Trkiye 13 Komur Kongresi Bildiriler Kitab, 29-31 Mays 2002, Zonguldak, Trkiye Proceedings of the 13th Turkish Coal Congress, May 29-31, 2002, Zonguldak, Turkey

PSKRTME BETON TAHKMATIN TTK OCAKLARININ ANA GALERLERNDE UYGULANABLRLNN ARATIRILMASIINVESTIGATION OF THE APPLICABILITY OF SHOTCRETE SUPPORT IN THE MAIN GALLERIES OF THE TTK MINESakir YURDAKUL, TTK, iletmeler Daire Bakanl, 67090 Zonguldak Hasan GEREK, Zonguldak Karaelmas niversitesi, Muh Fak, 67100 Zonguldak

ZET Bu alma, pskrtme beton tahkimatn kaya saplamalar ve elik hasr ile birlikte Trkiye Takmr Kurumu (TTK) ocaklannm ana galerilerinde uygulanabilirliinin aratnlmasyla ilgilidir. nce, pskrtme beton ve yeraltnda kullanm hakknda ksa bilgi verilmi ve TTK ocaklannda kullanlmakta olan kavisli rijit elik galeri balan gzden geirilmitir. Sonra, modern kaya ktlesi snflama sistemleri kullanlarak, tipik bir galerinin alternatif tahkimat gereksinimleri belirlenmitir. Alternatif tahkimat sistemi; srtnmeli kaya saplamalan, kaynakl elik hasr ve kuru-kanm pskrtme beton uygulamasndan olumaktadr. PHASE2 sonlu elemanlar bilgisayar program kullanlarak yaplan gerilme ve durayllk zmlemeleri, yeni tahkimat sisteminin olas koullar altnda baanyla ilevini yerine getirebileceini gstermitir. Son olarak, yeni sistemin galeri ilerleme maliyetlerinde yaklak % 20'lik bir iyiletirme yapabilecei kestirilmitir. ABSTRACT This study involves an investigation for the applicability of shotcrete support, along with rock bolts and wire mesh, in the galleries of the mines operated by Turkish Hardcoal Enterprises (TTK). Firstly, a brief information is given on shotcrete and its use as underground support, and the rigid-steel-arch gallery supports cunently used in the mines of TTK are reviewed. Then, using modern rock mass classification systems, alternative support requirements of a typical gallery are determined. The alternative support system involves friction rock stabilizers, welded wire mesh and dry-mix shotcrete application. The stress and stability analyses carried out by using PHASE2 finite element computer program have shown that the new support system can perform successfully under probable conditions. Finally, it has been predicted that the new system will improve the costs of gallery advance by about 20 %. 309

1. GR Trkiye Takmr Kurumu (TTK) Zonguldak Kmr Havzas'nda, yaklak 6885 km2 alanda yksek kalitede ta kmr retimi yapan bir iktisadi devlet kuruluudur. Kurumda, yllk ortalama 2.5 milyon ton satlabilir takmr retiminin yam sra, ylda ortalama 6 km tata galeri ve ortalama 10 km de tabanyolu srlmektedir; yeraltnda ak olarak galeri ebekesinin uzunluu yaklak 350 km'dir. TTK'nn yeralt maden ocaklarnda; srlen galerilerin bulunduu derinlik (+ 230 ile 560 kotlar arasnda), akln boyutlar (B5 ile B18 arasnda), geilen birimlerin tr (kumta, kilta, kmr vb.) ve kazlan kaya ktlesi zellikleri dikkate alnmakszn tabanyollarnda ve ta ierisinde alan tm galerilerde aym trde tahkimatlar uygulanmaktadr. Bunlar, ahap kama ve fralarla donanm kavisli rijit elik balardr. zellikle, uzun sre ayakta tutulmas planlanan kilometrelerce uzunluktaki kat hazrlk galerilerinde zamanla ve yer yer an deformasyonlar olumaktadr. Bunun nedeni, uygun olmad bilinmesine ramen, baarsz olduu kantlanan tahkimat eklinin aym yerde srarla uygulanmasdr. TTK'da yeraltnda alan galerilerin yaklak te birlik ksm her yl tamir-tarama gerektirmektedir. Delme-patlatma yntemiyle alan galerilerde, tamir-tarama almalarnn galerilerin srld ilk andan itibaren baladm sylemek mmkndr. Galeri balan, arnda yaplan atelemeden etkilenerek geriye doru devrilmekte ve ann civanndaki tahkimatn bozulmasna sebep olmaktadr. Bu galerilerde yaplan tamir-tarama almalan galeri ama maliyetleri asndan byk parasal kayplara neden olmaktadr. Galerilerde durayhln salanmasna ynelik yaklam, uygulanan tahkimat ile evre kaya ktlesinin birlikte almasna olanak verecek ekilde olmaldr. Bu anlamda, rijit galeri balamm, kaya ktlesinin de bir tahkimat unsuru gibi almasna yardmc olduu sylenemez. Ahap malzeme ile desteklenen elik balannn uyguland bu tip tahkimat sisteminde, rijit balar, galeride sadece pasif tayclk ilevi grmektedir. Aynca, ahaba dayal tahkimat sisteminde, ortamdaki su varl ve ocak havasnn nemi ahap malzemenin ksa srede dayanmn kaybetmesine yol amaktadr. Bu durum, evre kayada geveme hareketlerine sebep olmakta ve galeride gk riskini artrmaktadr. ada tahkimat yaklamlannda temel ama, kaya ktlesinin kendi kendini tamasna yardmc olunmasdr. Bu dnceden hareketle, TTK'da uygulanan tahkimat sistemine alternatif tahkimat araylan, bu almann konusu olarak gndeme gelmitir. Bu bildiride; son yllarda madencilik ve inaat mhendislii alannda olduka nem kazanan, pskrtme beton tahkimatnn, kaya saplamalan ve elik hasr ile birlikte, TTK ocaklarnda uygulanabilirliinin aratnlmas amalanmtr. ncelikle, pskrtme beton teknolojisi ve yeralt aklklannn tahkimatnda kullanm hakknda bilgiler zetlenmitir. Sonra, TTK'da halen uygulanmakta olan tahkimat sistemi ve tamirtarama ileriyle ilgili bilgiler verilmitir. Daha sonra, mevcut tahkimat sistemine alternatif yaklamlar ele alnarak, seilen bir galeriye uygulanan kaya ktlesi snflama sistemlerinin ortaya koyduu tahkimat tipleri belirlenmi; sonlu elemanlar zmlemesi kullanlarak bu galeriler iin durayllk analizleri yaplmtr. Son olarak da, mevcut uygulama ile yeni tahkimat sistemi maliyetler asndan karlatnlmtr.

310

2. PSKRTME BETON VE YERALTI TAHKMATI OLARAK KULLANIMIAmerikan Beton Enstits pskrtme betonu (shotcrete) "bir hortumla tanarak bir yzey zerine basnl hava yardmyla yksek hzla pskrtlen beton ya da har karmdr," eklinde tanmlamaktadr (ACI Committee 506, 1966). Pskrtme beton; imento, akl, kum, su ve zel katk maddelerinin kartrlarak, yzey zerine basnl hava ile pskrtlerek bir kabuk olumasn salayan bir kaplama yntemidir. Geleneksel betona gre farkllklar gsteren pskrtme beton kuru ve ya karm sistemi olarak iki ekilde uygulanr. TTK ocaklar ana galerilerinde, kuru karm ynteminin denenmesi planland (nl ve olak, 2001) iin burada yalmzca bu ynteme deinilecektir. Kuru karm ynteminde; tasarma gre belirlenen miktarlarda hazrlanan imento (normal portland imentosu), hafife (% 2 ile 6 orannda) nemlendirilmi kum ve akl ile susuz ortamda kartrlr, kuru karm pskrtme beton makinesine beslenir. Karm, buradan basnl hava yardm ile zel iletim hortumuna aktarlr, iletim hortumu ucundaki pskrtme tabancasnda (nozl) pskrtme suyu ile kartrlarak, uygulanacak yzeye yksek hzla pskrtlr. Uygulamalarda, pskrtme beton karm ierisine prizlenmeyi abuklatran hzlandrc (accelerator) katlr. Genelde, beton dayanmn drmeyen, geri srama (rebound) miktarm nemli lde azaltan, zararl maddeler ve alkali iermeyen, pskrtme betonun kaya yzeyine yapmasn iyiletiren katklar tercih edilir. Kullanlan katk maddesi sv ise su ile birlikte pskrtme ucunda, toz ise pskrtme beton makinesine beslenerek ilave edilir (ekil 1). Pskrtme betondaki imento miktar, istenilen yapmay elde edebilmek iin, normal betona gre daha fazladr; kullanlan en byk tane apna bal olarak 350-400 kg/m3 arasndadr. Karm oranlan esas olarak yaplacak denemelerle tespit edilirse de, deneylere imento/akl oram 1:3 ile 1:4 arasnda olacak ekilde balanabilir. Su/imento oran, karmn ya veya kuru olmasna gre farklysa da kuru yntemde bu oran 0.3-0.5 arasnda deiir. Toz hzlandrclar, karma ortalama imento miktarnn % 4 ile 6's arasnda katlin: (Aka ve Celep, 1978). Kaya mhendisliindeki esas uygulamalar yeralt aklklarnn tahkimat ve ev kaplamas olan pskrtme beton teknolojisi, geni bir alanda eitli amalarla kullamlmaktadn. Kaz yzeyine alr almaz uygulanmas ve yksek uygulanma hzna sahip olmas gibi zellikleri nedeniyle, geleneksel betona gre daha ekonomiktir. Pskrtme betonun yeralt kullanm alanlar u ekilde zetlenebilir (Gerek, 1979): a. Hemen her tr yeralt aklnn tahkimatnda; geici (n), kalc (son), iyiletirici veya takviye edici tahkimat olarak. b. Yangn barajlarnda ve uzunayak madenciliinde tabanyolu kenarnda gk tarafnn hava szdrmazlnn salanmasnda. c. Debisi ve basnc dk olan su gelirlerinin denetim altna alnmasnda. d. Ak havadan, nemden etkilenerek bozulan ya da ayran kaz yzeylerinin veya elik, ahap, kaya saplamas, tel hasr gibi tahkimat elemanlarnn kaplanmasnda.

311

ekil 1. Kuru karm pskrtme beton uygulamas (MBT'den [1997] deitirilerek).

ekil 2. Pskrtme betonun tahkimat mekanizmas (Mahar et al.[1975] ve Gerek'ten [1979] deitirilerek).

312

Pskrtme betonun galeri veya tnellerde yeralt tahkimat olarak kullanm; uygulama amac (geici, kalc, iyiletirici veya takviye edici tahkimat), uygulama yntemi (kuru veya ya karm), uygulama ekli (tek basma, elik hasu: veya kaya saplamalanyla veya elik ba ile), arazi davran (elastik, geveyen, ien veya skan arazi), yeralt suyu koullan ve kaz yntemiyle (delme-patlatma veya makineyle kaz) yakndan ilikilidir. Yeralt aklklarnn tasanmnda stn performansyla nemli bir yer tutan pskrtme betonun, yeralt tahkimat olarak ilevsel zellikleri, ana hatlan ile yle zetlenebilir (Gerek, 1992): a. Pskrtme beton uygulannn ilk saatlerinde esnek olup zaman getike hzla katlk ve dayanm kazanr. Bu zellik sayesinde, pskrtme beton, geveme yklerinin artm nlerken, kazdan hemen sonra uygulanabildii iin doal arazi kemerlemesinin genileme eilimini durdurur. Bylece, ince bir pskrtme beton tabakas evre kaya ktlesinin duraylln artna bir rol oynar. b. Bilindii gibi; galeri tahkimatnda, sklama noktalan arasndaki uzaklklar azaldka tahkimat bnyesinde oluan gerilmeler de azalmaktadr. Pskrtme beton, sklama aral sfr olan ve evre kaya ile kesintisiz temas halindeki bir tahkimat olarak dnlebilir. Bu yzden, pskrtme beton yksek kaya yklerini tarken olduka dk genlmelere maruz kain. Aynca, evre kayayla oluan bu srekli temasn nc boyutta (galeri ekseni dorultusunda) devam etmesi, pskrtme beton tahkimatnn yksek yk tama kapasitesine katkda bulunur. c. Pskrtme beton; ak atlaklara, sreksizliklere ve kazlan kayann yzeyindeki girintilere pskrtlerek buralan doldurur. Bu ekilde, ta bir duvardaki tutucu har gibi grev yapar'(ekil 2'de I). d. Pskrtme betonun birok kaya cinsiyle kuvvetli yapma yetenei vardr, ince bir pskrtme beton tabakas, dk dayanml yzeyi saran yksek dayanml bir i kaplama gibi davranr. Bu sayede kaya ile dayanm artm yzey arasnda bir etkileim meydana gelir ki yapma kesme dayanm yardmyla gevemi bloklarn yk durayl bloklara iletilir. Pskrtme betonun kesme dayanm, gevemi bloklarn dmesini nemli derecede nler (ekil 2'de II). e. Aklk yzeyindeki sivri ya da keli girintiler gerilme ylmalannm olutuu zayflk blgeleridir. abuk katlaan. pskrtme beton kazdan hemen sonra uygulandnda, buralarn doldurulmas ve dzgn bir aklk yzeyi salanmasyla gerilme ylmalan azaltlabilir (ekil 2'de III). f. Pskrtme betonun kayaya yapmas dk nitelikte olduu zaman, srekli ve ince bir pskrtme beton tabakas eilme ve ekme kuvvetlerine kar, diren gsteren bir i kabuk gibi davranr. g. Pskrtme beton, aklk yzeyinde aa kan eklemleri tkayarak su szmasn nler ve bylece dolgu malzemeli eklemlerden bu maddenin szlmesine engel olur.

313

Havzada uygulanan tek tip tahkimat sistemine alternatif tahkimat arama abalan, yer yer deneme amal uygulama alanlar bulsa da, bu almalar bir proje kapsamnda ele alnmad iin herhangi bir gelime salanamamtr. TTK'da, pskrme beton tahkimat uygulamalar aada sraland ekilde yaplmtr. a. b. c. d. Gelik iletmesi, -150 su havuzu uygulamas (29 Haziran 1983), Gelik yeni servis kuyusu inset galerileri (5 Aralk 1989), Gelik letmesi, -360 akl lokomotif garaj (12 Austos 1994) ve Gelik iletmesi, +140 fan galerisi kazs.

3. TTK'DAK GALER TAHKMAT UYGULAMALARI TTK'ya bal tm messese birimlerinde galeri kaz almalan delme-patlatma yntemiyle yaplmaktadr. Galeri kaz almalarmda uygulanan ilemler; deliklerin delinmesi, doldurulmas, patlatlmas, havalandrma, kavlak temizlii, postann kaldrlmas, tahkimat ve dier iler olarak sralanabilir. Kaz aamalan incelendiinde ilemlerin okluu ve zaman alc olmas dikkati ekmektedir. Sralanan tm bu iler bir tek galeri annmda odaklanmaktadr. rnein; posta alma ilemi yaplmadan, tahkimat yaplamaz. Bu nedenle, i organizasyonunda olacak herhangi bir aksama galeri annmda ilerin durmasna neden olur. Halen havzada srlen galerilerde, DN 21541'e uygun iki paral B5, B8, BIO veya paral B14 ve B18 tiplerinde kavisli rijit elik balar kullanlmaktadr. Galerilerde kullanlan kavisli rijit elik balar, galerinin tavan ve yan duvarlarna ahap kamalarla sktnlr ve galeri ekseni boyunca yklenmelere kar fralarla glendirilir. Yklerin tahkimata dzenli olarak transferini salamak iin kamalann dzgn aralklarla ve yeterli sklkta denmesi gerekir. Akc arazilerde tavan ksm srme kamalar kullanlarak, ok akc arazilerde de boluksuz yma fra uygulamas yaplarak tahkimat tamamlanr. Hoek ve Brown'm (1980) zetledii modern tahkimat felsefesine gre; "Herhangi bir yeralt aklmn tasanmmda temel ama; evre kayay asl yap malzemesi olarak kullanmak, kaz srasnda evre kayay mmkn olduunca az dzeyde rahatsz etmek ve mmkn olduunca az miktarda beton ya da elii tahkimat olarak kullanmaktr. Bir anlamda tahkimatn asl ilevi evre kayann l ykn tamak deil, kayann kendi kendisini tamasna yardm etmektir." Byk hazrlklar kapsamnda srlen galerilerde yukarda aklanan temel amalara uyulduu sylenemez. Tahkimatta kullanlan rijit galeri ba ve ahap malzemeler (kama, fra, vs.) galeri annnda durayll salamada yeterli olmamaktadr. zellikle kaya yaps delme-patlatma ile rselenmekte, paralanmann olmamasna ramen atlaklar genileyerek daha da aktif duruma gelmektedir. Kaya ktlesinde giderek artan geveme davranlan sonucu kopmalar olmakta, kayay gizleyen ahap malzemenin de (zamanla rmesiyle) dayanmn kaybetmesinden dolay tavan ve yan duvarlarda boalmalar ve giderek ksmi gkler meydana gelmektedir. Bu durumu nlemek iin galerilerde devaml tamir-tarama ileri yaplmakta bu da galeri birim maliyetlerini artrmaktadr. Sonuta, bozulan tahkimat dzeltmek iin tertip edilen ii saysnn,

314

akl tahkim eden ii saysndan fazla olmas, evrensel iletmecilik kurallar asndan tamamen ters ve maliyetleri artrc bir unsur olarak karmza kmaktadr. TTK'da, hemen hemen ahap malzemenin kullanld tm galerilerde tamir-tarama almalar yaplmaktadr. rnein; Karadon'da messese nakliyat servisinde yaplan tamir-tarama almalar incelendiinde, her yl mevcut galerilerin ortalama % 30'unun tamir-tarama grd ortaya kmaktadr kartlan bu sonutan hareketle, yaplan galeri kaz almalarnda oluturulan her akln, her yl % 30'unun tamir-tarama grecei hesaplanarak maliyetlendirilmesi ve standart tip galeri birim maliyetlerine yanstlmas gerekmektedir. 4. TTK'DA UYGULANAN GALER TAHKMAT SSTEMNE ALTERNATF YAKLAIMLAR TTK'da uygulanan mevcut tahkimat sistemine alternatif tahkimat sistemleri aratrlm, kaya ktlesi snflama sistemlerinden yararlanma yoluna gidilmitir. Modern kaya ktlesi snflama sistemleri, tasarm problemlerinin zmnde kesin sonular vermemesine ramen, tahkimat seimi ve tasannu konusunda yaklamlar sunmas asndan deerlendirilmitir. Kaya ktlesi snflama sistemlerinin uygulanmas amacyla B14 kesitli Gelik -360/41405 kuzey hazrlk galerisi seilmitir. Galerinin yaklak 55-60 metrelik ksmnda yaplan bir almada mevcut eklemler evre koullaryla birlikte incelenmitir. Bu blge iin Bieniawski'nin (1989) "Jeomekanik Snflama Sistemi" ile Barton vd.'nin (1974) "Q (Tnelcilik Nitelii ndeksi) - Sistemi" uygulanm ve snflandrma sistemlerinin nerdii tahkimat tipleri belirlenerek izelge l'de zetlenmitir. Elde edilen sonulardan snflandrma sistemlerinin nerileri arasnda benzerlikler olduu ortaya kmaktadr. Her iki sistemde kaya saplamalar n plana kmakta, tahkimat ince (5-10 cm kalnlnda) bir pskrtme beton tabakas ile desteklenmektedir. RMR sistemine gre, galerinin kendini tutma (tahkimatsz olarak ayakta kalma) sresi yaklak 800 saat (~1 ay) kadardr. izelge 1. Snflandrma sistemlerine gre nerilen tahkimat tipleri. Tahkimat nerileri (Bieniawski, 1989; Barton and Grimstad, 1994) Sistematik kaya saplamalar** Jeomekanik Snflama Sistemi (2.9 m uzunlukta, 1-1.5 m aralkl) (RMR =56)* Tavanda elik hasr Tavanda 5-10 cm, yan duvarlarda 3 cm kalnlkta pskrtme beton Dzenli kaya saplamalar Tnelcilik Nitelii ndeksi (2.5 m uzunlukta, 1.6 m aralkl) (Q = 3.2) Donatz pskrtme beton (4-10 cm kalnlnda) (*) Temel RMR = 64 ve QSI (Jeolojik Dayanm indeksi) = 67 dir. (**) Jeomekanik Snflama Sistemi'nin tahkimat nerileri; 10 m geniliinde, atnal kesitli, dey birincil gerilmenin 25 MPa'dan az olduu koullarda, delme-patlatma yntemiyle alan tneller iin verilmitir. Bu nedenle dzeltme yaplarak, saplama boyu 0.5 x galeri genilii ve saplama aral 0.3 - 0.5 x saplama boyu alnmtr. 315 Kaya ktlesi snflama sistemleri (puan)

Buna gre; TTK'da galen aklklanna uygulanan klasik tahkimat sistemine (rjt elik ba + ahap kama ve fralar) alternatif olarak gelitirilmeye allan yeni tahkimat sisteminde, kaya saplamalar, elik hasr ve pskrtme beton kullanm nerilmektedir. rnek olarak seilen galeri iin belirlenen tasarm bilgileri aaya kanlmtr: Kaya Saplamalar: Srtnme ankrajl kaya saplamalanndan, yank tp grnml "Split Set"lerin kullanlmas planlanmtr. Maliyeti ve bulunabilirlii, uygulama kolayl, ortam koullannn uygunluu ve daha nce yaplan almalann ortaya koyduu sonular (Albayrak,1989; Yaral, 1991), "Split eflerin seimini ve kullanmn daha bir anlaml klmaktadr. Galerinin yan duvarlan ve tavan 2.4 m boyundaki SS 39 tipi (39 mm apnda) "Split Set" kaya saplamalanyla desteklenecektir. Saplamalar 1.5 m aralklarla ve kaz yzeyine dik konumda alacak 35 mm apl deliklere, 15x15 cm'lik tama plakalan kullanlarak yerletirilecek, her srada 6 saplama bulunacaktr. Galeri ilerleme dorultusundaki saplama aralklan da 1.5 m olacaktr (ekil 3). elik Hasr: elik hasrn galerinin tavan ve yan duvarlarna yerletirilmesi tasarlanm, bu amala uygun elik hasr tipleri aratnlmtr. Gz aralklan 15x15 cm, boy ve en ubuk aplan 5 mm, arl 2.06 kg/m olan Q 131/131 tipi kaynakl elik hasr (esan, 2000) uygun bulunmutur. elik hasrn galeri yan duvarlarna ve tavana tutturulmasnda sarkmamasna zen gsterilecektir. Bunun iin elik hasr paralan bir gz aral kadar st ste getirilirek, ince tel ubuklarla birbirine balanacaktr. Pskrtme Beton: Yeni tahkimat sisteminde yer alan pskrtme beton, galerinin yan duvarlan ve tavanna 10 cm kalnlnda .ve kuru kanm yntemiyle uygulanacaktr (ekil.3). Kuru kanm ynteminin seiminde en nde gelen etkenler olarak; deneme sresi ierisinde tek bir galeri annnda allacak olmas, pskrtme beton kalnlnn fazla olmamas, evrim zaman ierisinde fazla yer tutmamas, ya kanm yntemine kyasla ilk yatnm maliyetlerinin dk olmas ve uygulama kolayl gsterilebilir. Galeri annnda kuru kanm pskrtme beton ynteminin uygulanabilmesi iin; yeraltnda kullanm kolay, kk iler iin tasarlanm, gvenli ve ekonomik, hava tahrikli kuru karm pskrtme beton makinesi tercih edilmitir.

ekil 3. Yeni tahkimat sistemi iin n tasarm uygulamas.

316

Galeri kaz almalarnda 1 metre galeri ilerlemesi iin hesaplanmas gereken malzeme bileenlerini bulmak iin, 1978-80 yllarnda, ayrhan ift hatl elektrikli tren yolu projesinde kullanlan ve 1983 ylnda da Gelik letmesi, -150 su havuzunda deneme almalar yaplan ve bir harman olarak da adlandrlan karm temel olarak alnmtr (izelge 2). Yeni tahkimat sisteminde 1 metre B14 kesit galeri ilerlemesi iin gerekli pskrtme beton miktar, (0.10 m kalnlk x 1 m ilerleme x 10 m galeri evresi) 1.0 m3 olarak hesaplanmtr. Uygulamada meydana gelecek geri srama miktar % 40 olarak dnlrse, bu miktar 1.4 m3 olarak elde edilir. Buradan, 1 metre galeri ilerlemesi iin; 700 kg (0.658 m3 ) kum, 420 kg (0.395 m3 ) akl, 350 kg (0.328 m3 ) imento ve 21 kg (0.019 m3 ) hzlandrc bulunur. izelge 2. Kuru karm malzeme bileenleri (Kiska, 1980). Malzeme bileenleri * akl (8-16 mm) * Kum (0-8 mm) * imento * Hzlandrc (im. % 6's) Su Toplam Arlk (kg) 500 300 250 15 135 litre 1065 Hacim (m ) 0.313 0.188 0.156 0.009 0.666 J Katlarn Oran (%) 47.0 28.2 23.4 1.4 100.0

* Kura-akl, imento ve hzlandrc younluu 1600 kg/m alnmtr

5. DURAYLILIK ZMLEMELER Durayllk zmlemeleri, kaya ktlesi snflama sistemleri kullanlarak belirlenen alternatif tahkimatlarn n tasarm parametrelerinin ne derece yeterli olduunu aratrmak, gerekirse tahkimat nlemlerinde deiikliklere gitmek amacyla yaplmtr. Bu amala, PHASE2 (v. 5.0) iki boyutlu sonlu elemanlar bilgisayar program (Rocscience, 2001) kullanlmtr. zlenen yaklama gre; sz konusu galeri "tahkimatsz," yalnzca "kaya saplamalar" ile desteklenmi ve "pskrtme beton + kaya saplamalar" ile desteklenmi ekilde ayr durumda modellenmitir. 5.1 Aklk Geometrisi ve Sonlu Elemanlar A B-14 kesitli galeri ekil 4'te gsterildii ekilde biraz basitletirilerek boyutlandrlmtr. Galerinin kaz genilii 5.8 m, ykseklii 3.5 m, yarm daire eklindeki tavannn erilik merkezi tabandan 0.6 m ykseklikte olup; alt keler, erilik yarap 0.2 m olan daire yaylan eklindedir. Bu durumda, galerinin kaz kesiti 2 yaklak 16.7 m olmaktadr. Galerinin yan duvarlar ve tavan en fazla 10 cm 2 kalnlnda bir pskrtme betonla kaplanrsa, faydal kesit yaklak 15.7 m olacaktr. PHASE program yardmyla oluturulan sonlu elemanlar amda 4 dm noktal drtgen elemanlar seenei kullanlmtr. Tahkimatsz galeri durumunu modelleyen sonlu elemanlar amda 2574 adet eleman ve 2652 adet dm noktas bulunmaktadr. Galeriyi evreleyen ortamn snrlarnn aklktan uzakl, yaklak olarak aklk geniliinin 5 katdr ve bu snr zerinde bulunan dm noktalarnn yatay ve dey yndeki yer deitirmeleri nlenmitir, incelenen tm durumlarda, karlatrmalar salkl yapabilmek iin, akl evreleyen ortam iin aym sonlu elemanlar a kullanlmtr.3172

ekil 4. Modellenen galeri kesitinin boyutlar. 5.2 Birincil Gerilme Alan Gerilme ve duraylhk zmlemelerinde en nemli girdilerden biri olan birincil gerilme alan bileenlerinin byklk ve dorultularnn belirlenmesi zmlemelerin en kritik aamasn oluturmaktadr. Sz konusu galerinin incelenen ksm yer yznden 510 ile 590 m arasnda deien bir derinliktedir. Bu deer ortalama olarak h = 550 m kabul edilip ve rt katmannn ortalama birim hacim arl y = 25 kN/m3 alnarak, dey birincil gerilme Pv = h. y = 14 MPa olarak belirlenmitir. Yatay birincil gerilmeler (Ph) iin, lm yaplmadka, salkl bir deerin kestirimi ok zordur. Bu almada, yatay birincil gerilmelerin tm dorultularda birbirine eit olduu varsaylmtr. Ayrca, literatrdeki mevcut yaklamlarn ve bu derinlik iin rapor edilen (Brown and Hoek, 1978) lm sonulanmn bir deerlendirilmesi yaplarak birincil gerilmelerin oran olan "k" iin bir dizi deer gz nnde bulundurulmutur (k = Ph / Pv = 0.5, 1, 2 ve 2.5). Baka bir deyile; zmlemelerde srasyla Ph = 7 MPa, 14 MPa, 28 MPa ve 35 MPa deerleri kullanlmtr. 5.3 Kaya Ktlesinin Modellenmesi Galeriyi evreleyen kaya ktlesinin elasto-plastik davran modellenirken aadaki varsaymlar yaplmtr. a. Kaya ktlesi yenilinceye kadar elastik izotropik davranmakta olup, deformasyon modl = 20 GPa ve Poisson oran = 0.2'dir. b. Kaya ktlesi Hoek-Brown grgl yenilme ltne (Hoek and Brown, 1980) uygun olarak yenilmektedir. c. Kaya malzemesine (ince taneli kumta) ait dayanm parametreleri: tek eksenli basn dayanm: CTC1 = 120 MPa Hoek-Brown dayanm parametresi: m, = 15.5 d. GSI = 67 olan kaya ktlesine ait dayanm parametreleri: orijinal kaya ktlesi iin: m = 4.8 ve s = 0.025; krlm kaya ktlesi iin: mr = 3.1 ve sr = 0.001; dlatasyon parametresi = 0 (hacim art yok). 318

S. 4 Kaya Saplamalarnn Modellenmesi PHASE2 (v. 5.0) programnda -Split Set kaya saplamalar bir dereceye kadar modellenebilmektedir. zmlemelerde, aadaki saplama zellikleri kullanlmtr. saplama tipi: Split Set, saplama boyu: 2.4 m saplama eliinin kesit alam: 216.5 mm 2 , saplama aral: 1.5 m (dzlem ii ve d) saplama eliinin Young modl: 200 GPa, ekme kapasitesi: 0.1 MN kesme (shear) kapasitesi: 0.02 MN/m, kesme katl (shear stiffness): 10 MN/m/m 5.5 Pskrtme Betonun Modellenmesi zmlemelerde pskrtme beton, Bernoulli formlasyonuna uygun olarak davranan kiri elemanlaryla temsil edilen kaplama (lining) elemanlar kullanlarak modellenmi olup u zellikler kullanlmtr: a. pskrtme beton tabakasnn kalnl: 10 cm, b. pskrtme betonun elastik zellikleri; Young Modl: 30 GPa, Poisson oran: 0.2 c. pskrtme betonun dayanm zellikleri: tek eksenli basn dayanm: 35 MPa, tek eksenli ekme dayanm: 3 MPa kalc basn dayanm: 3.5 MPa, kalc ekme dayanm: 0 5.6 Kaz ve Tahkimat Aamalarnn Modellenmesi PHASE2 sonlu elemanlar program, kaz ve tahkimat aamalarnn modellenmesine izin vermektedir. Ancak, program iki boyutlu zmleme yapabildii iin, aklk evresindeki gerilme ve yer deitirmelerin dzlem birim ekil deitirme (plane-strain) zmlemesi, kaz aynasndan ok gerideki (galeri aynasnn etkisinin hissedilmedii) bir kesitteki durumu yanstmaktadr. Byle bir zmlemede, tahkimat elemanlar tek bir aamada modele uygulanrsa, gerek hayatta tahkimat elemanlarnm maruz kalmayaca derecede byk yer deitirmelere (zorlanmalara) maruz kalacaklardr. Bilindii gibi, galeri aynas civarndaki kaya ktlesi bir miktar n deformasyona uram durumdadr. "Kaya saplamalar + pskrtme beton" tahkimat kaz aynasnda uygulansa bile, yalmzca bu n deformasyondan sonra geliecek olan evre kaya 2 deformasyonuna maruz kalacaktr, ite PHASE program, tahkimat uygulanmadan nce evre kayann maruz kald n deformasyonu modelleme olana tanyarak, zmlemenin daha gereki olmasn salayabilmektedir.

319

Buradaki kritik nokta, tahkimat uygulanmadan nce evre kayada ne kadarlk bir n deformasyonun meydana geldiinin kestirimidir. Bunun iin de yine PHASE2 program kullanlmtr. yle ki: hidrostatik birinci gerilme alannda (Ph = Pv = 14 MPa) alan, (kesiti B14 galerisi kesit alanyla aym) dairesel bir tnel aynas evresindeki elastik gerilme ve yer deitirmeler eksenel simetrik (axisymmetric) bir zmleme ile incelenmitir. Ortama, gz nnde bulundurulan galeriyi evreleyen kaya ktlesinin elastik zellikleri verilmitir. zmlemeye gre; tnel aynasndaki nsal (radit) yer deitirme, aynann ok gerisindeki yer deitirmenin yaklak % 25'i civarnda bulunmutur. almada gz nnde bulundurulan tahkimatl durumlarda, tahkimat elemanlarnn ikinci bir aamada yk almaya balad varsaylmtr. lk aamada ise galeriyi evreleyen ortamn % 25'lik bir n deformasyona urayaca kabul edilmitir. Bylece kaya ktlesi ile tahkimat elemanlarnn geree yakn bir ekilde etkileimi modellenebilmitir. 6. ZMLEME SONULARI Kaya ktlesi zellikleri kullanlarak, PHASE2 program yardmyla, her tahkimat durumu iin elasto-plastik zmlemeler yaplmtr. Aklk evresindeki yenilme blgesi ve dayanm katsays konturlan incelenmitir. zmlemelerde " o " ekme yenilmesini, "x" kesme yenilmesini "a" de ekme ve kesme yenilmesini birlikte betimlemektedir. Tahkimatsz durum iin k'nn seilen deerleriyle yaplan zmlemelerden elde. edilen sonulara gre; durayllk asndan en olumsuz durum k = 2.5 koulunda elde edilmektedir (ekil 5.a-d). Aklk evresindeki yenilme blgesinin akl tamamen evreleyerek, zellikle tabanda derinlik kazand grlmektedir. Buna gre, tahkimatl durumlarda yalnzca k = 2.5 iin zmlemeler gz nnde bulundurulmutur Kaya saplamal tahkimat tasarm ile yaplan zmleme sonularna gre; bu uygulamadaki yenilme blgelerinin dalm ve derinlii, tahkimatsz tasanmdakiyle byk benzerlik gstermektedir. Bu sonuca bakarak, aklk evresinin kaya saplamalar ile desteklenmesinin, yenilmi blgelerde anlaml bir azalmaya neden olmad sylenebilir (ekil 6.a). Ne var ki, gerek uygulamalarda kaya saplamalar yenilen kayay yerinde tutma ve salam ksmlara tatma ilevini yapmaktadr. Bu mekanizma tam olarak modellenemedii iin kaya saplamalar ilevsizmi gibi alglanmaktadr. "Kaya saplamas + pskrtme beton" uygulamasnda, galerinin tavan ve yan duvarlarnda meydana gelen yenilme blgesinin genilii tahkimatsz ve kaya saplamal tahkimata oranla nemli lde daralmaktadr (ekil 6.b). Sonuta; ekillerden de anlalaca gibi, durayllk asndan en kt durumu veren k = 2.5 koulunda bile, en az yenilmenin "kaya saplamas + pskrtme beton" tahkimat durumunda gerekletii grlmektedir. PHASE2 sonlu elemanlar program ile yaplan zmlemelerde; programn zellikleri nedeniyle Split Set saplamalarn gerek tahkimat mekanizmas, elik hasrm tahkimat davranndaki etkisi ve pskrtme betonun dayanmnn ve katlnn zamanla artmas modellenememitir.

320

321

a. Kaya saplamas tahkimatl durum.

b. "Kaya saplamas + pskrtme beton" tahkimatl durum. ekil 6. k = 2.5 iin yaplan elasto-plastk zmleme sonucuna gre dayamm katsays konturlar ve yenilmi elemanlar.322

7. YEN TAHKMAT SSTEMNDE B14 KEST STANDART TP DZ GALER BRM MALYET HESABI Yeni tahkimat sisteminde, B14 kesit standart tp dz galeri iin yevmiye miktarlarnda arn gerisi tahkimat ustal (2) ve arn gerisi tahkimat yedei (4) ile dier usta (1) ve dier yedek (2) olmak zere toplam 9 yevmiye (galeri kaz srecinde geriye donuk tamir-tarama almalar olmayaca varsaylarak) yer almamtr. Yeni tahkimat sisteminde B14 kesitli galeri iin 1 metre galeri maliyeti, Mays 2001 tarihi itibariyle (1.00 USD = 1 145 000 TL), 1 566 268 460 TL kmaktadr. Hesaplamalarn detaylar Yurdakul (2001 ) tarafndan verilmitir. Maliyet hesaplamalar yaplan her iki sistemde ortaya kan sonular izelge 3'te karlatrmal olarak verilmektedir. Yeni tahkimat sistemi, klasik sisteme kyasla % 19.6 gibi anlaml bir fark ortaya koymaktadr Maliyetlere etki eden dier bir fark ta, yeni tahkimat sisteminde, klasik sisteme oranla tamir-tarama almalarnn olmamas ve bunun iin de gerek iiliklerde gerekse malzeme tketiminde ekonomik anlamda yeni kazanmlar salanmasdr.

izelge 3. Karlatrmal maliyet anal'zi.Maliyet Girdileri Klasik sistem (a) (milyon TL/m) Yeni tahkimat sistemi (b) (milyon TL/m) Fark (a-b) (milyon TL/m)

(%) 55.1 8.9 19.3 16.7 100.0

iilik Malzeme Muh. mas. Ett his Genel toplam

1 074 174 375 325 1 948

833 177 295 261 1 566

(%) 53.2 11 3 18.8 16.7 100.0

241 -3 80 64 382

(%) 124 -0.2 4.1 3.3 196

8. SONULAR Kaya ktlesi snflandrma sistemleri ve PHASE ile yaplan zmlemelerden elde edilen sonular irdelendiinde, en uygun tasarmn "kaya saplamas + pskrtme beton" tahkimat durumu olduu sylenebilir. Yeni tahkimat tasarm olarak adlandrlan bu tasarmn uygulanmasnda dorudan kaya ile etkileim salanarak yk tama sz konusudur. Kaya saplamas ve elik hasr desteinde uygulanan pskrtme beton, akl evreleyen kaya ktlesi ile birlikte alarak, kayann kendi kendisini tamasna yardmc olacaktr. Ancak, maliyetlerde de yaklak % 20 ekonomi salayan yeni tahkimat sistemi iin pilot almalara esas tekil edecek bu tasarmn yeraltnda denenerek, sonularnn alnmas gerekir.

KAYNAKLAR ACI Committe 506 (1966) ACI Standart, Recommended Practice for Shotcrete (ACI 506-66). Shotcretng, ACI SP-14.

321

Aka, . ve Celep, Z. (1978) Pskrtme Beton ve Uygulamas, ITU Mhendislik Mimarlk Fakltesi Yayn, istanbul, s. 1-6. Albayrak, S. (1989) Zonguldak Komur Havzas'nda Surtunmel Kaya Saplamas Uygulanabilirliinin Aratrlmas, Yksek Mh. Tezi, HU Fen Bilimleri Enstits, Maden Mhendislii Anabilim Dal, Zonguldak, 100 s. Barton, N., Lien, R. and Lunde, J. (1974) Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, Vol. 6, pp. 189-236. Barton, N. and Grimstad, E. (1994) Rock mass conditions dictate choice between NTM and NATM. Tunnels and Tunneling, October Bieniawski, Z.T. (1989) Engineering Rock Mass Classifications, John Wiley and Sons, New York, 251 pp. Brown, E.T. and Hoek, E. (1978) Trends in relationships between measured insitu stresses and depth. Int J Rock Mech Min Sei & Geomech Abstr, Vol. 15, pp. 211-215. esan (2000) Beton elik Hasr, tantm katalogu, esan A.., istanbul. Gerek, H. (1979) An Analysis ofShotcrete Application Practice, M.Sc. Thesis, Dept. of Mineral Engineering, The Pennsylvania State University, 237 pp. Gerek, H. (1992) Pskrtme Betonun Yeralt Tahkimat Olarak Kullanm, Zonguldak Endstri Destekleme Merkezi, Manual No. SP 2/03, Hacettepe niversitesi Zonguldak Mhendislik Fakltesi, Zonguldak, s. 1-22. Hoek, E. and Brown, E.T. (1980) Underground Excavations in Rock, IMM, London. Kiska (1980) ayrhan ift hatl elektrikli tren yolu tnel ama projesi, pskrtme beton uygulama kitap (yaymlanmam), Kiska Kom. ti, Ankara. Mahar, J.W., Parker, H.W. and Wuellner, W.W. (1975) Shotcrete Practice in Underground Construction. Report to the Federal Railroad Administration, Department of Transportation, Contract No. DOT FR 30022, NTIS No. PB-248 248 765/LL. MBT (1997) Jobsite Manager, MBT Underground Construction, Zurich, pp. 18-19. Rocscience (2001) PHASE2 2D Finite Element Program for Calculating Stresses and Estimating Support Around Underground Excavations - User's Guide, Rocscience Inc., Toronto, 173 pp. nl, T. ve olak, K. (2001) TTK Ocaklarnda Tata Srlen Galerilerde Pskrtme Beton ve Kaya Saplamas Kullanmnn Aratrlmas, Birinci Gelime Raporu, ZK Mhendislik Fakltesi, Maden Mhendislii Blm, Zonguldak. Yaral, O. (1991) Kaya Saplamalar Uygulamalar, Tasarm ve Kullanlmalarna ilikin Ynergeler, Yksek Mh. Tezi, H Fen Bilimleri Enstits, Maden Mhendislii Anabilim Dal, Zonguldak, s. 64-71. Yurdakul, . (2001) Pskrtme Beton Teknolojisinin TTK Ocaklar Ana Galerilerinde Uygulanabilirliinin Aratrlmas, Yksek Mh. Tezi, ZK Fen Bilimleri Enstits, Maden Mh. Anabilim Dal, Zonguldak, 221 s.

324