma Makineleri

Çift bumlu galeri açma makinelerinin çalışma prensibi bum eksenine paralel galeri açma makineleri gibidir. Bu makinelerde bir yerine iki adet bum ve kesici kafa ünitesi vardır. Yani her iki kesici kafada bum eksenine paraleldir. Bu makineler daha ağır olmakta ve dolayısıyla toplam güç ve kesici kafa gücü de fazla olmaktadır.