MTS 3022 TÜNEL AÇMA Prof. Dr. Turgay ONARGAN Prof. Dr. C. Okay AKSOY

... konulu sunumlar: "MTS 3022 TÜNEL AÇMA Prof. Dr. Turgay ONARGAN Prof. Dr. C. Okay AKSOY"— Sunum transkripti:

1 MTS 3022 TÜNEL AÇMA Prof. Dr. Turgay ONARGAN Prof. Dr. C. Okay AKSOY
DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ Maden Mühendisliği Bölümü Prof. Dr. Turgay ONARGAN

2 TÜNEL AÇMA Tünel; ekseninin eğim açısı 30 dereceden küçük olan; iki ucu açık ve boyuna göre çapı çok küçük olan yeraltı kaya yapılarıdır. Kaya mühendisliği açısından tünel; kazılabilen ve tahkim edilebilen yeraltı geçişidir. Bu tanımdan çıkarılan sonuca göre tünel inşasında en önemli unsur; kayanın kazılabilme ve desteklenebilme özelliğidir.

3 Amaçlarına göre tüneller
TÜNEL AÇMA Amaçlarına göre tüneller Akışkan Nakli Tünelleri Hidroelektrik santral tünelleri açılacak Su temini amaçlı tüneller Alt yapı tünelleri Maden nakliye tünelleri Yol Tünelleri Demiryolu tünelleri Kara yolu tünelleri Su taşıtları tünelleri Yaya tünelleri Metro Tünelleri

4 TÜNEL AÇMA Tünel Açmanın Gereklilikleri
Eğimi sınırlı olan güzergâhlarda, dağlık arazide yeryüzünden aşılamayan sırt ve tepelerin geçilmesi, Güzergâhın bir kısmında tünel inşası ile önemli bir kısalma meydana gelecekse ve tünel için gereken masraf bu kısalmadan elde edilecek ekonomik değerlerle karşılanabilecekse veya tünelden geçilmesi halinde maliyet artsa bile bu artış işletme masraflarından elde edilebilecek ekonomik değerlerle karşılanabilecekse, Güzergâhın bir kısmının önemli toprak kaymaları, kaya yuvarlanmaları ve çığlardan korunması amacıyla, Demiryollarında dağlık arazide yükseklik kazanmak amacı ile,

5 TÜNEL AÇMA Demiryollarında olduğu gibi, büyük yarıçaplı kurbaların uygulandığı güzergâhlarda dar bir vadinin veya sırtın dönülmesi sırasında büyük dolgu, yarma veya köprü ve viyadüklerin çıkmasının istenmediği veya uygun görülmediği zamanlar, İnşası ve bakımı fazla masraflı olan kendini tutamayan zeminlerdeki büyük yarmalardan kurtulmak amacı ile, Temiz ve atık su izalesi, Yoğun trafiğin bulunduğu yolların veya yol ile demir yolunun kesişmesinin istenmediği zamanlarda, tünel yapımı gerekli olmaktadır.

6 Dizayn Çalışmaları ve Aşamaları
Tasarım çalışmaları genel olarak; Yeraltı yapılarının geometrik düzeninin belirlenmesi, yani tünelleri yatay ve dikey hizalama, tünel konumu, eksen yönü ve tünel sistemi seçimi, Tünel kesitinin belirlenmesi, Kazı yönteminin belirlenmesi (tam kesit veya parçalı kesit kazı, kazı aşamaları esnasında tünel ekseni), geçici ve nihai destek önlemleriyle birlikte drenaj ya da zemin güçlendirmesini içermektedir.

7 TÜNEL AÇMA TÜNEL TASARIMINDA AŞAMALAR
Bir tünel projesinin tasarımı genellikle aşamalarına uygun olarak farklı evrelere ayrılır; 1. Konsept dizaynı 2. Başlangıç dizaynı 3. Genel dizayn 4. Nihai dizayn

8 TÜNEL AÇMA Konsept dizaynı; Karar alma aşaması için tünelin uyumluluğunu seçmeyi veya onaylamayı amaçlamaktadır. İlgili tünelleme yönleri belirli bir uyum ile vurgulanır ve ayrıntılı olarak incelenir.

9 TÜNEL AÇMA Başlangıç dizaynı; Seçilen uyuma dayayalı olarak, projenin başlangıç dizaynı iyileştirilir ve bir çevresel etki çalışması düzenlenir. Başlangıç tasarımında öncelikli olarak su kaynakları, orman ve çevresel korumanın hukuki yönleri üzerine odaklanılır.

10 TÜNEL AÇMA Genel dizayn; Amacı yapılan işlerin detaylandırılmasıdır. Şöyle ki; her bir işin kesin fiyatlandırması mümkündür. Ayrıca sözleşmeden doğan belgeler ele alınmaktadır.

11 TÜNEL AÇMA Nihai dizayn; Genel dizayn aşamalarında belirtilmiş olan işlerin detaylandırılma çalışmasıdır. Yani çalışma ekonomik yollarla inşa edilmiş, yapısal güvenlikli, boyutsal olarak doğru ve fonksiyonel olmalıdır.

12 TÜNEL AÇMA Tasarım Aşamaları Konsept dizaynı Başlangıç dizaynı
Başlangıç Dizaynında, Seçilen uyuma dayayalı olarak, projenin başlangıç dizaynı iyileştirilir ve bir çevresel etki çalışması düzenlenir. Başlangıç tasarımında öncelikli olarak su kaynakları, orman ve çevresel korumanın hukuki yönleri üzerine odaklanılır. Konsept dizaynı Başlangıç dizaynı Hassas dizayn Nihai dizayn Hassas dizayn’ın amacı yapılan işlerin detaylandırılmasıdır. Konsept dizaynı; karar alma aşaması için tünelin uyumluluğunu seçmeyi veya onaylamayı ve işverene sunmayı amaçlamaktadır. Nihai dizaynın amacı; hassas dizayn aşamalarında belirtilmiş olan işlerin detaylandırılmasıdır.

13 TÜNEL AÇMA Kaya mühendisliği ve tasarımı ile zemin davranışı arasındaki prensip ilişkisi

14 TÜNEL AÇMA Kaya kütlesini karakterize etmenin ilk adımı, litoloji, laboratuar deneyleri ve saha gözlem verileriyle tanımlanan kaya kütlesinin tipini tanımlamaktır. İkinci adım tünel veya açıklığı çevreleyen zemin için beklenen davranış tipini belirlemektir. Bu aşamada, kaya kütlesi/kaya tahkimatı etkileşiminin analizine dayanan sistem davranışı belirlenir. Yeraltı yapılarının tasarımı için temel prosedürlerin akım şeması (Schubert ve Goricki,2004; Austrian Code, 2001)

15 BELİRLENEN SİSTEM DAVRANIŞI
TÜNEL AÇMA BELİRLENEN SİSTEM DAVRANIŞI DENETLENMESİ Mühendislik yargılaması denen kişisel tecrübeye Bazı ampirik tasarım kurallarına (sınıflama sistemleri), Bazı hesaplamalara İlk üç maddenin her üçüne de dayanabilir.

16 TÜNEL AÇMA Kaya tasarımındaki ana araçlar (Stille and Palmstrom, 2003)

17 Açıklık kazısı boyunca potansiyel yenilme modu tanımlaması
TÜNEL AÇMA KAYA/ZEMİN DAVRANIŞI Temel davranış tipi Açıklık kazısı boyunca potansiyel yenilme modu tanımlaması 1 Stabil Küçük bölgesel yerçekimi ile tetiklenen, düşen veya kayan blok potansiyeli ile stabil kaya kütlesi 2 Süreksizlik Kontrollü blok düşmesi potansiyeli ile Stabil Derine ulaşan, süreksizlik kontrollü, yerçekimiyle tetiklenen düşen ya da kayan bloklar, nadiren bölgesel kesme yenilmesi 3 Sığ kesme yenilmesi Kaya kütlesinin süreksizliği ve yerçekimi kontrollü yenilmesi ile kombinasyon halindeki, sığ gerilmeyle tetiklenen makaslama yenilmeleri 4 Derin kesme yenilmesi Derin gerilmeyle tetiklenen makaslama yenilmesi ve büyük deformasyon 5 Kaya patlaması Birikmiş gerilme enerjisinin hızlıca serbest kalması ve yüksek gerilimli gevrek kayalar yüzünden kaya kütlesinin ani ve şiddetli yenilmesi 6 Bükülme yenilmesi Nadiren kesme yenilmesiyle birleşen, dar boşluklu süreksizlik setli kayaların bükülmesi 7 Düşük yanal basınç altında kesme yenilmesi Aşırı kesit dışı kazı potansiyeli ve esasen yanal basınç eksikliğinin sebep olduğu, baca tipi yenilmeli makaslama yenilmesi 8 Sökülen zemin Kohezyonsuz kuru veya nemli, yoğun çatlaklı kaya veya zeminlerin akması 9 Akan zemin Yüksek su içerikli, yoğun çatlaklı zemin veya kayanın akışı 10 Şişme Kayanın fizyo-kimyasal reaksiyonundan ve gerilim rahatlamasıyla kombinasyon halindeki tünel çevresinin içe doğru hareketine yol açan su kaynaklı, kayanın zamana bağlı hacim artışı 11 Sıklıkla değişen davranış Bir tektonik melanjın (gevrek fay zonu) matriks içi blok durumu ya da heterojen kaya kütle koşulundan kaynaklanan, gerilim ve deformasyonların hızlı değişimi RICS - Royal Institution of Chartered Surveyors InstCES - Institution of Civil Engineering Surveyors SST - Society of Surveying Technicians GP - Mostly concerned with valuation and investment P & D - eg analyse the existing level of residential development against regional population forecasts and prepare valuations to help gauge profitability BS - advising on design, construction, maintenance, repair and refurbishment of residential and commercial property. Historic / listed buildings. RP - Management of country estates and farms. The planning and development schemes for agriculture, forestation recreation. MS - plans the development, manages and values mineral workings. LS - measures land and its physical features accurately and records these in the form of a map or plan. Jeomekanik planlama için Avusturya kılavuzuna dayanan davranış tipleri (Schubert ve Goricki, 2004)

18 TÜNEL AÇMA RICS - Royal Institution of Chartered Surveyors InstCES - Institution of Civil Engineering Surveyors SST - Society of Surveying Technicians GP - Mostly concerned with valuation and investment P & D - eg analyse the existing level of residential development against regional population forecasts and prepare valuations to help gauge profitability BS - advising on design, construction, maintenance, repair and refurbishment of residential and commercial property. Historic / listed buildings. RP - Management of country estates and farms. The planning and development schemes for agriculture, forestation recreation. MS - plans the development, manages and values mineral workings. LS - measures land and its physical features accurately and records these in the form of a map or plan. YERALTI AÇIKLIKLARINDAKİ BAZI DAVRANIŞ TİPLERİ (Martin et al., 1999 ave Hoek et al., 1995)

19 TÜNEL AÇMA YERALTI KAZILARINDA DAVRANIŞ TİPLERİ (Terzaghi (1946) ve Schubert et al., 2001) Davranış tipi Tanımlama Yorumlar Tip 1 Gravity driven a. Stabil Çevreleyen zemin tahkimatsız olarak bir kaç gün veya daha fazla durur Düşük ve orta derinliklerdeki dayanıklı kayalar b. Blok düşmesi - tek blokların Bireysel blokların düşme potansiyeli ile stabil Süreksizlik kontrollü yenilme - farklı blokların Çeşitli blokların düşme potansiyeli ile stabil (kayma hacmi <10 m3) c. Göçük Kaya parçalarının daha büyük hacimlerinin (>10 m3) içe doğru ve hızlı hareketi Eklemli veya ezilmiş kayada karşılaşılır d. Akıcı zemin Aynada stabil bir şev oluşana kadar tünelin içini hızlıca kaplayan tanecikli bir material. Tahkimatsız durma süresi sıfır veya sıfıra yakındır. Örnekler ortadan iriye doğru kumlar ve yeraltı su seviyesinin üstünde çakıllar RICS - Royal Institution of Chartered Surveyors InstCES - Institution of Civil Engineering Surveyors SST - Society of Surveying Technicians GP - Mostly concerned with valuation and investment P & D - eg analyse the existing level of residential development against regional population forecasts and prepare valuations to help gauge profitability BS - advising on design, construction, maintenance, repair and refurbishment of residential and commercial property. Historic / listed buildings. RP - Management of country estates and farms. The planning and development schemes for agriculture, forestation recreation. MS - plans the development, manages and values mineral workings. LS - measures land and its physical features accurately and records these in the form of a map or plan. 1.Tip: Çoğunlukla daha önceden varolan parçaların veya tavandaki blokların ve duvar kenarlarının olduğu süreksizlik kontrollü yenilmelerinde (blok düşmeleri), kazı yapıldıktan sonra serbest hale gelir.

20 TÜNEL AÇMA RICS - Royal Institution of Chartered Surveyors
Tip2 Gerilimle tetikli e.Bükülme Tünel yüzeyindeki parçaların ayrılması Gevrek davranış Kaya yapısının bel vermesi nedeniyle yeterince yüksek yük altında anizotrop, sert, gevrek kayada oluşur f. Gerilmelerden kopma Tünel yüzeyinde gitgide parçalara ve pullara ayrılma Kavlaklanmanın zamana bağlı etkisi veya gerilimlerin yeniden dağılımından kaya patlaması g. Kavlaklanma Yanlardan ya da tavandan ince kaya levhalarının ani ve şiddetli kopuşu Masif, sert, gevrek kayanın ortadan yükseğe overstress yapması. Kavlamayı ve patlamayı içerir. h. Kaya patlaması Kavlaklanmadan daha fazla şiddetlidir ve oldukça büyük hacimler içerir. (Büyük kaya patlamaları genellikle sismik bir vaka olarak kaydedilir) Masif, sert, gevrek kayanın çok yüksek yüksek gerilme yapması i. Plastik davranış (başlangıçtaki) Süreksizlik kombinasyon halindeki makaslama yenilmesinin sebep olduğu başlangıçtaki deformasyonlar ve kaya kütlesinin yerçekimi kontrollü yenilmesi Plastik davranış Yüksek plastik (deforme olabilen)kaya içinde yer alır. Genellikle sıkışmanın başında j. Sıkışma Zamana bağlı deformasyon, esasen overstressing sebep olduğu sünme (creep) ile ilişkilidir. Deformasyonlar inşa sırasında sona erebilir veya uzun bir süre devam edebilir Yüksek sıkışabilen, massif kayalar ve yüksek oranda mikalı mineraller içeren malzemeler veya düşük şişme kapasiteli kil mineralleri RICS - Royal Institution of Chartered Surveyors InstCES - Institution of Civil Engineering Surveyors SST - Society of Surveying Technicians GP - Mostly concerned with valuation and investment P & D - eg analyse the existing level of residential development against regional population forecasts and prepare valuations to help gauge profitability BS - advising on design, construction, maintenance, repair and refurbishment of residential and commercial property. Historic / listed buildings. RP - Management of country estates and farms. The planning and development schemes for agriculture, forestation recreation. MS - plans the development, manages and values mineral workings. LS - measures land and its physical features accurately and records these in the form of a map or plan. 2.Tip: Aşırı gerilmelerin sebep olduğu yerçekiminin desteklediği tetiklenmiş gerilmeler, örneğin zemin içinde gelişip malzemenin bölgesel dayanımını aşan gerilmeler. Bu yenilmeler şu isimlerle iki ana biçimde meydana gelebilir: Gevrek özellikli mazlemelerde bükülme, kavlama veya kaya patlaması olarak, örneğin massif gevrek kayalar; Deforme olabilir veya sünek özellikteki malzemelerde plastik deformasyon, sünme (creep) veya sıkışma olarak, örneğin masif, yumuşak/sünek kayalar veya tanecikli malzemeler (zeminler veya çok eklemli kayalar)

21 TÜNEL AÇMA Tip 3 Sudan etkilenen k. kayma kaynaklı yuvarlanma Zemin gitgide parçalara veya pullara ayrılmakta Hydratization Parçalı olan kısmen yapışkan ve kolay dağılan malzemelerin parçalanması (slaking) Örneğin: çamurtaşı ve katı fisürlü killer l. Şişme - Belirli kayaların Su adsorbsiyonun sebep olduğu genişlemeye bağlı olarak çevreleyen zeminin tünelin içine doğru ilerlemesi. Proses bazen sıkışma için yanılabiliyor. Şişen mineraller Smektit (montmorillonit) gibi anhidrit, halit (kaya tuzu) ve şişen kil minerallerinin büyük bir kısmını oluşturduğu şişen kayalarda oluşur. - Belirli kil yatakları veya dolgularının Suyun adsorbsiyonundan kaynaklanan kil yatağının şişmesi. Bu, blokların gevşemesine neden olur ve kilin makaslama dayanımını düşürür. Şişme, şişen kil mineralleri (smektit, montmorillonit) içeren dolguların olduğu yataklar yer alırlar. m. Akıcı zemin Invert de dahil tünelin her yönden içini hızlıca kaplayan bir su ve katı karışımı. Akan su Çok küçük ya da hiç bağlılığı olmayan tanecikli malzemede, yeraltı suyu tablasının altındaki tünellerde oluşabilir. n. Su girişi Basınçlı su, kayanın içindeki açıklıklar veya kanallar boyunca kazıyı istila eder. Boşluklu ve çözülebilen kayalarda veya çok büyük açıklıklıklarda veya eklem ya da çatlaklardaki kanallarda oluşabilir. RICS - Royal Institution of Chartered Surveyors InstCES - Institution of Civil Engineering Surveyors SST - Society of Surveying Technicians GP - Mostly concerned with valuation and investment P & D - eg analyse the existing level of residential development against regional population forecasts and prepare valuations to help gauge profitability BS - advising on design, construction, maintenance, repair and refurbishment of residential and commercial property. Historic / listed buildings. RP - Management of country estates and farms. The planning and development schemes for agriculture, forestation recreation. MS - plans the development, manages and values mineral workings. LS - measures land and its physical features accurately and records these in the form of a map or plan. 3.Grup: Su basıncı; düşünüldüğünde heterojen kaya durumlarında özellikle tasarımda önemli bir sıkıntıdır. Baş gösteren yeraltı yenilmeleri çok büyük miktarlarda suya maruz kalan tanecikli malzemelerde zemin akmalarına neden olabilir ve özel malzeme içeren bazı kayalarda dengesiz durumları tetikleyebilir (sıkışma ve şişme gibi).

22 TÜNEL AÇMA TÜNEL AÇILMADAN ÖNCE YAPILAN ÖN İŞLEMLER
Etüde önce bölgenin topoğrafik ve jeolojik haritaları üzerinde başlanır. Güzergâh arazi üzerinde tespit edilir ve incelemeye geçilir. Bölgenin yeraltı suyu araştırmaları, su kaynakları, yüzey tespiti mümkün zemin türleri v.s. araştırılır Bölgeye ait bütün cephelerden fotoğraflar çekilir. Sondaj yerleri ve derinlikleri tespit edilir. Civarda daha önceden açılmış olan tünel, galeri, kuyu gibi yapılara ait dosyalar temin edilerek incelenir. Gerekli sondajlar yapılarak numuneler alınır ve analizleri yapılır.

23 TÜNEL AÇMA ÖN JEOLOJİK ÇALIŞMALAR; Kabaca güzergâh belirlenir.
Topoğrafik ve jeolojik haritalar üzerinde başlar. Kabaca güzergâh belirlenir. Bölge jeolojisine ait yayınlar ve veriler toplanır. Tünel giriş-çıkışı ve buralara gelen yükler, olması muhtemel kaymalar, örtü kalınlığı, hidrojeolojik şartlar, ısı, gaz problemleri ayrı ayrı ele alınır. Kazılacak malzemenin fiziko-mekanik özellikleri belirlenir. Kullanılması uygun kazı yöntemleri ve makineleri belirlenir.    Destek türleri ayrıntılarıyla araştırılır ve belirlenir.

24 TÜNEL AÇMA AYRINTILI JEOLOJİK ÇALIŞMALAR (FİZİBİLİTE VE KESİN PROJE AŞAMASI); Ön jeolojik çalışmalar, planlanmaya paralel olarak, her yönde derinleştirilir, ayrıntılı jeolojik çalışmalara geçilir. Tünel içinde bulunması olası olan kayaçların derinlikleri, Kayaçların litolojik ve yapısal karakterleri, Mekanik özellikleri, ayrışma ve kazılabilme nitelikleri saptanır. Kayaçların yeraltı sularının etkisi ile erime, oyulma özellikleri incelenir. Kayaçların şişme-kabarma özellikleri incelenir. Tünel güzergâhı üzerindeki binalarda çatlama oluşabilme durumu incelenir. Kazılabilme dereceleri, kazı makinesi türleri ve destek türleri saptanır. Yapılan ayrıntılı çalışmaların sonunda, önce harita üzerinde saptanan tünel güzergâhı gerektiğinde değiştirilir ve yeni güzergâh belirlenir. Kazılabilme dereceleri belirlenerek uygun kazı makinesi türlerini ve destek üniteleri seçilir. Bu çalışmalar ve deneylerin ışığında, tünelin şekli ve çapı tayin edilir. Planlar hazırlanır, daha kesin maliyet hesapları yapılır. Çalışmalar, mühendisin güzergâh araştırmalarına yetecek genişlikte bir alanı kapsamalı ve daha sonra ilave etütlere ihtiyaç duyulmayacak şekilde yapılmış olmalıdır.

25 TÜNEL AÇMA TEŞEKKÜRLER... PROF. DR. C. OKAY AKSOY