YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İnşaat Mühendisliği Bölümü. TÜNEL DERSİ Ergin ARIOĞLU

Transkript

1 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 7. Bölüm (Tünel açma makineleri, arın basınç hesapları, tünel kaplamaları, bir proje örneği) Prof. Dr. Müh. Yapı Merkezi AR&GE Bölümü

2 Tünel Açma Makinesinin Seçiminde Dikkat Edilecek Temel Hususlar Proje geçkisine ait jeolojik, mühendislik jeolojisi, geoteknik araştırma çalışmalarının içeriği vedüzeyienüst düzeydeolmalıdır. d l d Gerekli yoğunluktağ yapılan arazi (veri + laboratuar + büro) çalışmalarına l dayanmalıdır. d Proje kapsamında gerek kazı gerekse işletme sırasında gözlemlenebilecek tüm riskler (karışık zemin, zemin/ kaya geçişleri, i magmatik sokulumlar, l makine sıkışması, arın/ tavan göçükleri, öükl killi zeminin i kesici i kf kafaya yapışması, sıvılaşma, doğalgaz sızıntısı, yangın, vb.) çıkartılmalı ve bunları önlemek için gerekli teknik önlemler önceden senaryolaştırılmalıdır. l l Proje için uygun makine seçimi ve tasarımı çok önemlidir. proje firmasının tüm mühendislik disiplinleri (maden, makine, inşaat, jeoloji ji ve elektrik mühendisleri) i) arasında mükemmel işleyen ve güçlü koordinasyon kurulmalıdır. l Belirlenen riskleri de karşılayacak makine siparişine gidilmelidir. Ayrıca; tünel makinesi üretimini üstlenen firmanınn ilgili bölümleri ile bir arayaa gelerek, projeden başlayarakarak üretimine kadar tüm aşamaları ödünsüz şekilde yerinde denetlenmelidir. Özellikle karışık zemin/kaya kütlesi nde çalışacak kesici kafanın tasarımı (arın açıklık oranı, kafa dönüş hızı, disk çapı, disklerin aralığı, arında dizilim planı, toplam itme ve tork karakteristikleri, hidrolik piston açılım hızları, büyük boyutlu kayaların kırılması, vb.). 2

3 Devamdır Tünel makinesinin kullanımı, tamir + bakım işleri de projenin ilerleme hızını denetleyen çok önemli unsurlardır. Bu nedenle makineyi kullanacak ekibin teknik bilgi ve becerisi üst düzeyde olmalıdır. Ayrıca; sürpriz tamir + bakım işlerinde hemen kullanılabilecek yedek parça işyerinde bulunmalıdır. Makinenin enerji tüketimi çok yüksek olup, proje maliyetini ciddi şekilde yükselten öğe olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenlemakinenin tüm enerji tüketen unsurlarının dizaynında enerji optimizasyonu gözetilmelidir. (Örneğin hidrolik taşımada hidrolik pompanın enerji masraflarını azaltmak için boru çapının optimizasyonu, arın basıncının çok iyi izlenerek basınçlı hava ve bentonit basma pompalarının enerji tüketimlerinin azaltılması, sürdürülebilirlik kavramının sağlanması bakımından çıkan pasaların prefabrik segment üretiminde ince ve kaba agrega olarak kullanım imkanlarının maksimize edilmesi). Kaynak: Yapı Merkezi Arge Bölümü, Çamlıca, İstanbul,

4 Kaya ve zeminler için tünel açma makineleri Kaya TBM KalkansızTBM Delici makineler Masif kaya Kıskaçlı TBM Masif kaya Açık arın Zayıf, yumuşak kaya Dayanıklı zemin Mekanik arın desteği Ayrışmış, çok faylı kaya Dayanıklı zemin Kalkan TBM Basınçlı hava kalkanı Kaya zemin karışımı Dayanıklı zemin Ve yeraltı suyu Zemin TBM Bulamaç/ Hidro kalkan Zemin dengeleme basıncı Kaya zemin karışımı Kaya zemin karışımı Gevşek kumlu zemin Yumuşak kil Melez Kalkan İki kalkanlı Zemin dengeleme bulamaç çevrilebilir kalkan Masif kayadan zayıf/yumuşak zemine doğru geçen zemin durumu Değişken zemin durumları için uygun makine tipi zemin dengeleme basıncı ve bulamaçlı makineler Kaynak: Zhao, J., 2008, 4

5 Tünel Kazı Makinelerinin Uygulama Alanları Seçim Kriterleri Kaynak: DAUB Alman Yeraltı İnşaat Birliği, 1997 den alıntılayan Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,

6 Tane a edağılımına a göre kalkanlı a tünel makinesi seçimi (*) Tane Dağılımı Kil Silt Kum Çakıl 100 Yüzde Ge eçen, % Zemin Dengeleme Basıncı Bulamaç Hidro kalkan İnce İri Tane boyutu, mm (*) Tane dağılımına göre yapılan makine türü seçimi mutlak değildir. Daha açık deyişle, gelişen teknoloji ile bu aralık değişebilir. Kaynak: Zhao, J., 2008, 6

7 EPB Makinesi Prensip Şeması Lazer İstasyonun dan İlerleme Yönü 13 DÜŞEY KESİT Kesici Kafa Tahrik Ünitesi (Motor) Elektronik Hedef Panosu İtici Silindir Hava Kilidi Montaj Aparatı Vidalı Konveyyör Vidalı Konveyyör Kapağı Segman Besleme Ünitesi Segman Vinci Konveyyör Taşıma Dekovili Basınçlı Bölüm Monte Edilmiş Segmanlar ZIRH Vidalı Hidrolik Pompa Konveyyör Grupları Toplam Uzunluk = M 1.50 Segman Trafo Köpük Depolama YAĞ Elektrik Pompa Atıksu BOŞLUKŞ TANKI Ana Kumanda Pompa Boşluk Harç Bitmiş Pompaları Konveyyör Tünel Cidarı Boşluk Boşluk Havalandırma Ekipmanı Boşluk Kablo Ruloları Dekovil Hattı PLAN Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,

8 TBM lerin Ana Tasarım Büyüklüklerinin Hesaplanması: TBM in toplam keski sayısı: D m N= +nk 2S D m = TBM in kesici kafa çapı, m S= Optimum kesinti boyutuna ulaşmak için keskiler arası ortalama mesafe, m n k = Kesici ikafada köşe noktalarında koyulan keski ki sayısı (Genellikle 4 10 adet) Kesici kafa dönüş sayısı (devir): V RPM = πd m, m/dak V= Disk keski teknolojisine ve disk çapına d k bağlı olarak izin verilen maksimum köşe keski hızı, m/dak. Örneğin d k = 432 mm için V= 152 m/dak dır. Kesici kafanın gücü: V 2V P=2π.RPM.T = 2π T= T πd D m P= Güç, kw T= Tork, knm RPM= Kesici kafanın bir dakikadaki dönüş devir sayısı Kaynak: Bilgin, N. vd., m 8

9 Devamıdır Kesici kafanın gücünü belirleyen tork döndürmemomenti momenti T ise aşağıdaki ifade ile hesaplanabilir: T= N.F y.r o.f s 0,25 N. F y. D m. f s 0,3 N. F y. D m F y = Keski başına ortalama yuvarlanma kuvveti, kn r o = Ortalama moment kolu, Dm D r o = 0, m, m f s = Sürtünme kayıplarını dikkate alan amprik faktör (Genellikle f s = 1,2 kabul edilmektedir) P 0,60.N.F y.v, kw Kesici kafa itme kuvveti: TBM tasarımından önemli büyüklük olan itme kuvveti aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir: F i = N.F N.f s, kn F N = Keski başına ortalama normal kuvvet, kn keskileri kazı arınına bastıran dik kuvvet f s = Sürtünme kayıpları, genellikle f s = 1,2 alınmaktadır. Kesici kafa itme kuvveti: o Net kazı performansı: P 3 ICR = K m e., Rostami et al, 1999 SE saat opt ( ) K e = Enerji iletim oranı, TBM lerde K e 0,8 0,9 alınabilir. P= Optimal koşullarda kesici kafanın harcadığı güç, kw 9

10 Devamıdır Aşağıdaki şekillerde laboratuarda yapılan kesme deneylerinden elde edilen ( SE s ) değişimi ve bir keski için yuvarlanma kuvveti, normal kuvvetin kesme derinliği ile değişimleri toplu halde gösterilmiştir (Balcı vd. 2009). (Deneyde Kırklareli formasyonu kireçtaşı kullanılmıştır. Ortalama basınç dayanımı 319 kgf/cm 2 dir. Kesme deneyinde kaya numunesinin boyutları 1,0x0,5x0,7 m dir). d Keski aralığı, s= 75 mm Yuvarlanma kuvveti, FR Normal kuvvet, FN Spesifik enerji, kwsaat/m 3 Spesifik enerji, Optimum enerji tüketimi FN, kgf FR, ji, kwsaat/m 3 Spesifik enerj Keski aralığı/kesme derinliği, s/d o Verilen kaya için kazıda kullanılan bir minimum enerji miktarı sözkonusudur. Bu büyüklük keski aralığı/kesmederinliğinin bir fonksiyonudur. Kaynak: Balcı vd., Kesme derinliği, d, mm (Keski aralığı, s= 75 mm) o Verilen kaya ve (s/d) oranı için keski başına etki eden normal kuvvet kesme derinliğinin fonksiyonu olarak değişir. Kritik kesme derinliğinde sözkonusu kuvvet maksimum değer almaktadır. o Yuvarlanma kuvveti ile kesme derinliği arasındaki ilinti normal kuvvete nazaran çok daha zayıftır. 10

11 Günlük ilerleme miktarı: ISR.v ş.t.km ISR.v ş.t.km P.v ş.t.km Gİ = = 1,27., m/gün πdm Dm SE opt.dm 4 ISR= Net kazı hızı, m 3 /saat v ş = Vardiya sayısı, adet/gün. Genellikle v ş = 2 alınabilir. t= Çalışma süresi, saat/ vardiya, t= 10 saat/ vardiya k m = Tünel makinesinin fiilen kazı işleminde kullanım oranı. Bu değer bir çok faktöre bağlı olup, 0,2 0,6 aralığında ğ değişir. ğ ş Ön proje hesaplarında ortalama şantiye y koşulları ş için k m 0,4 değeri ğ alınabilir. Çok iyi şantiye y organizasyonu ile k m 0,6 elde edilebilir. Kaynak: Balcı vd.,

12 EPB Makinesi ile Kazıda Zemin Şartlandırması Zemin Şartlandırması: İyi Plastik Deformasyon Yapabilme Düşük ük İçsel l Sürtünme Açısı Yumuşak Kıvam Düşük Permeabilite Kill Siltli Çakıllı Kumlu Bentonit Bulamacı + (Polimer Köpük) Polimer Köpük + (Bentonit Bulamacı) Surfactant : RHOCA AN 45 Cs= %0,4 0,8 (Su) Polimer : RHOACA Flow T3LCp= %~0,1 (Su) Köpük Genleşme Katsayısı: FER= ~10 Tüketimler: Surfactant : 05 0,5 10 1,0 kg/m 3 (Kazı) Polimer : 0,01 0,5 kg/m3 (Kazı) Köpük : lt/m 3 (Kazı) Bentonit : lt/m 3 (Kazı) Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,

13 Zemin Dengeleme Basıncı Tünel Açma Makinesinde Köpük Zemin Şartlandırılması o Köpük karışım oranı köpük hacmi/ kazılan zemin hacmi 0,8 0,8 0,8 ( ) ( ) ( ) a Q= 60 40X 4,0X Y 3,3Y ,7Z 27Z 2 (Kusakabe et al 1999) D 60 a=1,0 Uniformluk katsayısı C u = >15 D 60 a=1,2 Uniformluk katsayısı 4< <15 D 10 D D 60 a=1,6 Uniformluk katsayısı >4 10 D 10 D 60, D 10 = Sırasıyla zeminin %60 ve %10 un geçenine karşı gelen tane boyutu, mm X= 0,074 mm den geçen zemin yüzdesi, % Y=0,25 mm den geçen zemin yüzdesi, % Z= 2,0 mm den geçen zemin yüzdesi Kaynak: Alıntılayan Milligian,

14 Hidro dokalkan/ a Karma a(e (zemin+kaya kütlesi) kalkan a prensibi pe sb ve iç görünümü ü ü Arında zemin basıncı+hidrostatik su basınç toplamı Batırma duvar Hava yastığı Basınçlı hava Segment Kesici kafa Segment kaldıracı Bulamaç Çalışma hücresi Hidrolik pompa Hidrolik itme silindirleri Kaynak: Thewes, M., aites.org/cms/fileadmin/filemounts/general/pdf/itaassociation/productandpublication/training/trainingcourses/03a_tc_2007_thewes.pdf 14

15 Bentonit Şerbetinin Çalışma ş Prensibi Bentonit şerbeti Zemin Bentonit şerbeti Zemin Bentonit şerbeti Zemin Geçirgen olmayan perde: Çamur keki Yayılma Yayılma Çamur keki Tip 1: Bentonit şerbetinin zemine sızması az; arında çamur kekinin oluşması (filtrasyon düzlemi) EN İDEAL ÇALIŞMA DURUMU: Permeabilitesi yüksek olan kumlu zeminler Bentonit şerbetinin zemine penetrasyon derinliği: Δp.d10 n s =..f (Jefferis, 1992) τ 1 n a Δp=P P a su, kpa Tip 2: Zeminde büyük boşluklar (büyük boyutlu çakılların varlığı, zemindeki eski su sarnıçları, batıklar vs.) olunca, çamur keki oluşmaz ve bentonit şerbeti zeminin içine doğru sızar. Genellikle zeminin permeabilitesi 10 4 m/sn aşınca arında stabilite sorunları başlar. Tip 3: Tip 1 ve Tip 2 nin arasında kalan bir çalışma koşuludur. Bu durumda, hem bentonit şerbeti zeminin içine doğru sızar, hem de makinenin önünde çamur keki oluşur. P a = Arın basıncı, P su = Su basıncı, τ a = Bentonit şerbetinin kayma akma gerilmesi, kpa, d 10 = Efektif tane çapı, mm, n= Kumun porozitesi, f= Amprik sayı,f 0,3 15 Kaynak: Yapı Merkezi, Arge Bölümü, Çamlıca, İstanbul, 2009.

16 Bentonit basıncının tane boyutuna göre belirlenmesi Kek Su basıncı, u Kalkan Bulamaç basıncı, p Perde model (Δp=40 kpa) Arın stabilitesi o İlave aebasınç: Δp=p u ppu o Bulamacın (su+bentonit karışımı) akma dayanımı, τ f o Efektif tane boyutu, d 10 büyüklüklerine bağlıdır. Güvenlik Ka atsayısı, GK Perde model (Δp=20 kpa) Δp= 20 kpa, 4% bentonit, τ f = 15 Pa A B Δp= 40 kpa, 4% bentonit şerbeti, τ f = 15 Pa C Δp= 20 kpa, 7% bentonit şerbeti, τ f = 80 Pa Tane boyutu, d 10, mm Kum Çakıl Kaynak: Anagnostou, Kovari, 1996 dan alıntılayan Ng et al

17 Kesici kafanın önünde yer alan çeneli kırıcılar Çeneli kırıcının ağız boşluğu Çeneli kırıcı Büyük boyutlu kaya blokları bordür 11 m çap Kaynak: Thewes, M., aites.org/cms/fileadmin/filemounts/general/pdf/itaassociation/productandpublication/training/trainingcourses/03a_tc_2007_thewes.pdf

18 Risklerin (büyük boyutlu kaya blokları) azaltılması ve risk yönetimi Önlemler: o Makinenin doğru tasarımı: Kırma ünitesi, açıklık oranı ve disklerin dizilimi o Zemin iyileştirmesi o Blok stabilizasyonu için enjeksiyon uygulaması Arın Enjeksiyon yapılmış zemin Büyük boyutlu çakıl Kesici Büyük boyutlu kaya bloğu Kaynak: Kovári, K., Ramoni, M.,

19 Makine Kazı Çapı İtme Gücü İlişkisi İtme Gü ücü, P, kn P = 969 (D) 1.91 İzmir Metrosu 0 0,00 5,00 10,00 15,00 Kalkan Şild Çapı,D, D, m Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,

20 Makine Kazı Çapı Kesici Kafa Torku İlişkisi M, m kn.m Torku, T, kn.m M ici Kafa T i Kafa Tork Kesici M T = (D) İzmir Metrosu Şild Çapı,D, m Kalkan Çapı, D, m Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,

21 Bulamaç ve zemin dengeleme basıncı tipi tünel açma makinelerinin karşılaştırılması Bulamaç Zemin dengeleme basıncı o Maksimum çökme/ deformasyon kontrolü + o İri kaya parçası + o Karışık (zemin+kaya) arın + o Boşluklar (su var) + o Kesici kafa disklerinin aşınması + o Malzeme değişimi/ bakım + o Çok ince tane içeriği + o Çok iri tane boyutu + o Yüksek yeraltı suyu basıncı + o Doğalgaz/ diğer gaz sızıntıları + o Bozulmuş zemin + + o Arın önünde göçük oluşumu + (+) Olumlu durum ( ) Olumsuz durum Kaynak: Thewes, M., aites.org/cms/fileadmin/filemounts/general/pdf/itaassociation/productandpublication/training/trainingcourses/03a_tc_2007_thewes.pdf 21

22 Arın Basıncının Hesap İlkeleri γ h 1 γ= Birim hacim ağırlık γ = Su altındaki birim hacim ağırlık D Z o =h+ 2 Arın zemin basıncı ( ) γ P = γh + γ' h K 2c K 1,z 1 2 o o P P = γh + γ' h + K 2c K 2 P 3,z = γh 1 + γ' ( h 2 +D) Ko 2c Ko γ = γ d γ su 2 h 2 h=h 1 +h 2 γ d = Suya doygun birim i hacim ağırlıkğ 1 γ su = Suyun birim hacim ağırlığı γs +eγsu 2 D γ d = 1+ e 3 Su basıncı Zemin basıncı γ s = Dane birim hacim ağırlığı, kum için γ s =2,65 t/m 3 Arın su basıncı 2,z 1 2 o o P = γ h 1,s su 2 D P 2,s = γ su h P = γ h +D 3,s su 2 ( ) Toplam arın basıncı, ΣP=P z +P s o Düşey toplam basınç kalkanın üzerinde γ +se γ γ +eγ P =h γ+h γ =h +h 1+e 1+e o İçsel sürtünme açısı, φ için bazı yaklaşımlar s su s su düşey 1 2 d 1 2 Osaki: Dunham: φ = 20N+15 e= Boşluk oranı γ s +se su = γ γ 1+e s= Suya doygunluk derecesi, suya doygun durumda s=1 dir. c= Zemin kohezyonu K o = Sukunet haldeki itki katsayısı (kumlu zemin, kohezif zemin, ince kum, yumuşak silt) K o =(1 sinφ) K A = Aktif basınç kt katsayısı (çakıl, kl kohezif zemin) 2 φ 1 sinφ K A =tg 45 = 2 1+sinφ φ= İçsel sürtünme açısı N= Standart penetrasyon sayısı φ = 12N + 25 ; φ = 12N + 20 Kaynak: Yapı Merkezi Ar&Ge Bölümü,

23 Arın basıncında aktif ve sükunet durumunda arın basınçları ve uygulamada zemin türüne göre alınan arın basınçları Plastik Bölge (aktif durum) δ A, Yerdeğiştirme Basıncı Zemin P A Elastik Bölge P o P p Plastik Bölge (sükunet durumu) δ p, Yerdeğiştirme Dış çap, m Zemin tipi Arın basıncı 2 Pasif zemin basıncı, tf/m P = γ hk 7,45 Yumuşak silt Sukunetteki zemin basıncı p o p o 1 = γ h K A Sükunet durumunda zemin basıncı, tf/m ( ) P = γhk = γh 1 sinφ Aktifdurumdazeminbası d ncı, tf/ m 2 P A = γhk A = γhtg 45 φ 2 φ= Zeminin içsel sürtünme açısı 8,21 Kumlu zemin, kohezif zemin Sukunetteki zemin basıncı+su basıncı+0,2 kgf/cm 2 5,54 İnce kum Sukunetteki zemin basıncı+su basıncı+değişken basınç 4,93 Kumlu zemin, kohezif zemin Sukunetteki zemin basıncı+(0,3 0,5 kgf/cm 2 ) 2,48 Çakıl, dereyatağı taşı, kohezif zemin Sukunetteki zemin basıncı+su basıncı 7,78 Çakıl, kohezif zemin Aktif toprak basıncı+su basıncı 7,35 Yumuşak silt Sukunetteki zemin basıncı+0,1 kgf/cm ,86 Yumuşak kohezif zemin Sukunetteki zemin basıncı+su basıncı+0,2 kgf/cm 2 Kaynak: Kanayasu et al, 1995 ten alıntılayan Guglielmetti et al

24 Arın basıncı ile sağlanan güvenlik düzeyi: Dönüm noktası 3i H su Z o i L e 6i i S mak Çökme teknesinin toplam açıklığı 3i Maksimum eğim H 4+ 2 cu GK = γ γsu γsu.hsu D γ γsu D γsu Hsu Parın γη K o γ γη 2Zo 6γΗ 2 γ H γη (Eistein, 1989) Arın Ba asıncı, P t/m 2 arın, D K o =0,5 K o =0,8 K o =1 Kabuller: o Tünel çapı, D=6,45 o Yer altı su seviyesi derinliği, H su =3 m o Birim hacim ağırlık γ= 2 t/m 3 o Suyun birim hacim ağırlığı, γ su = 1 t/m 3 o H= 8,475 m o Ötütbk Örtü tabakası kalınlığı kl l ğ Z o =11,7 m o c u = Drenajsız kohezyon Drenajsız Kohezyon, c u, t/m 2 Şekil Arın basıncının kohezyona ve sukunetteki itki katsayısına bağlı değişimleri (GK=1 için çizilmiştir) 24

25 Arın Stabilitesi Sayısı (N) P ek + γ Zo Pa Stabilite Sayısı: N= C P ek = Trafik yükü γ= Zeminin birim hacim ağırlığı Z o = Tünel aks derinliği, Z o =H+D/2 H= Örtü kalınlığığ D= Tünel kazı çapı P a = Arın basıncı c u = Drenajsız kohezyon U 0 < N < 2 Az akma elastik koşullar 2 < N < 4 Sınırlı akma 4 < N <6 Plastik akma N > 6 Arında ciddi stabilite problemleri N lite Sayısı, Stabi Arında Ciddi Stabilite Problemler Plastik Akma Sınırlı Akma Az Akma Elastik Koşullar km Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,

26 Kumlu Zeminlerde Stabilite Sayısı D P ek + γ H+ φ' ( ) 2 N = 1 sinφ', (Leca, 1989) P φ = Efektif içsel sürtünme açısı a P ek = Bina temelleri/ trafik ile aktarılan ek basınç P a = Arın basıncı γ= Zeminin su altındaki birim hacim ağırlığı H= Örtü kalınlığığ D= Tünel çapı o N φ <1 tünel etrafındaki zemin elastik davranış sergiler. Bu durumda zemin hacim kaybı 0,293 0,50 0,34% 1 V k 3,83% 1, (Leca, 1989) Nφ' Nφ' ( ) ( ) o N φ >1 ise tünel etrafındaki zemin plastik davranış gösterir. Ve hacim ksaybı 0,414 0,414 φ' 0,414 k 0,414 φ' φ' 0,0022N 0, 0192N 100% V 100%, (Leca, 1989) 1 + 0,0022N 1 + 0,0192N φ' ( ) ( ) 26

27 Kumlu zeminlerde zemin kaybı stabilite sayısı değişimleriğ ş Elastik davranış Plastik davranış Zem min Kaybı Yü üzdesi, V k, % Karışık zemin koşulları Arını açık kalkan Kapalı kalkan Washington Metro F3a Projesi ( φ' / ( φ' )) 100% 0,0192N 1 + 0,0192N Karışık zemin koşulları ( 0,414 / ( 0,414 φ' φ' )) 100% 0,0022N 1 + 0,0192N Stabilite Sayısı, N φ Kaynak: Leca,

28 SPT Değerlerinin Derinlikle Değişimleri SİLT Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,

29 Drenajsız Kohezyon Değerinin c u SPT den N Kestirimi İnce Daneli Zeminler İçin u 0,72 c = 58N, (Kulhawy ve Mayne, 1990) Orta plastik kil c =4 5N, (Stroud, 1974) u Plastisite İndisi I < 20 c = 6 7 N u Plastisite İndisi I > 30 c u u 4,2 N p p İnce daneli zeminler (silt; kil) c = 8,64 N c u = Drenajsız kohezyon değeri, kpa N= Düzeltilmiş i SPT değeri ğ, (Sivrikaya ve Toğrol, 2002,2006) Veri sayısı n= 226, korelasyon r=0,80 29

30 SEGMANLARA ETKİ EDEN YÜKLER Ana yükler: İkincil yükler: Düşey ve yatay zemin/ kaya basıncı Su basıncı Sursarj ek yükler (trafik, bina temel sistemlerinden aktarılan yükler vb.) Kaplamanın deformasyonundan kaynaklanan zemin reaksiyon basıncı Tünel makinesinin itme silindirlerinin oluşturduğu geçici zorlamalar Sismik yükleme (sismik aktiviteleri yüksek zonlarda özenle göz önünde tutulmalıdır). Özel yükler: Özellikle killi formasyonlarda uzun süreli oturmaları n oluşturduğu yükler Yan yana açılan tünellerin oluşturduğu gerilme yoğunluğu ndan kaynaklanankl ilave yükler Kaynak: Recommendations and guidlines for Tunnel Boring Machines, AITES ITA, Working Group No= 14, May 2001, Lausanne. 30

31 D o Dairesel a kesitli kaplamalarda a a a basınçlar ça p ek H= Örtü derinliği H s = Yeraltı su derinliği D o = Tünel orta çapı, D o =D i +t/2 D i = Tünel iç çapı t= Kaplama kalınlığı p ek = Ek yükler (trafik, bina temel sistemlerinden H H aktarılan düşey yükler) s p s1, p z1= Tünel tavanında sırasıyla düşey su ve zemin p s1 p z1 qz1 q s1 G S p zr p s2 q z2 q s2 p z2 p b basıncı p s2, p z2 = Tünel tabanında sırasıyla düşey su ve zemin basıncı G s = Zati kaplama yükü, G s =γ b.t (γ b = Prefabrik betonarme kaplamanın yoğunluğu, γ 26t/m 3 b 2,6 ) q s1, q z1 = Tavanda sırasıyla yatay su ve zemin basınçları q s2, q z2 = Tabanda sırasıyla yatay su ve zemin basınçları p zr = Zemin reaksiyon basıncı p zr p b = Taban kaplama zati ağırlığından kaynaklanan reaksiyon kuvveti p b = π.g s = 3,14. γ b.t mertebeleri çok küçük olduğundan b s b ötürü analizlerde rahatlıkla ihmal edilebilir Kaynak: Japanese Society of Civil Engineering,

32 Devamıdır Düşey Basınçlar o Yeraltı suyunun altında: o p z1 =γ.h y ; H s H y γ =γ z γ s γ z, γ s, γ = Sırasıyla zeminin ve suyun birim hacim ağırlığı ve zeminin su altındaki birim hacim ağırlığı H y = Yük veren yükseklik (Yük veren yükseklik örneğin Terzaghi kemerlenme yaklaşımından bulunabilir. Burada σ z = Terzaghi kemerlenme teorisinden i hesaplanan düşey yüktür). σz H y = γ' o p s1 = γ s.h s o Tavanda toplam düşey basınç p 1 =p z1 +p s1 = γ.h y + γ s.h s o Tabanda toplam düşey basınç p z2 =p z1 +p s1 pp s2 p s2 =γ s (H s +D o ) o Yatay basınçlar Tavanda: q z1 =λγ.(h y +t (*) /2) q s1 =γ s.(h s +t/2) Toplam: q 1 =q z1 +q s1 (*) Kaplama kalınlığından gelen yükler, diğer basınçların yanında (zemin, su basınçları) ihmal edilebilir. 32

33 Devamıdır Tabanda: q z2 =λγ.(h y +D o t/2) q s2 =γ s.(h s +D o t/2) Toplam: q 2 =q z2 +q s2 λ= Yatay zemin itki katsayısı (Bkz Çizelgeye) Kum Zemin türü λ SPT N Değeri Çok sıkı 0,45 30 N Sıkı 0,45 0,50 15 N<30 Orta, gevşek 0,50 0,60 N<15 Sert 0,40 0,50 8 N 25 Killi Orta sıkı 0,50 0,60 4 N<8 zemin Yumuşak 0,60 0,70 2<N<4 Çok yumuşak 0,70 0,80 N<2 o Zemin reaksiyon kuvveti p zr =K.δ K= Zeminin yataklanma katsayısı, (t/m 3, t/cm 3, MN/cm 3 ) δ=yan cidarda kaplamanın yerdeğiştirmesi, δ=f(p, q, EI, K, R o ) EI= Kaplamanın eğilme rijitliği, R o = Tünel orta yarıçapı Kaynak: Japanese Society of Civil Engineering,

34 Örnek Problem (*) o o o o Geometrik boyutları aşağıda belirtilen tünele etkiyen basınçları ve segman kalınlığını hesaplayınız. Dış segman çapı: D o = 9,450 m o Örtü kalınlığı: H= 20,275 m Tünel aks derinliği: D o H a =H+ =25m Yeraltı su derinliği: H s = 17,975 m 2 o Doygun olmayan kumun birim hacim ağırlığı: γ k = 1,6 t/m 3 o Doygun kumun birim hacim ağırlığı: γ 18t/m z = 1,8 3 o Yatay itki katsayısı: λ=0,43 (Segman zati ağırlıkları ve zemin reaksiyon yükü, yük analizinde dikkate alınmıştır. Ayrıca; kemerlenme etkisi göz önünde tutulmayarak daha güvenli tarafta basınç takdiri yapılmıştır). (*) Bu çözümlü problem aynen C. B. M. Blom, 2002 Dr. Tezinden (S66 67) Delft University Press ISBN den alınmıştır. 34

35 Devamıdır Çözüm: Tavanda düşey zemin basıncı: 2 ( ) γ ( ) p = γ H H + H = 1,6 20,275 17, ,8x17,975 = 3, ,355 = 36,035 t/m z1 k s k s Tünel tavanında düşey su basıncı: p = γ H = 1x17,975 = 17,975 t/m s1 s s Tünel tavanında efektif düşey zemin basıncı: p'= p p = 36,035 17,975 = 18,06 t/m 1 z1 s1 Tünel aks derinliğinde düşey zemin basıncı: 2 Do 9, 450 p za z,a = γ k ( H H s ) + γ z H s + =3,68 + 1,8 17,975 + = 44,54 t/m 2 2 Tünel aks derinliğinde düşey su basıncı: Do , 2 p s,a = γ s H s + = 1x 17,975 + = 22,7 t/m 2 2 Tünel aks derinliğinde efektif düşey zemin basıncı: p' = p p =44,54 22,7 = 21,84 t/m z,a z,a s,a

36 Devamıdır Tünel tabanında zemin basıncı: 2 ( ) γ ( ) ( ) p = γ H H + H + D = 3,68 + 1,8 17, ,450 = 53,045 t/m z2 k s s s o Tünel tabanında su basıcı: ( ) ( ) 2 p = γ H + D = 1x 17, ,450 = 27,425 t/m s2 s s o Tünel tabanında efektif zemin basıncı: p'= p p =53,045 27,425 = 25,62 t/m 2 z2 s2 Tünel tavanında efektif yatay yzemin basıncı: q' z,1 1 = λ.p ' = 0,43x18,06 = 7,765 t/m Tünel tavanında toplam efektif yatay basınç: q'=q' +p =7, ,975= 25,74 t/m 1 z1 s1 Tünel aks derinliğinde efektif yatay zemin basıncı: q' = λ.p ' = 0,43x21,84 = 9,391 t/m z,a z,a Tünel aks derinliğinde toplam yatay basınç: Do 9, 450 q a = q' z,a + p s,a' = q' a + γ s H s + = 9, x 17,975 + = 32,09 t/m

37 Devamıdır (Budeğer, aynı zamandatünel aks derinliğinde arın stabilitesi ni saplamak amacuyla uygulanması gereken basıncın büyüklüğüdür). Segman yüksekliği: t (0,045 0,040). D o = 0,0425 x 9,450= 0,40 m (Orijinal kaynakta projelendirilen segman yüksekliği 0,40 m olarak rapor edilmektedir). 37

38 Beton/ Betonarme Segmanların Boyutları Dış çap, m Genişlik, mm Yükseklik, mm Segman sayısı 1,80 2, ,15 2, ,75 3,35 3,55 4, ,30 4, ,10 5, , ,30 6, , , Amprik olarak segman kalınlığı dış çapın 0, ,40 ı kadar alınabilir. Bu yaklaşım 6,5 m <D < 14,0 m için geçerlidir. Örneğin, dış segman yarıçapı 7,50 m olan bir tünelde segman yüksekliği 0,045x7,50=0,35 m olmaktadır. Kaynak: Recommendations and guidleines for Tunnel Boring Machines, AITES ITA, Working Group No= 14, May 2001, Lausanne

39 Prefabrik Tünel Betonarme Segmanlarında İzin Verilebilir Gerilmeler: İzin verilen gerilme, MPa Tasarım basınç dayanımı Eğilmede basınç gerilmesi Kayma gerilmesi 071 0, , , , ,77 Yapışma aderans gerilmesi 2,0 2,1 2,1 2,2 2,2 Taşıma gerilmesi bütün yükleme Kaynak: Recommendations and guidelines for Tunnel Boring Machines, AITES ITA, Working Group No= 14, May 2001, Lausanne. 39

40 Segment arabası (Her biri üçer adet segment taşıma kabiliyetine 12ton sahiptir) Anadoluray projesi segmentleri stok sahası: Kaynak: Koç, Arıoğlu, Enis,

41 Kaynak: Yapı Merkezi Prefabrikasyon A.Ş. Kalite Kontrol Bölümü, segment üretim raporları,

42 BİR PROJE ÖRNEĞİ: Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi 42

43 Ümmühan Ana Tüneli Tipik ik Zemin Profili ve Ot Ortalama Geoteknik ikbüyüklüklerüklükl ZEMİN CİNSİ DOLGU YASS= m Tabaka Tabii Standart Efektif Sukunette Kalınlığı, m Bir. Hac. Su Likit Plastik Penetrasyon Drenajsız Kayma Zemin Ortalama Ağırlığı Muhtevası Limit Limit Değeri Kohezyon Muk. Açısı Bas. Kats. Min - Maks kn/m3 (%) (%) (%) Min/Ort/ Maks Cu [kpa] Ø [ o ] Ko SİLT-KİL 6 13 m 7-13 m / 4 / Siltli KUM / 16 / SİLT-KİL Diç=5.72 m SOL HAT Ddis=6.32 m 3.0 SAĞ HAT / 5 / Az Çakıllı Siltli KUM / 18 / Az Çakıllı Kumlu KİL maks=69 m min = 5.4 m / 19 / Kaynak: Yapı Merkezi Mühendislik ve Tasarım Bölümü, Çamlıca, İstanbul,

44 Ümmühan Ana Tünel Güzergahı ve Açılan Tünel Tüpleri B C L=815 m D L=758 m E ÇANKAYA ISTASYONU L=588.5 m L=591 m BASMANE BASLANGIÇ SAFTI 1 2 F A 3 4 A B C E F D KAZIK TEMELLİ BİNA TARİHİ BİNA ATIK SU POMPA İSTASYONU m ALT YAPILAR KONAK BASLANGIÇ SAFTI 6-13 ARKEOLOJIK KALINTILAR KAZI YÖNÜ D=6.30 m 2 KAZI SIRASI Min 1 D TIPIK KESIT Kaynak: Yapı Merkezi Mühendislik ve Tasarım Bölümü, Çamlıca, İstanbul,

45 Ümmühan Ana Tüneli Geoteknik Boy Kesiti Elev., m 0-10 Konak Istasyonu (M) Kazi Yönü (S) (S) 3. Yol, 4. Yol (M) (GWL) F Çankaya Istasyonu (S) (M) Kazi Yönü 1. Yol, 2. Yol F (M) (S-G) Basmane Istasyonu (C) -20 (S-G) -30 (An) (C) (S) LEJANT Yapay Dolgu (F) Kumlu Çakil (S-G) Kum(S) Silt (M) Kil (C) (GWL) Yeralti Su Seviyesi Kaynak: Yapı Merkezi Mühendislik ve Tasarım Bölümü, Çamlıca, İstanbul,

46 Aç Kapa Tünel Metodu Kriter Aç Kapa ç p Metodu ~ 1 2 m ALT YAPILAR ARKEOLOJIK KALINTILAR TIPIK KESIT Kaynak: Yapı Merkezi Tasarım Mühendislik Bölümü, Çamlıca, İstanbul, 1996 Yapım Süresi ve Ticari Kayıplar Kazı Hacmi İnşaat ~ 24 ay sürecek FevzipaşaBulvarındaki dükkanlar ciddi boyutta ekonomik kayıba uğrayacakğ m 3 hacminde toprak kazılacak ve taşınacak Altyapılar l Bütün altyapılar l (Elektrik, su, telefon, kanal) yerdeğiştirilecek Trafik Arkeolojik Kalıntılar Tarihi Yapılar FevzipaşaBulvarı 24 ay süresince trafiğe ğ kapalı olacak 5 6 m derinlikteki Arkeolojik kalıntılar zarar görecek Tarihi Basmene Garı Yıkılıp yeniden yapılacak 46

47 EPB Tünel Metodu Kriter Sığ Tünel Yapım Süresi ve Ticari Kayıplar İnşaat 12 ay sürecek Trafik sadece İstasyon kısımlarında kesileceğinden ekonomik kayıp daha az olcak Kazı Hacmi ~ m 3 toprak kazılacak 6-13 m ALT YAPILAR ARKEOLOJIK KALINTILAR Altyapılar Sadece İstasyon bölgelerinde gerekli olacak Trafik Araç Trafiği sadece istasyon D=6.30 m kısımlarında kesilecek Yaya trafiği devam edecek Min 1 D Arkeolojik Arkeolojik kalıntılar zarar TIPIK KESIT Kalıntılar görmeyecek Tarihi Yapılar Basmane garı yıkılmadan tünel açılacak Kaynak: Yapı Merkezi itasarım Mühendislik Bölümü, ü Çamlıca, İstanbul, t b l

48 Giriş Çıkış Kuyularında Zemin İyileştirmesi Diyafram Duvar EPBm Makinesi Zemin Iyilestirmesi (Bentonitli Plastik Beton) 5-8 m Ilerleme Yönü Diyafram Duvar EPBm Makinesi 5-8 m Zemin Iyilestirmesi (Bentonitli Plastik Beton) Ilerleme l Yönü Istasyon Yapisi Plan Kesit Kaynak: Yapı Merkezi Tasarım Bölümü, Çamlıca, İstanbul,

49 Giriş Kuyusunda Tünel Aynasının Hazırlanması Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

50 Giriş G ş Çıkış ş Ağızlarında ğ Kullanılan ua a Kılavuz au Çemberi Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

51 EPB Makinesinin Zemine İlk Hareketi ve Dayanma Yapıları Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

52 EPB Makinesi ile Monte Edilen Başlangıç (Geçici) Ringleri Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul,

53 EPB Makinesinin Kesici Kafa Yapısı ve Kimi Teknik Özellikleri o Kazı çapı D k =6,56 m o Klk Kalkan çapı D= 6,52 m o Kalkan uzunluğu L=7,30 m o Kesici kafa dönüş hızı 0 25 devir/dakika o Kesici kafa torku 500 t/m o Kesici kafa gücü 800 kw o İtme hızı 30 cm/dak o Toplam itme gücü 4430 t o Toplam basınç 3500 t/m 2 Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,

54 Makinenin Tünelden Çıkışı ş (Kesici kafada herhangi bir yapışma işareti yoktur. Bu görünüm, şartlandırma işleminin başarılı yapıldığını ifade etmektedir.) Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi,

55 Kazı Segment Boşluğuna Enjeksiyon Yapılması Kazı Kazi çapı, Ca api=6.54 D k =6,54 m Segm ment Dis Capi= =6.32 m A A Boslugu 11 cm Kazi ~ Segment Enjeksiyon Kalkan Sild Zirhi zırhı Tel fırça Firca Gri, ince kumlu beton Kesici Kafa Gri, ince kumlu beton A Detayi A Detayı Malzeme Miktar Çimento 130 kg/m 3 Uçucu Kül 420 kg/m 3 Kum (0 5 mm) 1058 kg/m 3 Bentonit 15 kg/m 3 Su 400 lt Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin,