Building an expert system for supervising and management of underground rock structures

Yeraltı kaya yapılarının denetimi ve yönlendirilmesinde uzman sistem oluşturulması

Abstract

Underground rock structure is the surrounding rock, which is safe and sufficient for engineering, of an underground opening. Defining the rock mass properties and observing the changes continuously is the supervising works and describing the methodology and process when needed is the management of underground rock structures constructions. In modern tunneling approaches, works which are done to define the rock mass properties, can be summarized as following: definition of geological conditions of tunnel face after excavation stages, definition of rock mass quality and definition of rock support system according to obtained data. The changes of rock properties are observed by geotechnical measurements. If needed, horizontal drillings are applied to determine the rock behavior along the tunnel. The data are evaluated and compared to the design foresights. This information is used to give a decision if displacements occur in the tunnel and underground constructions.Supervising and control works are performed by experienced engineers. If the steps described above are not applied fastidiously, deformation or even subsidence problems may occur during construction. To prevent this kind of problems, benefiting from computer technology could supply both economical and effective solution. Expert systems can be defined as computer programs, which imitate the thinking methodology and logic of human being. Because of being prepared for a specific subject, they are defined as experts. Using these programs in underground rock structure management works would facilitate the supervision and guidance. The expert system would be able to save hundreds of data, would evaluate them, and before a displacement problem occurs, it would warn the engineer, find out the reason of the problem and recommend a solution.Expert systems are having a high capacity to save different kind of projects at the same time. This would allow working on different construction sides simultaneously.The aim of the work is building an expert system for the supervising and management works of underground rock structures. The applicability of expert systems to tunnel management works are discussed by applying a prototype expert system to Nefise Akçelik Tunnel and Sarayköy tunnel, which constructed according to Black Sea Highway Project.An expert system, called USTA (Uzman Sistem ile Tünel Analizi or Universal Systems for Tunnel Analysis as well) is build by using Visual Basic 6.0. The program uses 7 Access files as knowledge base and data bank. It is possible to save 65 different tunnel projects, having a length of 1000 meters. For each excavation step, the user can save 6 photos, which are converted and saved to the data bank to avoid deletion from the disc. USTA uses Ms Excel and Ms Word for reporting and graphs. This makes it easier to share or save the information. What’s more; the program has a sample project library, which can be improved by adding new projects by users. This makes it possible to get solutions or ideas from similar projects. It is important to note that USTA is the first prototype expert system, which is prepared for underground rock structures managements. There are many expert systems around the world, but they are commonly used during design phases. USTA is applied to two tunnel projects, constructed in Black Sea Region in Turkey. Both tunnels encountered to huge displacement problems, up to 12 – 14 cm. Support and improvement works have been done by EMAY Int. Eng. Cons. and Trd. Co. Ltd. with cooperation of IT., Engineering Geology division to reduce the displacements. The obtained excavation and geotechnical measurement data were saved to USTA to find out its effectiveness. As a result; USTA was able to warn the user at the right moment when displacement started to occur. The program calculated the displacement velocity and acceleration. The reasoning of the displacements, reported by USTA were very similar to the displacement cautions, defined during design phases. The program recommended in-situ geomechanical parameters for re-calculation phases of support systems. The in-situ geomechanical parameters were very close to the parameters calculated by FEM back-analysis.

Özet

Yeraltı kaya yapısı yerkabuğu içinde herhangi bir boşluğun açılmasından sonra bu boşluğu çevreleyen ana kayadan oluşan, mühendislik açısından yeterli ve güvenli taşıyıcı sistemlerdir. Kayanın açım sırasında karşılaşılan niteliklerinin saptanması ve değişimlerinin sürekli olarak izlenmesi yeraltı kaya yapısının denetim çalışmalarını, önlem alınmasını gerektiren durumlarda izlenmesi gereken yöntem ve işlemlerin belirlenmesi ise yönlendirme çalışmalarını oluşturmaktadır. Denetim çalışmaları kapsamında ayrıntılı mühendislik jeolojisi ve geoteknik araştırmalar yapılmaktadır. Yapım sırasında sağlanan çok sayıda veri birbirleri ile ilişkilendirilerek incelenmek zorundadır. Uzmanlık ve titiz çalışma gerektiren denetim çalışmaları yapılmadığında ise tünelde deplasmanlarla karşılaşılabilmekte, göçükler olabilmektedir. Uzman sistemler en genel anlamıyla insanın düşünme yöntemini ve mantığını taklit eden bilgisayar programlarıdır. Yeraltı kaya yapılarının denetimi ve yönlendirilmesi çalışmaları sırasında kullanılacak bir uzman sistem yüzlerce verinin arşivlenmesini sağlayacak, verileri birbirleri ile ilişkilendirecek ve deplasmanları her ölçüm noktası için sürekli olarak izleyecektir. Yazılım uzman sistemlerinin yapısı gereği bir problem olması durumunda problemin nedenlerini ortaya koyacak ve mühendise çözümü rapor edecektir. Çalışmanın amacı; yeraltı kaya yapılarının denetimi ve yönlendirilmesinde uzman sistemlerin uygulanabilirliğinin incelenme-si, örnek bir uzman sistem için algoritmanın kurulması ve bir uzman sistemin hazırlanmasıdır. Uzman Sistem ile Tünel Analizi (USTA) adı verilen yazılım Karadeniz Sahil Yolu Projesi kapsamında inşa edilen Nefise Akçelik tünelinde ve Sarayköy tünelinde uygulanmış ve uzman sistemin denetim ve yönlendirme çalışmalarındaki başarısı ile sağlayacağı faydalar tartışılmıştır.