Derin Okuma — TBM Tunnel Boring

Çelik silindirin altındaki vardiya

Bir tünel açma makinesinin ön yüzüne yaklaştığında ilk fark ettiğin şey ses değil, sıcaklıktır. Yirmi metre çapındaki bir kalkanın içinde, kesici kafanın granit ya da kireçtaşını öğüttüğü noktada ortam kabaca 35-45 dereceye çıkar. Operatör kabini bu sıcaklığın birkaç metre gerisinde, basınçlı hava ve soğutma suyuyla korunur. Orada oturan kişi, aslında bir madencilik makinesini değil, hareketli bir fabrikayı yönetir.

Tünel açma makinesi, kazdığı boşluğun içinde yürüyen bir üretim hattıdır. Kazıyı yapar, molozu taşır, segmenti dizer, harcı enjekte eder, hattı ilerletir. Her adım bir öncekine bağlıdır ve zincirin en yavaş halkası, tüm vardiyanın hızını belirler. Peki bu zincir neden bu kadar kırılgan?

Kalkanın içinde ne dönüyor

Makinenin önündeki kesici kafa, çelik disklerle kayayı tıraşlar. Disk başına düşen itme kuvveti tipik olarak 200-300 kilonewton aralığında tutulur. Değerin altına inerseniz kaya kırılmaz, sıvanır. Üstüne çıkarsanız disk yatağı ısınır ve rulman ömrü saatlerle ölçülmeye başlar. Operatör bu dengeyi, kafa dönüş hızıyla itme basıncını sürekli ayarlayarak korur.

Kesici kafanın dönüş hızı çapa göre değişir. Küçük makinelerde dakikada 4-6 devir, büyük çaplı olanlarda 1-3 devir aralığında çalışılır. Çevresel hız sabit tutulur çünkü diskin kayayı kazıma verimi, çizgisel hıza bağlıdır. Kafa çapı iki katına çıktığında, aynı çevresel hızı korumak için devir yarıya iner. O yüzden büyük makineler daha yavaş döner ama her devirde çok daha fazla kaya koparır.

Kazılan malzeme, kafanın arkasındaki hazneye düşer. Buradan ya konveyör bandıyla ya da pompayla dışarı atılır. Konveyörlü sistemlerde bant hızı saniyede 2-3 metre bandındadır ve bant bir kez koptuğunda tünel içindeki tüm trafik durur. Bant ek yerleri, kaya parçalarının sürtünmesiyle aşınır ve genelde 500-1.500 saatlik çalışma sonrası kontrol edilir. Pompalı sistemlerde ise moloz, suyla karıştırılıp bulamaç haline getirilir. Bulamacın yoğunluğu, boru hattındaki basınç kaybını doğrudan etkiler.

Kafanın hemen gerisinde, tünelin kalıcı kaplaması döşenir. Beton segmentler halka halinde dizilir ve aralarına harç enjekte edilir. Bir halka tipik olarak 1,2-2 metre ilerleme sağlar. Yani her halka, bir vardiyanın ölçü birimidir. Günde kaç halka dizildiği, projenin takvimini belirler.

İtme silindirleri, makineyi bir sonraki halkaya yaslanarak ileri iter. Bir kalkanın çevresinde tipik olarak 20-40 hidrolik silindir bulunur ve her biri 2.000-4.000 kilonewton itme üretebilir. Her ilerleme adımı, bir önceki halkanın betonuna yük bindirir. Segment bu yükü taşıyamazsa çatlar, çatlama görülürse tüm halka sökülüp yeniden dizilir.

Bulamaç basıncı ve zeminin dengesi

Yumuşak zeminlerde, tünel yüzünün çökmesini engellemek için hazneye basınçlı bulamaç doldurulur. Basınç, zeminin itkisine karşı koyar. Tipik değerler 1-3 bar aralığında gezir ama bu sayı sabit değildir. Zeminin geçirgenliği, yeraltı su seviyesi ve tünelin derinliği bu basıncı sürekli değiştirir.

Basıncı düşük tutarsanız zemin içeri akar, yüz çöker. Yüksek tutarsanız bulamaç zemine kaçar, yüzeyde kabarma olur. Şehir altında açılan tünellerde bu kabarma, binaların temeline kadar hissedilir. O yüzden operatör, yüzeydeki ölçüm istasyonlarından gelen verilerle basıncı dakika dakika ayarlar. Tünel ekseni boyunca 20-50 metrede bir oturma ölçüm noktası kurulur ve değerler milimetre hassasiyetinde izlenir. Tipik kabul sınırı, yüzeyde 10-25 milimetre oturma bandıdır.

Basınç hesabı, zeminin itkisi ile yeraltı suyu basıncının toplamına dayanır. Su seviyesinin altındaki bir noktada, her metre derinlik yaklaşık 0,1 bar su basıncı ekler. Yirmi metre derinlikte bu değer 2 bar civarındadır ve zemin itkisiyle üst üste biner. Operatör, hazne basıncını bu toplamın biraz üzerinde tutarak yüzü dengeler.

Bulamacın kendisi de bir kimyadır. Bentonit, polimer ve su karışımı, belirli bir viskozite ve yoğunlukta tutulur. Yoğunluk genelde litre başına 1,05-1,25 kilogram aralığındadır. Değer düşerse moloz askıda kalmaz, boruda çöker. Yükselirse pompalar aşırı yüklenir ve enerji tüketimi artar. Bulamacın akışkanlığı, huni viskozimetresiyle ölçülür ve saniye cinsinden ifade edilir. Tipik çalışma aralığı 35-60 saniyedir.

Ayrıştırma tesisi, bulamacı molozdan temizleyip tekrar hazneye gönderir. Tesis, tünelin ağzında kurulur ve kapasitesi makinenin kazı hızına göre boyutlandırılır. Saatte 1.000-2.500 metreküp işleme kapasitesi tipik bir banttır. Tesis durursa makine durur. O yüzden ayrıştırma ünitesi, tünelin en kritik yan ekipmanıdır.

Segment üretimi ve lojistiğin ritmi

Tünelin kalıcı kaplaması olan beton segmentler, tünelin dışında dökülür ve kürlenir. Her halka 6-8 parçadan oluşur ve her parça 3-8 ton ağırlığındadır. Parçalar, tünel içine özel taşıyıcılarla indirilir. Taşıma hattı, tek şeritli bir demiryolu gibi çalışır ve vardiya başına taşınan segment sayısı sınırlıdır.

Segment üretimi, tünel kazısından bağımsız bir fabrikadır. Kalıp sayısı, kür süresi ve beton dayanımı bu fabrikanın ritmini belirler. Betonun kalıptan çıkma dayanımına ulaşması tipik olarak 18-24 saat sürer. Yani bir kalıp, günde en fazla bir halka üretir. On kalıbınız varsa günde on halka üretebilirsiniz.

Beton dayanımı, karışım tasarımıyla oynanarak hızlandırılabilir. Buharlı kür, kalıptan çıkma süresini 12 saate kadar indirebilir. Ama hızlı kür, betonun nihai dayanımını ve dayanıklılığını düşürür. Tünel segmenti, onlarca yıl basınç ve su altında kalacağı için bu denge kritiktir. Tipik hedef, 28 günde 50-70 megapaskal basınç dayanımıdır.

Kazı hızı bu üretim hızını aşarsa, tünelde stok birikir ve taşıma hattı tıkanır. Kazı hızı geride kalırsa, makine boş bekler ve sabit maliyetler işler. Denge noktası, projenin en ince ayarıdır. Dengeyi tutan proje yönetimi, aslında bir fabrika planlamacısıdır.

Segmentlerin tünel içine taşınması, havalandırma ve güç hatlarıyla aynı koridoru paylaşır. Tünel çapı küçüldükçe bu koridor daralır ve lojistik karmaşıklaşır. O yüzden küçük çaplı tünellerde kazı hızı, büyük çaplı tünellere göre daha sıkı sınırlanır. Tünel içinde aynı anda hareket edebilen taşıyıcı sayısı, koridor genişliğiyle doğrudan sınırlıdır.

Havalandırma da bu denklemin parçasıdır. Tünel uzunluğu arttıkça, taze hava menzili uzar ve fan kapasitesi büyür. On kilometrelik bir tünelde, yüzeydeki fan istasyonu birkaç yüz kilovat güç çeker. Hava kalitesi düşerse çalışma durur. O yüzden havalandırma, kazı hızını dolaylı olarak sınırlayan görünmez bir tavan oluşturur.

Makinenin ömrü ve maliyetin dağılımı

Bir tünel açma makinesi, projeye özel üretilir ve genelde tek bir projede kullanılır. Çapı 6-16 metre aralığında değişir ve ağırlığı binlerce tonu bulur. Üretim süresi 12-18 ay, sahada montaj süresi 2-4 ay sürer. Süre, tünel kazısı başlamadan önceki en büyük maliyet kalemidir. Makine bedeli, çapa ve zemin koşullarına göre on milyonlarca dolar bandında gezir.

Kesici diskler, makinenin en hızlı tükenen parçasıdır. Bir disk, kaya sertliğine göre 200-800 metreküp kazı sonrası değiştirilir. Aşındırıcı kumtaşı gibi zeminlerde bu aralık 100 metreküpe kadar düşebilir. Disk değişimi, basınçlı haznede ve zor koşullarda yapılır. O yüzden her disk değişimi, saatlerce duruş demektir. Diskin maliyeti tek başına küçüktür ama toplam duruş maliyeti devasa olur.

Disk ömrünü belirleyen şey, kayanın aşındırıcılığıdır. Kuvars oranı yüksek kaya, çeliği hızla yer. O yüzden bazı projelerde diskler tungsten karbür uçlarla kaplanır ve maliyet iki-üç katına çıkar. Değişim sıklığı azalır, ama disk başına maliyet artar. Doğru denge, zeminin aşındırıcılık indeksine göre projeden projeye değişir.

Elektrik tüketimi, makinenin çapıyla hızla büyür. Büyük çaplı bir makine, birkaç megavat güç çeker. Güç, tünel boyunca döşenen özel kablolarla beslenir. Kablo kesiti, gerilim düşümünü sınırlamak için tünel uzunluğuna göre hesaplanır. Uzun tünellerde ara trafo istasyonları kurulur. On kilometrelik bir hatta gerilim düşümü, hat başındaki değerin yüzde beşini aşarsa motorlar zorlanır.

Makinenin ilerleme hızı, zemin koşullarına göre günde 5-30 metre aralığında değişir. Hız, projenin takvimini doğrudan belirler. Bir tünel projesinin toplam süresi, kazı hızından çok, bu hızı kesintiye uğratan olayların sıklığıyla ilgilidir. Planlanan ilerleme ile gerçekleşen ilerleme arasındaki fark, genelde makinenin değil, duruşların hikayesidir.

Piyasa Hafızası

1950'lerde James Robbins, tünel açma makinelerinin ticari ölçekte yaygınlaşmasında belirleyici bir rol oynadı. O dönemde makineler çoğunlukla tek seferlik denemelerdi ve çoğu proje el ile kazıyla yürütülüyordu. Robbins'in katkısı, makineyi sahadan sahaya taşınabilir ve tekrar kullanılabilir bir mühendislik ürünü haline getirmeye yönelikti. Yaklaşım, tünel açmayı bir zanaat olmaktan çıkarıp ölçeklenebilir bir sanayi sürecine dönüştürdü. Bugün kullandığımız kesici kafa geometrisi ve kalkan tasarımının temel mantığı, o dönemde atıldı.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Tablodaki her satır, bir öncekine bağlıdır. Halka genişliği 1,6 yerine 1,5 metre olsaydı, toplam halka sayısı 3.333'e çıkardı ve segment üretim kapasitesi aynı kaldığı sürece kazı süresi uzardı. Günlük ilerleme 12 yerine 8 metreye düşseydi, takvim 630 güne çıkardı ve sabit maliyetler bu süre boyunca işlemeye devam ederdi.

Asıl duyarlılık, tek bir parametrede değil, zincirin en yavaş halkasında saklıdır. Segment üretimi günde 8 halkayla sınırlıysa, makinenin 12 metre ilerlemesi bir süre sonra stok yaratır. Stok alanı dolarsa makine yine durur. Yani kazı hızını artırmak, tek başına takvimi kısaltmaz. Darboğazı bulmak ve onu beslemek gerekir.

Okuma çerçevesi

Bir tünel açma projesini okurken üç katmanı ayır. Birincisi makinenin kendisi. Çap, güç, kesici kafa geometrisi bu katmanda.

İkincisi makineyi besleyen lojistik. Segment üretimi, bulamaç ayrıştırma, taşıma hattı burada. Üçüncüsü zeminin cevabı. Basınç, oturma, yeraltı suyu bu katmanda.

Üç katman birbirine sıkı sıkıya bağlıdır ve en zayıf halka projenin hızını belirler. Makine ne kadar güçlü olursa olsun, segment fabrikası yetişemiyorsa tünel yavaş ilerler. Zemin beklenenden sertse, disk ömrü kısalır ve duruşlar sıklaşır. Tünel açmanın ekonomisi, tek bir makinenin değil, bir zincirin ekonomisidir.

Yeraltına inen çelik silindir, aslında yüzeydeki fabrikanın bir uzantısıdır.