Tünel tasarımına etki eden faktörlerin incelenmesi

Abstract

TÜNEL TASARIMINA ETKİ EDEN FAKTÖRLERİN İNCELENMESİÖZETTünellerin tasarımı için zemin koşullarına, kullanım amacına ve imalat tekniklerinebağlı olarak ortaya çıkabilecek faktörler göz önünde bulundurularak farklı yaklaşımlarve yöntemler geliştirilmiştir. Bunları kullanarak ülkemizde ve dünyada toplumsalrefah seviyesini arttıracak yapılar inşa edilmiş ve devreye alınmıştır. Dünya nüfusununhızla artışı göz önüne alındığında bu yapılara olan ihtiyacın günden güne artacağıkolayca tahmin edilecektir. Tünellerin tasarımının daha doğru olarakgerçekleştirilmesi için tasarımda göz önünde bulundurulması gereken faktörleringerçeğe yakın bir şekilde ele alınması, yapının inşa edileceği zemin hakkında yeterliaraştırma yapılması büyük önem taşımaktadır.Tünellerin yapımında kullanılan betonarme elemanların geometrisi ve üretimyöntemleri tünel açma yöntemlerine göre değişiklikler göstermektedir. Ekonomikkoşullar dikkate alınarak bu yöntemlere tasarımcı tarafından karar verilmektedir. Fakatyapım aşamaları içerisinde dikkate alınmayan sebepler ile hem yapım süresigecikmekte hem de onarım masrafları ortaya çıkmaktadır. Yapıda onarım yapmakzorunda kalınmaktadır ve onarılmış bir yapı doğru yapılmış bir yapıdan daha maliyetlive daha güvensiz olmaktadır. Hataların en aza indirilmesi amacıyla tasarım süreciyapımın tamamını kapsaması, tüm parametrelerin doğru değerlerle ele almasıgerekmektedir. Bu amaçla bu yayında tasarım aşamaları, bu aşamaların yürütülmesi,ortaya çıkabilecek hatalar üzerinden değerlendirmeler sunulmaya çalışılmıştır.Tüneller metro yapıları olarak yaygınlaştıkça şehirlerde yapı tünel etkileşimliproblemler de artmaktadır. Hesap aşamasında tünel üzerine yapılacak bir yapınıntünelde meydana getireceği etkiler incelenecektir.Birinci bölümde tünellerin kullanım amaçları, ülkemizde yapılan tünellerincelenmiştir. Tünel açma yöntemlerine ve kullanım amacına göre değişen tünelkesitleri verilmiştir. Tünel tasarımı konusunda günümüze kadar yapılmış ulusal veuluslararası başlıca çalışmalar incelenmiştir. İkinci bölümde farklı tünel açmayöntemlerine göre tasarım ve üretimin nasıl şekillendiği özetlenmiştir. Bu bölümde delpatlat yöntemi, aç kapa yöntemi, mekanize tünel açma yöntemleri ve diğeryöntemlerden bahsedilmiştir. Tünellerin yapım amaçlarına göre hangi yöntemin dahauygun olacağına dair fikirlere yer verilmiştir. Farklı zemin koşullarında tünel açılmasıamacıyla üretilmiş tünel açma makinelerinden örneklere yer verilmiştir. Üçüncübölümde ise tasarımın konusu olan destek yapısı hesabının hangi yöntemler ileyapıldığı, hesap aşamasında gerekli olan bilgiler ortaya konulmuştur. Tünel projesininoluşturulması ve yapım aşamasında tasarımın gözden geçirilmesi amacıyla yapılmasıgereken proje adımlarından bahsedilmiştir. Günümüze kadar olan süreçte kullanılansınıflandırma yöntemleri incelenmiş ve bu yöntemlere ait sınıflandırma tablolarıverilmiştir. Sınıflandırma tablolarından elde edilen parametreler ile destek yapısınınbelirlenmesine ait çalışmalar verilmiştir. Bu bölümde sonlu elemanlar yöntemiaçıklanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan örnek çalışmalar ve modellerincelenmiştir. Bu modellerde oluşan destekli ve desteksiz tünel açma aşamalarınınxxivhesap sonuçlarındaki yük dağılımları ortaya konulmuştur. Dördüncü bölümde Makinekazısı sırasında ortaya çıkmış kafes (truss) kuvvetinin sebebiyet verdiği destek yapısıhasarları incelenmiştir. Yapım aşamasında ortaya çıkan hasarlardan bahsedilmiştir.Hesaplarda tünel zemin modeli haricinde dikkate alınması gereken ve hasarlarınoluşmasına sebebiyet veren yapım aşamalarından bahsedilmiştir. Deprem durumunabir örnek olan Wenchuan depreminin meydana getirdiği hasarlar incelenmiştir.Tünellerde ortaya çıkması muhtemel hasarlar ve bu hasarlar için uygulanabilecekonarım yöntemleri verilmiştir. Tünel kaplamasında meydana gelebilecek hasarlardestek yapısının beton hasarları, kullanımı etkileyen hasarlar, taban yüzeyininhasarları gibi çeşitli kusurlar olarak oluşabilmektedir. Gözlemler sonucunda, destekyapılarında çeşitli çatlakların meydana geldiği tespit edilmiştir. Türk Standardında[TS500] bu çatlaklar 0.3mm'de sınırlandırılmıştır. Fakat belirtilen mertebenin tüneldestek yapısında elde edilebilmesi için dış basıncın tüm tünel yapısına dağılımı vedenge durumunun sağlanması gerekmektedir. Bu durumun çeşitli nedenlerlesağlanamadığı, zeminin değişken yapısı ve yapım yöntemlerinin etkisigözlemlenmiştir. Kaplamalarda üretim, taşıma, yerleştirme ve diğer yapımaşamalarında dahi çatlakların oluşabildiği gözlemlenmiştir. Günümüzde hasarlarıngiderilmesi amacıyla kimyasal ürünler ile çözümler üretilmektedir. Bu ürünlerinuygulanması için yapılması gerekenler ve nerelerde uygulanabileceğine dair önerilersunulmuştur. Yapım aşamasında olan bir tünelde yapılan enjeksiyon ve onarımuygulaması verilmiştir. Tünel yapısını destekleyebilecek ve tünel açılmasında zeminkoşullarını iyileştirerek daha uygun koşullarda tünel açılmasına müsaade edecek olanöncül enjeksiyon yöntemi incelenmiştir.5. bölümde Plaxis programından yararlanılarak zemin içerisine mevcut tünel olmasıdurumunda yüzeyde yapılan yapının tünelin konumuna dayalı olarak ve farklı zeminkoşullarında tünel içerisinde meydana getireceği taban deformasyonu değişimiirdelenmiştir. Trakya formasyonuna ait olan grovak parçalı kil ve az ayrışmış grovakzeminlerde, tünel örtü kalınlığının 5, 10 ve 15 metre olduğu yapımı tamamlanmış,Kartal –Kadıköy metro hattı projelerinde A1 kesiti ile verilen mekanize açılmış tünelüzerine yapılan 5, 10 ve 15 katlı bir yapının tünel kaplamasında oluşturacağı etkilerhesaplanmıştır. Hesaplarda ray üstü düşey yer değiştirmeleri ve tünel kaplaması kesittesirleri elde edilerek elde edilen değerler irdelenmiştir. Tünel örtü kalınlığına bağlıolarak iki farklı zemin tipinde yapı yapılması durumunda ortaya çıkacak düşey yerdeğiştirmelere ait bağıntılar elde edilmiştir. Bu bağıntıların hesabı için ray üstünoktalarında elde edilen meydana gelecek düşey deformasyonun sonuçları yapımzamanı ile ilişkilendirilerek eğriselleştirilmiştir. Hesaplar 7 aşamadagerçekleştirilmiştir. 5. aşama, 6. aşama ve 7. aşamalar tünel-yapı etkileşimini elealmaktadır. Bu aşamalarda üçer adet nokta olmak üzere iki hesap için toplam 6 adetnokta tespit edilmiştir. Bu noktaların birbiriyle ilişkili olan her üçünden geçen eğrininbağıntısı yazılarak grovak parçalı kil zemin ve az ayrışmış grovak zeminde 5 metre ile15 metre arasında iki adet bağıntı önerilmiştir. Fakat düşey yer değiştirmelerinbelirlenmesi için kesin hesap yapılması gerekmektedir.Sonuçlar kısmında, tünel tasarımının yapılması sırasında ek kazı yükleri, elemanlarıntaşınması sırasında oluşan yükler gibi ön koşulların da iyi bir şekilde değerlendirilmesigerekmektedir. Bu durumlara özgün, bölütlerin korunmasını amaçlayan donatımsistemlerinin ve ek detayların düşünülmesi gerekmekte olduğu belirtilmiştir. Yapımaşamalarının detaylı bir şekilde ele alınarak her aşamada kullanılacak olan makine,donanım ve diğer etkenlerin tünel kaplamasına olan etkisi değerlendirilmelidir.Tasarım aşamasının tünel yapımı boyunca devam etmesi gerektiği ortaya konulmuştur. xxvOrtaya çıkabilecek hasarların önlenmesi özellikle zeminin farklı yüklerinin tünelkaplaması üzerinde ortaya çıkaracağı farklı yük ve yer değiştirmelerin tünele etkisininazaltılması ile mümkün olmaktadır. Bu amaçla tünel kaplaması arkasına yapılacakenjeksiyon harcının sıkışabilir tipte olmasının faydalı olduğu belirlenmiştir. Ayrıcatünel destek yapısı ile zemin arasına enjeksiyon uygulanarak zeminin kendi içindekenetlenmesi ve farklı yük dağılımlarının engellenmesi sağlanarak tünel iç yüzeyindemeydana gelecek hasarlar önemli ölçüde azaltabilir. Tünel kaplaması arkasından gelensuyun engellenmesi için sırasıyla enjeksiyon harcı ve daha sonra kimyasal birleşimlerkullanılması önerilmiştir. Tünel-yapı etkileşimi incelendiğinde grovak parçalı kilzeminlerde, az ayrışmış grovak zemine oranla daha yüksek kesit tesirleri ve ray üstüyer değiştirmeleri meydana geldiği görülmüştür. Tünel örtüsünün 10 metreden dahaaz olması durumunda ray üstü yer değiştirmeleri 1 cm değerini geçmektedir. Tünelörtüsü arttıkça düşey yer değiştirmelerin azalması eğrilerden elde edilen eğimlerincelendiğinde 5 metre örtü kalınlığına sahip iken grovak parçalı kil zeminde katsayısıyla orantılı olarak negatif yönde arttığı elde edilmiştir. Aynı zeminde 10 metreve 15 metre örtü kalınlıklarında düşey deformasyonun eğiminin kat sayısına bağlıolarak negatif yönde azaldığı tespit edilmiştir. Az ayrışmış grovak zeminde 5 metreörtü kalınlığında düşey yer değiştirmelerin yapının yapım sürecinde eğiminin arttığıgözlenirken 10 metre ve 15 metre örtü kalınlıklarında artış azalışların çok daha düşükdeğerlerde meydana geldiği gözlenmiştir.

INVESTIGATION OF THE FACTORS AFFECTING DESIGN OF TUNNELSTRUCTURESSUMMARYIn many places of the world tunnels are playing an essential role. Tunnels can connecttwo points directly under the ground. This feature makes tunnels unique. If wegeneralize the main uses of tunnel structure, tunnels can be designed for Electricalmechanicalworks, transportation, irrigation, drainage, service or military purposes etc.Design methods of tunnel structures vary. New approaches are including moreinformation about the geological details and the effective forces. Many structures havebeen designed by using these methods.This study will investigate the different methods and the details of the design impactand how it is getting addressed in the design. Tunnel lining damages, the possiblecauses and damage mechanisms are investigated. The precautions and advices areexplained. Tunnel structure resists to earth and water pressure, also the excavationmachine pressure and vibrations. During the transportation to destination tunnel partscan be damaged. These damages or cracks can be visible or invisible but under loadingconditions it has been observed that damages are getting more visible.To prevent damage mechanisms precautions must be unique for tunnel design.Loading on the segment plate's start at early stages and the compaction injection playskey role to minimize any damage.The geometry and production methods of the reinforced concrete elements used in theconstruction of tunnels vary according to the tunneling methods. The designerconsidering the economic conditions decides these methods. However, due to reasonsnot considered during the construction phases, the construction period is delayed andrepair costs arise. It is forced to make repairs in the structure and a repaired structureis more costly and unsafe than a properly constructed structure. To minimize errors,design process should cover all parameters with correct values. For this purpose, inthis publication, the design phases, the execution of these phases, the evaluations basedon the errors that can occur are tried to be presented. As tunnels become more prevalentas subway structures, problems related to building tunnel interactions are alsoincreasing in cities. In the last part, the effects that will be on the tunnel will beexamined.In the first part, the purpose of the tunnels and the tunnel made in our country areexamined. Tunneling methods and tunnel sections varying according to the purpose ofuse are given. The main national and international studies on tunnel design have beenstudied up to date. The second section summarizes how the design and production areshaped according to different tunneling methods. In this section, drill and blast method,open cover method, mechanical opening method and other methods are mentioned.Some ideas about which method would be more suitable for the purposes of productionof the tunnels are given. Examples of the tunneling machines that produced fortunneling under different ground conditions are given. In the third part, the support xxviiistructure account which is the subject of the design is provided with the necessaryinformation in the account phase. The project steps that must be done to create thetunnel project and visualize the design during construction phases are mentioned.Classification methods used in the process up to the sun are examined andclassification tables of these methods are given. The parameters obtained from theclassification tables and studies on the determination of support structure are given.This section describes the finite element method. Model studies and model studies withfinite element method have been investigated. The load distributions of the results ofcalculations of supported and unsupported tunnel opening stages in these models arepresented. In the fourth chapter, damage of supporting structure caused by truss causedby machine excavation is investigated. Damage that occurred during the constructionphase is mentioned. The calculations mention the construction steps that should beconsidered except for the tunnel floor model and which cause damage to occur.Damage caused by Wenchang earthquake, an example of an earthquake, has beeninvestigated. Possible damages to be found in the tunnels and repair methods whichcan be applied for these damages are given. Damage that may occur in tunnel wallsmay be caused by various defects such as concrete damage, damage affecting the use,damage to the floor surface. Because of observations, it has been found that variouscracks occur in support structures. In the Turkish Reinforced Concrete Code [TS500]these cracks are limited to 0.3mm. However, to be able to obtain the specified order atthe tunnel support structure, it is necessary to distribute the external pressure to theentire tunnel structure and to provide the equilibrium state. The effect of the variablestructure of the ground and the construction methods, which this condition cannot beachieved for various reasons, has been observed. It has been observed that cracks canoccur in the linings even during production, transportation, installation and otherconstruction stages. Nowadays chemical products and solutions are being produced toeliminate the damages. Suggestions on how to apply these products and where to applythem are presented. Injection and repairs were made in a tunnel in construction phase.The ground an injection body is built up in front of the tunnel face using injection drillsthrough the cutter head and the shield method which can support the tunnelconstruction. This method will allow the tunnels to be opened in more favorableconditions by improving the ground conditions.In the fifth section, using the Plaxis program, in case of existing tunnel inside the soil,the change of the base deformation due to the construction of the tunnel based on theposition of the tunnel and in the tunnel under different soil conditions is examined.Tunnel cover thickness of 5, 10 and 15 meters was completed in the greywacke clayand lowly dispersed greywacke soils belonging to the Trakya formation. Tunnels of 5,10 and 15 stories made on the tunnel opened by the A1 section of Kartal-Kadıköymetro project. The effects that will occur in the lining are calculated. In thecalculations, the values obtained by obtaining the vertical deformation on the rail andthe sectioning effects of the tunnel lining were examined. According to the tunnelcover thickness, the correlations of the vertical deformations that would occur in caseof construction in two different soil types were obtained. The results of the verticaldeformation on the rafts obtained at the rail points for these relational accounts arecurved in relation to the construction time. The calculations were carried out in 7stages. Phase 5, Phase 6 and Phase 7 address the tunnel-structure interaction. At thesestages, a total of 6 points were determined for the two accounts, including three points.The relationship of these three points to each other is suggested, and two correlationsbetween 5 meters and 15 meters are proposed in the greywacke clay soil and theslightly separated greywacke soil. However, a precise calculation is required to xxixdetermine vertical deformations. In the conclusion, preliminary conditions such asadditional excavation loads during loading of the elements, loads during the movementof the elements should be evaluated well in the tunnel design. In these cases, it is statedthat the original equipment, the equipment systems aiming to protect the seats andadditional details should be considered. The effects of the machinery, equipment andother factors to be used at each stage on the tunnel lining should be evaluated,considering the construction steps in detail. It has been demonstrated that the designphase should continue throughout the tunnel construction. Prevention of damage thatmay occur is possible by reducing the tunneling effect of different loads anddeformations, which will occur especially on the tunnel lining of different loads of thesoil. For this purpose, it has been determined that it is beneficial for the injection mortarto be made of a compressible type behind the tunnel lining. In addition, by injectingbetween the tunnel support structure and the soil, the soil can be clamped and differentload distributions can be prevented, which can significantly reduce damages on theinner surface of the tunnel. It has been proposed to use injection mortar and thenchemical compounding to prevent excessive water behind the tunnel lining,respectively. When the tunnel-structure interaction is examined, it is seen that in claysoils with greywacke fragments, higher cross-sectional effects and over-raildeformations occur compared to less-diffused greywacke floors. If the tunnel cover isless than 10 meters, the on-rail deformations exceed 1 cm. As the tunnel coverincreases, the vertical deformation decreases. When the slopes obtained from thecurves are examined, it has a cover thickness of 5 meters, whereas the clay layer withgreywacke clay has increased in the negative direction in proportion to the number offloors. It has been found that the vertical slope of 10 m and 15 m of cover thicknessdecreases in the negative direction due to the number of coats of the same slope. It wasobserved that the vertical slope of the 5-meter cover thickness of the greywacke soilwas slightly increased, while the increase in the 10-meter and 15-meter coverthicknesses occurred at much lower values.