The Effect of Geomechanical Properties of Rock on the Performance of Tunnel Boring Machines Employed in Metro Tunnels

Year 2014, Volume: 35 Issue: 1, 141 - 168, 01.02.2014

Ali Yüksel Nuh Bilgin

https://doi.org/10.17824/huyuamd.78237

Cited By: 2

Abstract

Twin railway tunnels, stations and turnout structures exist in the Kozyatağı-Kadıköy section of the Kadıköy-Kartal Metro Project. Stations and switch tunnels were bored by NATM, which is a conventional excavation method, since these structures have varying cross sections. 12.3 km long track tunnels were excavated with EPB type TBMs that can operate in both open and closed-pressurized modes. During the geological investigation studies, a total of 107 boreholes were drilled between Kozyatağı and Kadıköy. The rock samples obtained from these drillings were examined by considering rock mass indices, compressive strengths and rock mass parameters in order to characterize the rock medium. From the beginning of TBM utilization in tunnel excavations, number of studies were conducted by various researchers for determining the relations between TBM excavation performance and geomechanical rock mass parameters. In this study, the statistical relationships between the recorded excavation data during tunneling and rock strength parameters obtained from drillings were investigated based on the Kadıköy-Kartal Metro Project. Trials with one, two and three variable regression analyses were examined between the geomechanical parameters and excavation performance and statistically significant correlations were obtained. With the help of these regression models, excavation performance can be predicted within an acceptable range from the geomechanical properties for TBM excavations in similar rock conditions

Keywords

EPBM, excavation performance, metro, tunnel, rock strength parameters, TBM

Kayanın Jeomekanik Özelliklerinin Metro Tünellerinde Kullanılan Tünel Açma Makinelerinin Performansına Etkisi

Abstract

Kadıköy Kartal Metro Projesi’nin Kozyatağı ile Kadıköy arasındaki güzergah kesiminde çift tüp şeklinde hat tünelleri, istasyon ve makas yapıları bulunmaktadır. Bu projede, istasyon ve makas tünelleri, değişken kesitlerde olmaları nedeniyle konvansiyonel kazı yöntemi olan Yeni Avusturya Tünelcilik Yöntemi (NATM) ile açılmıştır. Toplam 12.3 km uzunluğundaki hat tünelleri ise hem açık biçim hem de kapalı-basınçlı biçimde çalışabilen özelliklere sahip TBM makineleri ile açılmıştır. Jeolojik araştırmalar sırasında proje güzergahının Kadıköy ile Kozyatağı arasında kalan kesiminde 107 adet sondaj yapılmıştır. Bu sondajlardan alınan kaya örnekleri üzerinde tünellerdeki kaya ortamın tanımlanmasına yönelik olarak indeks, dayanım ve kaya kütle parametreleri belirlenmiştir. Tünel açma makinelerinin (TBM) kullanılmaya başlamasından bu yana çeşitli araştırmacılar tarafından kazı performansı ve kaya kütlesinin jeomekanik parametreleri arasındaki ilişkiler konusunda çok sayıda araştırma yapılmıştır. Bu çalışmada; Kadıköy Kartal Metrosu örneğinde, TBM kullanılarak yapılan tünel açma çalışmalarında kaydedilen kazı parametreleri ile yine güzergahın bu bölümünde açılmış sondajlardan elde edilen kaya dayanım parametreleri arasındaki istatistiksel ilişkiler araştırılarak değerlendirilmiştir. Çalışmada, kayanın jeomekanik parametreleri ile kazı performansı arasında bir, iki ve üç değişkenli regresyon analizleri yapılmış ve, istatistiksel açıdan anlamlı ilişkiler bulunmuştur. Bulunan ilişkiler yardımıyla benzer kaya koşulları içerisindeki TBM kazılarında jeomekanik büyüklükler kullanılarak kazı performansı önceden belli bir yaklaşıklıkla belirlenebilecektir. Benzeri uygulamalardan gelecek verilerin bir veri bankasında toplanması ve değerlendirilmesiyle, yapılacak kestirimlerin hassasiyetinin artacağı muhakkaktır

Keywords

EPB, kaya dayanım parametreleri, metro, TBM, tünel, kazı performansı

References

• Barton, N.R.; Lien, R.; Lunde, J., 1974. Engi- neering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics and Rock Engineering, 6 (4): 189–236.
• Barton, N. 2000. TBM tunneling in jointed and faulted rock. A.A. Balkema, Rotterdam.
• Bieniawski, Z., T., Celada, B., Galera J., M. ve Alvarez, M. 2006. Rock mass excavabi- lity (RME) indicator: new way to selec- ting the optimum tunnel construction method. Proceedings of the ITA-AITES World Tunneling Congress, Seoul, Ko- rea, pp. 15-23.
• Bilgin N., Balcı, C., Tunçdemir, H., Eskikaya, Ş. Akgül, M. and Algan, M., 1999. The per- fomance prediction of a TBM in difficult ground condition. AFTES, Journees d’Etudes Internationales de Paris, Oc- tober, pp.115-121.
• Farrokh, E., Rostami, J. and Laughton, C. 2012. Study of various models for estimation of penetration rate of hard rock TBMs.
• Tunnelling and Underground Space
• Technology, 30, 110-123.
• Graham, P. C. 1976. Rock exploration for mac- hine manufacturers. Proceeding of the Symposium on Exploration for Rock Engineering, 173-180.
• Hassanpour, J., Rostami, J., Kamehchiyan, M., Bruland, A. and Tavakoli, H.R. 2009.
• TBM performance analysis karaj water
• conveyance tunnel. Rock Mechanics
• and Rock Engineering, 43 (4), 427-445.
• Kato, M. 1971. Construction machinery. Gihodo, Tokyo, 348-349.
• Ketin, İ. 1992. İstanbul ve dolayının jeoloji haritası. İSKİ (Yayınlanmamış çalışma) İstanbul.
• Kodamanoğlu, T. 1977. İstanbul-Beykoz civa- rının jeolojik incelenmesi: MTA Dergisi, Sayı 88, s. 32-43, Ankara.
• Lin, C., C. and Yu C., W. 2005. Discussion and solution of the TBM trapped in the westbound hseuehshan tunnel. Proce- eding of the World Long Tunnels 2005 Congress, Taipei, Taiwan, pp. 383-394.
• Lui, H., S. and Chang, L., C. 2005. Examinati- on of the TBM selection and ıts effect in the hsuehshan tunnel. Proceeding of the World Long Tunnels 2005 Cong- ress, Taipei, Taiwan, pp. 23-33.
• Nelson, P. P., Ingraffea, A. R., O’Rourke, T. D.
• 19 TBM performance prediction
• using rock fracture parameters, Inter
• national Journal of Rock Mechanics
• and Mining Sciences, 22, 189-192
• Okubo, S., Fukuki, K. ve Chen W. 2003. Expert system for applicability of tunnel boring machines in Japan. Rock Mechanics and Rock Engineering, 36 (4), 305-322.
• Oraee, K., Salhi, B. and Sarkissian, A., 2010
• TBM performance prediction in Iran.
• Tunnel & Tunneling International, May 2010 51-54.
• Özdemir, L. 1977. Development of theoretical equations for predicting tunnel borabi- lity. Ph. D. Thesis, Colorado School of Mines, Golden.Co.
• Rostami, J. and Ozdemir, L. 1993. A new model for performance prediction of hard rock
• TBMs.Proceeding of the RETC, 793- 809
• Roxborough, F. F. and Phillips, H. R. 1975. Rock excavation by disc cutter. International
• Journal of Rock Mechanics and Mining
• Sciences, 12, 361-366.
• Saito, T., Shimada, T., Yoshikawa, K. and Tuki- oka, A. 1971. Mechanized tunnel exca- vation. Sankaido, Tokyo, 36-81.
• Sanio, H. P. 1985. Prediction of the performan- ce of disc cutters in anisotropic rock. International Journal of Rock Mecha- nics and Mining Sciences, 22, 153-161.
• Sapigni, M., Berti, M., Bethaz, E., Busillo, A. and Cardore, G. 2002. TBM performance es- timation using rock mass classification. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 39, 771-788.
• Seymen, İ. 1995. İzmit Körfezi ve çevresinin je- olojisi, İzmit Körfezi Kuvarterner İstifi. (Edt. Meriç, E), Kocaeli Valiliği Çevre Koruma Vakfı, Kocaeli
• Snowdon, R. A., Ryley, M. D., Temporal, J.
• 19 A study of disc cutting in selected
• British rocks, International Journal of
• Rock Mechanics and Mining Sciences, 19, 107-121.
• Sönmez, H., Ulusay, R., 2002. A discussion on the Hoek-Brown failure criterion and suggested modifications to the criteri- on verified by slope stability case studi- es. Yerbilimleri, 26, 77-99.
• Yüksel, A., Sözak, N. ve Gülle, G. 2005. Kadı- köy Kartal Raylı Toplu Taşıma Sistemi Mühendislik Jeolojisi Raporu, Rapor No: KK-GE-TR-GN-004, Yapı Merkezi – Yüksel – Doğuş – Yenigün İnşaat Ortak Girişimi, İstanbul
• Yüksel, A., Yeşilçimen, Ö., Arıoğlu, E. 2006: Ka- dıköy-Kartal Raylı Toplu Taşıma Sistemi Projesinde Jeolojik ve Jeoteknik Araş- tırma Çalışmaları, Rocmec’2006, VIII Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu, İstanbul, s. 157-170.
• Yüksel, A., 2013. TBM Makinelerinde Kayaç Özellikleri ve Makro Süreksizliklerin Kazı Performansına Etkilerinin Araştı- rılması, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Maden Mühendisliği Progra- mı, İstanbul.