İkiz tünel kazılarına bağlı oluşan yüzey oturmalarının tahmini

Plansız kentleşmeye maruz kalan metropoliten alanlarda ulaşım altyapısının entegre ve dengeli bir seviyeye ulaştırılması ihtiyacı, nüfus yoğunluğunun yarattığı dinamizme bağlı olarak sürekli artış gösteren ulaşım talebinin doğru yönetilmesi ve karşılanmasını gerektirmektedir. Ulaşım ve arazi kullanımı arasındaki döngüsel ilişkiden etkilenen kent içindeki yüksek trafik hacmi, tünel gibi yer altı yapılarına yönelimi de beraberinde getirmektedir. İstanbul gibi çok nüfuslu kentsel alanlardaki kısıtlı kullanım alanı problemi, karayolu ve metro tünelleri gibi yer altı yapılarının ikiz tüneller olarak da bilinen bir çift tünelin yakın mesafede inşasını kaçınılmaz kılmaktadır. İkiz tünellerin birbirleriyle ve zemin yüzeyi ile etkileşimleri yerleşim bölgelerinde istenmeyen etkilere sebep olabilmektedir. Tünel kazıları sebebiyle oluşan yüzey oturmaları, kazı alanı yakınlarındaki mevcut yapıların süreklilik ve stabilitesine tesir etmekte, bu nedenle de kazı sürecindeki en önemli sorunlardan biri haline gelmektedir. Tünel kazısı kaynaklı oturmaların büyüklük ve dağılımının tahmini; potansiyel hasarları öngörmek, komşu yapıların uyarılmış deformasyonlara karşı toleransını tahmin etmek ve gerektiğinde koruyucu önlemler tasarlamak için oldukça mühimdir. Yüzey oturmaları ampirik yöntemler, analitik yöntemler ve sayısal yöntemler kullanılarak tahmin edilebilmektedir. Bu çalışmada; İstanbul'daki kentsel ulaşım sorununun çözümüne yönelik inşa edilen Avrasya Tüneli projesi kapsamında Km: 9+900.00 de inşasına başlanan ve 670 metre boyunca devam eden tek katlı ikiz NATM tünelleri üzerinde durulmuştur. Aynı geometrik forma sahip olan tüneller arasındaki topuk genişliği değişken olmakla birlikte diyagonal konfigürasyonda farklı örtü kalınlıkları altında inşa edilmişlerdir. Projenin incelenen kesitinde yeraltı su seviyesi yüzeye çok yakındır ve tüneller orta – zayıf derece dayanıma sahip kumtaşı biriminden geçmektedirler. Tezin amacı, ikiz tünel kazısı nedeniyle oluşan tasmanların ampirik ve sayısal yöntemlerden faydalanılarak tahmin edilmesi ve öngörülen enine yüzey oturma profillerinin aletsel gözlem sonucu elde edilen oturma değerleri ile mukayese edilerek yöntemler arası yakınlığın irdelenmesidir. İlk olarak Herzog (1985) tarafından NATM ile açılan bir tünel üzerinde oluşması muhtemel maksimum oturma değerinin tahmini doğrultusunda geliştirilen ampirik modelden faydalanılarak farklı derinliklerdeki her bir tünel için maksimum yüzey oturma değeri elde edilmiştir. İki ayrı tünel için de ampirik Gauss dağılım eğrisi kullanılarak oturma profilleri elde edilmiş ve bu eğrilerin süperpozisyonu ile ikiz tünel inşaatı ile tetiklenen yüzey oturma formuna ulaşılmıştır. Herzog modeline alternatif olarak, boru kemer yönteminin yüzey oturmaları üzerindeki tesirlerinin dikkate alındığı modifiye Herzog modeli kullanılmıştır. Bu yöntemle yine her bir tünel için maksimum yüzey oturma değeri hesap edilmiş ve ampirik Gauss dağılım eğrisi ile yüzey oturma profilleri elde edilmiştir. İkiz tünel inşası ile uyarılan yüzeydeki düşey yer değiştirme formuna ise yine süperpozisyon yöntemi ile ulaşılmıştır. Sayısal analizler, PLAXIS 2D sonlu elemanlar programı vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir. Arazi ve laboratuvar çalışmaları sonucunda elde edilen veriler kullanılarak arazi zemin modeli oluşturulmuş, zeminin elastoplastik davranışını modelleyebilen ''Mohr Coulomb Modeli'' kullanılarak ikiz tünel kazısına bağlı oluşan zemin yüzeyindeki düşey deplasman dağılımı incelenmiştir. Ampirik ve sayısal analizler neticesinde öngörülen ikiz tünel kazılarına bağlı oluşan maksimum yüzey oturma değerleri, arazide ölçülen maksimum yüzey oturma değeri ile birlikte mukayese edilmiştir. Herzog modeline göre, her bir tünelin geçişi ile meydana gelen yüzeydeki maksimum düşey deplasmanlar 7 mm, ikiz tünellerin oturma eğrilerinin süperpozisyonu ile elde edilen toplam yüzey oturma değeri ise 11 mm'dir. Herzog modelinin destek elemanlarının etkisini göz ardı etmesinin de etkisi ile ölçülen oturma değerinden %38 mertebesinde daha büyük yüzey oturma değeri hesap edilmiştir. Modifiye Herzog modeli aracılığı ile tahmin edilen maksimum yüzey oturma değeri, iki ayrı tünel için de yaklaşık 4 mm, ikiz tünelin geçişi ile oluşması muhtemel azami oturmanın süperpozisyon ile elde edilen değeri ise 7 mm'dir. Tahkimat elemanlarından boru kemer etkisini hesaplamalarda dikkate alan Modifiye Herzog modeli, arazide ölçülen maksimum yüzey oturma değerinden %12.5 daha az oturma miktarı ile aletsel gözlem sonuçlarına en yakın sonucu vermiştir. Sonlu elemanlar yönteminin kullanıldığı PLAXIS 2D programı ile gerçekleştirilen sayısal analizler sonucu, birinci tünelin geçişi ile zemin yüzeyinde meydana gelen maksimum düşey deplasman 3 mm, ikinci tünelin geçişi sonunda ise 4.7 mm'dir. Sayısal analiz ile hesaplanan maksimum tasman miktarı arazide ölçülen maksimum tasman değerinden %41 daha küçüktür. Her üç model değerlendirildiğinde ise arazide ölçülen maksimum yüzey oturma değerine en yakın sonuca Modifiye Herzog modeli ile ulaşılmıştır. Bu çalışmada ayrıca, ikiz tünel kazısı ile uyarılan oturma teknesinin tünellerin geçtiği jeolojik birimin geoteknik özelliklerine bağlı değişiminin incelenmesi adına parametrik analizler yapılmış, tünellerin geçtiği kumtaşı tabakasına ait elastisite modülü (E), kayma mukavemeti açısı (φ), Poisson oranı (ν) ve kohezyon (c) özellikleri ele alınmıştır. Kaya kütlesine ait elastisite modülünün tünel davranışı üzerinde önemli etkisi olduğu, rijitliğin azalması ile oturma miktarının arttığı ve diğer parametrelerin yüzey oturma formunda önemli bir tesiri olmadığı görülmüştür. Parametrik çalışma kapsamında aynı zamanda, NATM sebebiyle oluşan deplasmanların üç boyutlu analizlerde dikkate alınması gereken etkilerini bütünleştirerek iki boyutta hesaba katan zemin gevşeme katsayısının (β) yüzeyde oluşan oturma formuna ne derecede tesir ettiği irdelenmiştir. Zemin gevşeme katsayısı değerindeki artışın tasman miktarı üzerinde mühim bir etkisi olmadığı sonucuna ulaşılmıştır. Son olarak aletsel gözlem sonuçlarının sonlu elemanlar yönteminde öngörülen deplasmanlar ile mukayese edildiğinde ulaşılan sonuçlar arasındaki %41 yakınlığın incelenmesi adına geri analiz çalışması gerçekleştirilmiştir. Ön analizi yapılan modeldeki elastisite modülü (E), kayma mukavemeti açısı (φ), Poisson oranı (ν) ve kohezyon (c) parametrelerinin yaklaşık değişimleri parametrik çalışma neticesinde elde edilen sonuçlardan öngörülerek arazide ölçülen maksimum oturma miktarına karşılık gelen değerleri tahmin edilmiştir.