Zemin şartlandırmanın EPB TBM performansına etkilerinin araştırılması

Tez çalışmasının temel amacı EPB TBM'lerin performanslarının tahmini için ampirik (görgül) modeller geliştirmek, zeminin köpük ile şartlandırılmasını ve kazı performansını optimize etmek amacıyla daha önce denenmemiş arazide ve laboratuvarda uygulanabilen basit deneysel yöntemleri kullanarak ve kazı aynasının basıncını da dikkate alan zemin ve köpüğün basınç altında karıştırıldığı Mini EPBM deney cihazını geliştirerek yeni köpük optimizasyonu ve performans tahmin yöntemleri ortaya koymaktır. Bu çalışmalar sonucunda, EPB TBM'lerin performanslarını tahmin etmek, optimize etmek, arttırmak, TBM duraklamalarını ve arazi deformasyonlarını azaltmak, dolayısı ile maliyetleri düşürmek mümkündür. Deneylerde kullanılan köpük ve antikil kimyasallarının özelliklerini belirlemek amacıyla köpük yoğunluğu ve yarı-ömür deneyleri ile birlikte köpük kabarcık boyutları ölçülmüştür. Zemin numunelerinin karakteristiklerini belirlemek amacıyla tane boyut dağılımı ve atterberg limit deneyleri yapılmıştır. Zemin numuneleri ile laboratuvar tipi köpük jeneratöründe çeşitli karakteristik özelliklerinde üretilen köpükler karıştırılarak etkileşimlerini belirlemeye yönelik slump, yayılma tablası, konik penetrometre, güç ölçümlü mikser-yapışma, cep tipi vane shear, cep tipi penetrometre ve vane shear cihazları ile zemin şartlandırma deneyleri yapılarak optimum köpük tasarımları belirlenmiştir. Deneylerde öncelikle sadece su ile şartlandırma yapılmış, sonrasında zemin + köpük karışımı ile yapılmıştır. Böyle bir "çoklu" deney sistemi ile köpük optimizasyonuna literatürde rastlanmamıştır. Bu projede yapılan çalışmalar, literatürde görülen tekli deney sistemi ile yapılan optimizasyonlarda yanılma payının olduğunu da göstermiştir. Farklı üreticilere ait ve farklı tipteki (sürfaktan-polimerli) köpüklerin zemin şartlandırma performansına etkilerinin araştırılması amacıyla yapılan köpük karakterizasyon deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Köpük yoğunluğunun artan FER ile azaldığı tespit edilmiştir. Genel olarak polimer içeren köpüklerin polimer içermeyen köpüklere oranla yoğunluğunun daha düşük olduğu görülmüştür. Farklı CF ve FER değerlerinde köpükler üretilmiş ve drenaj miktarı ve yarı ömür süreleri ölçülmüştür. Köpük drenaj miktarı ve yarı ömür süresini belirleyen en önemli faktörlerin CF ve FER değerleri olduğu görülmüştür. 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 802 saniye olarak ve en düşük yarı ömür suresi ise % 5 CF ve 8,5 FER değerinde 251 saniye olarak ölçülmüştür. Polimerli köpüklerin düşük FER oranlarında yarı ömürlerinin polimersiz köpüklere oranla daha uzun olduğu yani polimerli köpüklerin daha kararlı olduğu görülmüştür. Yüksek FER oranlarında ise köpük cinsinin yarı ömüre herhangi bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Proje amaçlarına ulaşmak üzere, İstanbul'da bulunan üç tünel sahası ziyaret edilerek sahaların jeolojisi, uygulanan kazı yöntemi ve EPB TBM özellikleri hakkında bilgiler edinilmiş; kazılacak formasyonlardan numuneler alınmış; TBM performans verileri toplanmış ve gözlemler yapılmıştır. Laboratuvarda özgül ağırlık, doğal nem içeriği, tane boyut dağılımı, kıvam limitleri deneyleri ile zemin numunelerinin köpük optimizasyonu bakımından önemli olan bazı fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Tez kapsamında dünyada ilk olma özelliği bulunan "Mini EPBM" deney cihazı geliştirilmiştir. Ancak, cihazın bazı özellikleri istenen amaca ulaşmak için yetersiz kaldığından, cihazın geliştirilmeye ihtiyacı vardır. Bu nedenle, halihazırda bu cihaz kullanılarak deneyler yapılamamıştır. Yine bu tez kapsamında geliştrilen "mini-slump" deney aleti, standart slump deney aletinin ½ oranında küçültülmüşü olup, bir deney için gereken zemin numunesi ihtiyacını yaklaşık %90 azaltmıştır ve homojen ve iri parça içermeyen zeminlerde yayılma tablası ile çok güçlü bir ilişki vermiştir.Bu çalışmaların sonucunda elde edilen bulgular ile çeşitli köpük tasarımlarının ve zemin özelliklerinin EPB TBM'lerin performanslarına olan etkileri incelenmiş, önemli parametreler belirlenmiştir. Tez kapsamında cep tipi kanatlı kesme (Vane Shear) deney aleti kullanılarak, zeminlerin ve zemin+köpük karışımlarının kıvamlarının tahmin edilebileceği ortaya konmuştur. Bu deney aletinin şartlandırma deneylerinde kullanılabileceği görülmüştür. EPB TBM'lerin kazı performanslarını tahmin amacıyla Zeytinburnu Ayvalı 2 tünel güzergahı boyunca geçilen 3 farklı formasyondan numuneler alınmış ve kazı boyunca gözlemler yapılmıştır. Alınan zemin numuneleri üzerinde doğal nem içeriği, lazer kırınım yöntemiyle parça boyut analizi, atterberg kıvam limitleri, konik penetrasyon ve vane kesme deneyleri yapılmıştır. Geçilen 3 farklı jeolojik formasyonda TBM performans analizi yapılmış zemin özelliklerinin kazı performansına etkileri araştırılmıştır. EPB TBM performans tahmin modelleri geliştirmek amacıyla zemin özellikleri kazı performans parametreleriyle (EPB TBM penetrasyonu, itme kuvveti, kesici kafa torku ve spesifik enerji) basit ve çoklu regresyon analizleri yapılarak ilişkilendirilmiş ve istatiksel olarak anlamlı ve güvenilir ampirik kazı performans modelleri geliştirilmiştir. Yapılan bu çalışmaların bulguları, tasarımcı mühendislik firmaları ve proje sahibi kurumlar (işveren) ile yüklenici firmalar tarafından fizibilite ve planlama aşamalarında kullanılabilir.