Tünel tasarımına etki eden faktörlerin incelenmesi

TÜNEL TASARIMINA ETKİ EDEN FAKTÖRLERİN İNCELENMESİ ÖZET Tünellerin tasarımı için zemin koşullarına, kullanım amacına ve imalat tekniklerine bağlı olarak ortaya çıkabilecek faktörler göz önünde bulundurularak farklı yaklaşımlar ve yöntemler geliştirilmiştir. Bunları kullanarak ülkemizde ve dünyada toplumsal refah seviyesini arttıracak yapılar inşa edilmiş ve devreye alınmıştır. Dünya nüfusunun hızla artışı göz önüne alındığında bu yapılara olan ihtiyacın günden güne artacağı kolayca tahmin edilecektir. Tünellerin tasarımının daha doğru olarak gerçekleştirilmesi için tasarımda göz önünde bulundurulması gereken faktörlerin gerçeğe yakın bir şekilde ele alınması, yapının inşa edileceği zemin hakkında yeterli araştırma yapılması büyük önem taşımaktadır. Tünellerin yapımında kullanılan betonarme elemanların geometrisi ve üretim yöntemleri tünel açma yöntemlerine göre değişiklikler göstermektedir. Ekonomik koşullar dikkate alınarak bu yöntemlere tasarımcı tarafından karar verilmektedir. Fakat yapım aşamaları içerisinde dikkate alınmayan sebepler ile hem yapım süresi gecikmekte hem de onarım masrafları ortaya çıkmaktadır. Yapıda onarım yapmak zorunda kalınmaktadır ve onarılmış bir yapı doğru yapılmış bir yapıdan daha maliyetli ve daha güvensiz olmaktadır. Hataların en aza indirilmesi amacıyla tasarım süreci yapımın tamamını kapsaması, tüm parametrelerin doğru değerlerle ele alması gerekmektedir. Bu amaçla bu yayında tasarım aşamaları, bu aşamaların yürütülmesi, ortaya çıkabilecek hatalar üzerinden değerlendirmeler sunulmaya çalışılmıştır. Tüneller metro yapıları olarak yaygınlaştıkça şehirlerde yapı tünel etkileşimli problemler de artmaktadır. Hesap aşamasında tünel üzerine yapılacak bir yapının tünelde meydana getireceği etkiler incelenecektir. Birinci bölümde tünellerin kullanım amaçları, ülkemizde yapılan tüneller incelenmiştir. Tünel açma yöntemlerine ve kullanım amacına göre değişen tünel kesitleri verilmiştir. Tünel tasarımı konusunda günümüze kadar yapılmış ulusal ve uluslararası başlıca çalışmalar incelenmiştir. İkinci bölümde farklı tünel açma yöntemlerine göre tasarım ve üretimin nasıl şekillendiği özetlenmiştir. Bu bölümde del patlat yöntemi, aç kapa yöntemi, mekanize tünel açma yöntemleri ve diğer yöntemlerden bahsedilmiştir. Tünellerin yapım amaçlarına göre hangi yöntemin daha uygun olacağına dair fikirlere yer verilmiştir. Farklı zemin koşullarında tünel açılması amacıyla üretilmiş tünel açma makinelerinden örneklere yer verilmiştir. Üçüncü bölümde ise tasarımın konusu olan destek yapısı hesabının hangi yöntemler ile yapıldığı, hesap aşamasında gerekli olan bilgiler ortaya konulmuştur. Tünel projesinin oluşturulması ve yapım aşamasında tasarımın gözden geçirilmesi amacıyla yapılması gereken proje adımlarından bahsedilmiştir. Günümüze kadar olan süreçte kullanılan sınıflandırma yöntemleri incelenmiş ve bu yöntemlere ait sınıflandırma tabloları verilmiştir. Sınıflandırma tablolarından elde edilen parametreler ile destek yapısının belirlenmesine ait çalışmalar verilmiştir. Bu bölümde sonlu elemanlar yöntemi açıklanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan örnek çalışmalar ve modeller incelenmiştir. Bu modellerde oluşan destekli ve desteksiz tünel açma aşamalarının xxiv hesap sonuçlarındaki yük dağılımları ortaya konulmuştur. Dördüncü bölümde Makine kazısı sırasında ortaya çıkmış kafes (truss) kuvvetinin sebebiyet verdiği destek yapısı hasarları incelenmiştir. Yapım aşamasında ortaya çıkan hasarlardan bahsedilmiştir. Hesaplarda tünel zemin modeli haricinde dikkate alınması gereken ve hasarların oluşmasına sebebiyet veren yapım aşamalarından bahsedilmiştir. Deprem durumuna bir örnek olan Wenchuan depreminin meydana getirdiği hasarlar incelenmiştir. Tünellerde ortaya çıkması muhtemel hasarlar ve bu hasarlar için uygulanabilecek onarım yöntemleri verilmiştir. Tünel kaplamasında meydana gelebilecek hasarlar destek yapısının beton hasarları, kullanımı etkileyen hasarlar, taban yüzeyinin hasarları gibi çeşitli kusurlar olarak oluşabilmektedir. Gözlemler sonucunda, destek yapılarında çeşitli çatlakların meydana geldiği tespit edilmiştir. Türk Standardında [TS500] bu çatlaklar 0.3mm'de sınırlandırılmıştır. Fakat belirtilen mertebenin tünel destek yapısında elde edilebilmesi için dış basıncın tüm tünel yapısına dağılımı ve denge durumunun sağlanması gerekmektedir. Bu durumun çeşitli nedenlerle sağlanamadığı, zeminin değişken yapısı ve yapım yöntemlerinin etkisi gözlemlenmiştir. Kaplamalarda üretim, taşıma, yerleştirme ve diğer yapım aşamalarında dahi çatlakların oluşabildiği gözlemlenmiştir. Günümüzde hasarların giderilmesi amacıyla kimyasal ürünler ile çözümler üretilmektedir. Bu ürünlerin uygulanması için yapılması gerekenler ve nerelerde uygulanabileceğine dair öneriler sunulmuştur. Yapım aşamasında olan bir tünelde yapılan enjeksiyon ve onarım uygulaması verilmiştir. Tünel yapısını destekleyebilecek ve tünel açılmasında zemin koşullarını iyileştirerek daha uygun koşullarda tünel açılmasına müsaade edecek olan öncül enjeksiyon yöntemi incelenmiştir. 5. bölümde Plaxis programından yararlanılarak zemin içerisine mevcut tünel olması durumunda yüzeyde yapılan yapının tünelin konumuna dayalı olarak ve farklı zemin koşullarında tünel içerisinde meydana getireceği taban deformasyonu değişimi irdelenmiştir. Trakya formasyonuna ait olan grovak parçalı kil ve az ayrışmış grovak zeminlerde, tünel örtü kalınlığının 5, 10 ve 15 metre olduğu yapımı tamamlanmış, Kartal –Kadıköy metro hattı projelerinde A1 kesiti ile verilen mekanize açılmış tünel üzerine yapılan 5, 10 ve 15 katlı bir yapının tünel kaplamasında oluşturacağı etkiler hesaplanmıştır. Hesaplarda ray üstü düşey yer değiştirmeleri ve tünel kaplaması kesit tesirleri elde edilerek elde edilen değerler irdelenmiştir. Tünel örtü kalınlığına bağlı olarak iki farklı zemin tipinde yapı yapılması durumunda ortaya çıkacak düşey yer değiştirmelere ait bağıntılar elde edilmiştir. Bu bağıntıların hesabı için ray üstü noktalarında elde edilen meydana gelecek düşey deformasyonun sonuçları yapım zamanı ile ilişkilendirilerek eğriselleştirilmiştir. Hesaplar 7 aşamada gerçekleştirilmiştir. 5. aşama, 6. aşama ve 7. aşamalar tünel-yapı etkileşimini ele almaktadır. Bu aşamalarda üçer adet nokta olmak üzere iki hesap için toplam 6 adet nokta tespit edilmiştir. Bu noktaların birbiriyle ilişkili olan her üçünden geçen eğrinin bağıntısı yazılarak grovak parçalı kil zemin ve az ayrışmış grovak zeminde 5 metre ile 15 metre arasında iki adet bağıntı önerilmiştir. Fakat düşey yer değiştirmelerin belirlenmesi için kesin hesap yapılması gerekmektedir. Sonuçlar kısmında, tünel tasarımının yapılması sırasında ek kazı yükleri, elemanların taşınması sırasında oluşan yükler gibi ön koşulların da iyi bir şekilde değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu durumlara özgün, bölütlerin korunmasını amaçlayan donatım sistemlerinin ve ek detayların düşünülmesi gerekmekte olduğu belirtilmiştir. Yapım aşamalarının 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. xxv Ortaya çıkabilecek hasarların önlenmesi özellikle zeminin farklı yüklerinin tünel kaplaması üzerinde ortaya çıkaracağı farklı yük ve yer değiştirmelerin tünele etkisinin azaltılması ile mümkün olmaktadır. Bu amaçla tünel kaplaması arkasına yapılacak enjeksiyon harcının sıkışabilir tipte olmasının faydalı olduğu belirlenmiştir. Ayrıca tünel destek yapısı ile zemin arasına enjeksiyon uygulanarak zeminin kendi içinde kenetlenmesi ve farklı yük dağılımlarının engellenmesi sağlanarak tünel iç yüzeyinde meydana gelecek hasarlar önemli ölçüde azaltabilir. Tünel kaplaması arkasından gelen suyun engellenmesi için sırasıyla enjeksiyon harcı ve daha sonra kimyasal birleşimler kullanılması önerilmiştir. Tünel-yapı etkileşimi incelendiğinde grovak parçalı kil zeminlerde, az ayrışmış grovak zemine oranla daha yüksek kesit tesirleri ve ray üstü yer değiştirmeleri meydana geldiği görülmüştür. Tünel örtüsünün 10 metreden daha az olması durumunda ray üstü yer değiştirmeleri 1 cm değerini geçmektedir. Tünel örtüsü arttıkça düşey yer değiştirmelerin azalması eğrilerden elde edilen eğimler incelendiğinde 5 metre örtü kalınlığına sahip iken grovak parçalı kil zeminde kat sayısıyla orantılı olarak negatif yönde arttığı elde edilmiştir. Aynı zeminde 10 metre ve 15 metre örtü kalınlıklarında düşey deformasyonun eğiminin kat sayısına bağlı olarak negatif yönde azaldığı tespit edilmiştir. Az ayrışmış grovak zeminde 5 metre örtü kalınlığında düşey yer değiştirmelerin yapının yapım sürecinde eğiminin arttığı gözlenirken 10 metre ve 15 metre örtü kalınlıklarında artış azalışların çok daha düşük değerlerde meydana geldiği gözlenmiştir.