Yüzey seviyesinin yüzlerce metre altında{0}zorlu koşullar altında yollarını açan tünel açma makineleri (TBM'ler), yer altı altyapısında devrim yarattı
Bazıları 60 km uzunluğa ve 2,4 km derinliğe kadar ulaşan tüneller, dünyadaki en zorlu mühendislik zorluklarından bazılarını temsil ediyor. Dağların arasından, nehirlerin ve denizlerin altından geçen bu devasa projeler yalnızca çelik-yapılı ekipmanlarla mümkün olabiliyor. Bu yer altı karayollarını ve demiryollarını oluşturan TBM'lerin dayandığı gücü ve ağırlığı taşıyan şey çeliktir.
Önceki tünel açma çalışmaları, elle kazı yapma veya patlayıcı kullanımı gibi yeraltı projelerinin kapsamını ciddi şekilde sınırlayan teknikler içeriyordu. Daha sonra 1950'li yılların başında ABD'deki Oahe Barajı Projesi için James Robbins tarafından ilk modern TBM geliştirildi. Bu ilk makine, dambıl biçimli kesiciler kullanarak zayıf şist kaya oluşumlarını kazmak için tasarlandı. Sert kaya kazısı ihtiyacı sonunda Robbins'in 1956'da tüm modern TBM'lerin tasarım temeli haline gelen döner diskli kesiciyi geliştirmesine yol açtı.
Yeri doldurulamaz bir malzeme
Karbon kompozitlerin birçok endüstride ilerlemesine ve alüminyum ve titanyum potansiyeline rağmen, TBM'lerin benzersiz mühendislik zorlukları söz konusu olduğunda hiçbir şey çeliğin kalitesiyle karşılaştırılamaz.
1950'lerden bu yana hala TBM üreten orijinal üretici Robbins'in iş geliştirme müdürü Tyler Sandell, "Gerçekten [TBM'leri] yapabileceğiniz başka bir malzeme yok. Yani, görünüşte alüminyumdan, titanyumdan veya başka malzemelerden bir tane yapabilirsiniz, ancak bu gerçekçi olmayan bir şekilde pahalı olur" diyor.
Modern TBM'ler 400 metreye kadar uzunluğa ve 1.000 tona kadar ağırlığa ulaşabiliyor ve tüneli oluşturmak için farklı toprak türlerini ve kayaları kazan başlıktaki dairesel kesite sahip. Bu sanayi devleri, sertleştirilmiş çelik disk kesiciler kullanıyor ve ön kalkan olarak bilinen ünite kafasının arkasında, yüksek teknolojili izleme ve yedekleme ekipmanlarından oluşan bir tren-ve bir konveyör bulunuyor; böylece kazı sırasında toprak ve kaya sürekli olarak kaldırılabiliyor.
Yeraltı inşaatı
Modern TBM teknolojisi olmadan imkansız olacak tünel açma projelerine iki örnek, Türkiye'deki Boğaz'ın Avrupa ve Asya kıyılarını birbirine bağlayan 14,5 km-uzunluğundaki Avrasya Tüneli ve İsviçre Alpleri'nin altından geçen Gotthard Üssü Tüneli'dir. Avrasya karayolu taşımacılığı için inşa edildi ve İstanbul'un işlek caddelerindeki sıkışıklığı hafifletirken, Gotthard'ın en derin noktasında yaklaşık 2,4 km derinliğinde ve inşası yaklaşık 20 yıl süren bir demiryolu hattı bulunuyor.
Sandell, "Yüzeyde yerimiz kalmadı, bu nedenle altyapınızı oluşturmak için yer altına inmeniz gerekiyor" diye açıklıyor. Yeraltı demiryolu hatlarının ve yollarının oluşturulması ciddi anlamda 19. yüzyılda başladı. İlk TBM'lerin ön kısmında toprağı ve kayayı parçalayacak çeşitli kazı aletleri bulunuyordu ancak bu kalıntılar makine tarafından yakalanamıyordu. Bunun yerine, ünitenin içine entegre olmak yerine, ilerleyen makinenin altından geçen bir vidalı konveyör aracılığıyla TBM'nin giriş noktasına doğru geri aktarılacaktı.
"Tünelin yapıldığı ön kalkan başta olmak üzere tüm yapı çelik levhadan oluşuyor"
Wolfram Hoelbling, Dillinger
O günden bu yana TBM'lerdeki ilerlemeler arasında, farklı sertlik ve su içeriğine sahip farklı toprak ve kayaları kazıyan dairesel kesme başlığı da yer alıyor. Üç farklı TBM türü vardır; biri sert kaya için, biri yumuşak toprak için ve ikili mod adı verilen üçüncüsü ise ikisinin karışımları içindir. TBM hangi koşullar altında çalışırsa çalışsın, kesici başlık ile toprak veya kaya arasındaki sürtünmeden kaynaklanan titreşimler, bunlara karşı koyabilecek güçlü, ağır bir yapı gerektirir. Bu nedenle ön koruma için kullanılan ağır plaka, uluslararası EN 10 O25 yapı standardına uygun ince taneli çeliklerden yapılmıştır. Bu güç olmadan tünel açma ünitesi kazı sırasında kendisini sallayarak parçalara ayrılabilir.
Çelik-yapılı bir dev
Dillinger'in pazarlama ve teknik destek departmanındaki ağır makineler, inşaat ekipmanları ve çelik servis merkezi başkanı Wolfram Hoelbling, "Bütün inşaat, özellikle de tünel açmanın yapıldığı ön kalkan çelik levhadan oluşuyor" diyor. Dillinger, Almanya'nın Dillingen şehrinde bulunan ve TBM imalatçılarına tedarik sağlayan bir ağır çelik levha üreticisidir. "Bir tünel açma makinesinin ön kısmının aşağı yukarı tamamen ağır plakadan yapıldığını söyleyebilirim" diye açıklıyor. "Bütün yapı çelikten yapılmış ama aynı zamanda tünel açma makinesini çalıştıran parçalar da ağır çelik levha bileşenlerden yapılmış."
Hoelbling, yıllar içinde delik işleme makinelerine yönelik çeliklere yönelik "gereksinimlerde artan bir değişiklik" gördüğünü söylüyor. Bu küçük değişiklikler, TBM'lerde kullanılan çeliklerin kaynak için daha iyi hale getirilmesi ve "daha yüksek tokluk" sergilenmesiyle ilgiliydi.
Karbon kompozitler diğer endüstrilerde de ilerleme kaydetmiştir, ancak tünel açma makineleri için pek kullanışlı değildirler. Karbon kompozitler reddediliyor çünkü "bu endüstride maliyet konusunda çok hassasız" diye açıklıyor Sandell, "ve bu tür malzemeleri bir tünel açma makinesinde kullanmak maliyet açısından engelleyici ve açıkçası israf olacaktır".
İstanbul Boğazı'nın altından geçen Avrasya tüneli TBM teknolojisiyle mümkün oldu
Kesimi yapmak
Toprak ve kayayı kazıyan kesicilerde takım çeliği kullanılır. Sandell, "Makinenin iş tarafında disk kesicilerin tamamı çelikten yapılmıştır" diye açıklıyor. "Sert kayalarda disk kesicilerle aynı dayanıklılık özelliklerine ve hasar toleransına sahip daha iyi bir malzeme bulamadık- ve bunları takım çeliğinden yapıyoruz."
Bir Robbins kesici disk, bir elektrik ark ocağında eritilmiş çelik olarak hayata başlar, daha sonra vakumla gazdan arındırılır ve argon gazıyla kaplanmış halde alttan külçe kalıplarına dökülür. Külçeler, kesici diskleri oluşturmak için dövme amacıyla kullanılır. Dövme parçalar daha sonra işlenir ve ısıl işleme tabi tutulur. Sandell'e göre firmanın ilk günlerinde ve "küçük çaplı makinelerde" Robbins'in yaptığı en küçük kesicilerin çapı 6,5 inç (16,5 santimetre) idi. Sektörde bir TBM'nin metrik birimler kullanılarak tanımlanabilmesine rağmen kesicilerin hâlâ inç cinsinden ölçüldüğünü ekliyor.
"Makinenin iş tarafında disk kesicilerin tamamı çelikten yapılmıştır. Sert kayalarda aynı dayanıklılık özelliklerine ve hasar toleransına sahip daha iyi bir malzeme-bulamadık."
Tyler Sandell, Robbins
Büyük delik işleme makinelerinde kesicilerin çapı 20 inç kadar büyük olabilir. "Çapı üç metrenin üzerinde olduğunu düşündüğümüz tam-boyutlu bir tünel açma makinesi için, onlara taktığımız en küçük kesiciler 14 inçtir" diyor Sandell., en yaygın disk kesicilerin 17 ve 19 inç olduğunu ekliyor.
Tünel açma makinesinin yapısı, kazı aletleri ve iç işleyişinin tamamı çeliktir, çünkü bu gerekli titreşim emici kütleyi sağlar. Sandell'in açıkladığı gibi, makinenin belirli koşullarda yüzmesini önlemek için de bu gereklidir. "Birkaç yıl önce Japonya'da büyük bir proje vardı. Tokyo'da bir deniz altı otoyoluydu. Tünel açma makinesi yüksek su içeriğine sahip toprakta yüzeceği için- ona çok miktarda balast eklemek zorunda kaldılar ve bunun için de çelik kullandılar."
İnce taneli çelikler, takım çelikleri, dövme ve ısıl işlem; TBM, uçtan uca işini yalnızca tek bir malzeme sayesinde gerçekleştirebilir. Çeliğin gücü ve kütlesi, titreşimin ve olası yüzdürmenin üstesinden gelirken dayanıklılığı, sert kristal kaya oluşumlarını çiğnerken muazzam fiziksel zorlanmaya maruz kalan kesme disklerinin omurgasını oluşturur. Bu nitelikler, dünya çapında benzersiz yeraltı mühendisliği zorluklarını içeren devasa projelerin gerçekleştirilmesine yardımcı olmuştur.
