YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İnşaat Mühendisliği Bölümü. TÜNEL DERSİ Ergin ARIOĞLU

Transkript

1 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ İ 3. Bölüm (Kemerlenme olgusu, Tünel stabilite analizleri, Cidar yerdeğiştirme iksa basınç karakteristikleri) Prof. Dr. Müh. Yapı Merkezi AR&GE Bölümü

2 Tünel Stabilitesine i Etki Eden Temel lfktöl Faktörler Geometrik Faktörler: o Tünel derinliği otünel kesit şekli (dairesel, elips, atnalı vb.) o Kesit boyutları Jeolojik/Hidrojeolojik Faktörler: o Tektonik yapı (fay, bindirme zonları vb.) o Litolojik yapı yp Mühendislik Faktörleri: osüreksizlik parametreleri osağlam kaya birimlerinin fiziksel/ mekanik özellikleri Proje Verileri: otünel kazı şekli (delme+patlatma; tünel makineleri ile) okazı/ / iksa yapım yp hızı (açıklık/yükseklik) o Ayrışma derecesi ozemin/ kaya kütlesi o Diğer mühendislik o Yeraltı su seviyesi ve basıncı iyileştirilmesi girişimlerine (bina, tünel vb.) o Sismik tarihçe oyapım firmasının teknik göre geometrik konumu bilgi/birikim düzeyi 2

3 Tünel Kaya Kütle Ortamına Göre (Kazı + İksa) Giderinin Yaklaşık Kestirilmesi Tünel Yaklaşık Kesit Alanı, m 2 US$/m Açıklık 1. Ciddi sıkışma gözlenen faylı tünel 1 2 ortamı 2. İksa açısından zayıf kaya ortamı ksa Maliyeti, Kazı ve İ Ortalama tünel çalışma şartları 4. Minimum iksa gerektiren iyi tünel ortamı 5. Global ölçekteki minimum maliyet eğrisi Örnek: Tünel Kazı Açıklığı, m Veriler: Tünel kazı açıklığı 10 m; tünelin bir bölümü faylı zondan geçecektir. Çözüm: Verilen şartlar için 1 m tünelin kazı + iksa masrafı yaklaşık $/m düzeyinde olmaktadır. Bumaliyet 1999 US$ cinsindendir a göre maliyet değeri ise ( ) ( ) n 10 P t = Pa 1 + i = , $/m i= Faiz oranı, n= Geçen süre Kaynak: Hoek, 2001, 3

4 İLAVE GÖSTERİM Düşey ş ve Yatay Derinlik Basınçları: o σ y =kxσ z, k= 1 hidrostatik basınç durumu o 100 σy ,3 <k= < +0,5 z σz z, (Hoek, Marinos, 2000) o σy 1 k = = 0,25 + 7xEyx 0,001 + σ z, (Shorey, 1994) z E y = Kaya kütlesinin yatay yönde ölçülmüş elastik modülü, GPa k, z, m Derinli Avustralya Amerika Kanada İskandinavya Güney Afrika Diğer bölgeler σ z = 0,0027.z Düşey Basınç, σ z,mpa k, z, m Derinli E y, GPa k= +0,3 z Avustralya Amerika Kanada İskandinavya Güney Afrika Diğer bölgeler 1500 k= +0,5 z ,5 10 1,0 Yatay 1,5 basınç,σ 2,0 2,5 3,0 3,5 y k= Düşey basınç, σ z Kaynak: Antiga, Coppola, 2008, ingegneria.it/antiga_coppola WTC2008.pdf 4

5 İLAVE GÖSTERİM Derinliğin ve k=yatay basınç/ Düşey basınç oranının, Tünel Cidarı Birim Kısalmasına Olan Etkisi (GSI= 30, iksabasıncı p i =0) Geoteknik büyüklükler: Sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı: σ lab = 20 MPa Poisson Oranı: ν=0,3 Hoek Brown malzeme sabitesi: m i = 8 Dilatasyon açısı: ψ=0 Jeolojik dayanım indeksi: GSI= 30 (Çok zayıf kaya kütlesi) İçsel sürtünme açısı: φ= 24 Kaya kütlesinin basınç dayanımı: σ y,b = 1,7 MPa Kohezyon: c= 0,55 MPa Kaya kütlesinin elastik modül: E m = 1400 MPa ε= %10 Örnek D ε= (Tünel cidarının radyal H= 445 m yerdeğiştirmesi/ Tünel yarıçapı)x100, % ının kısalma ası, ε, % Tünel cidar ε= %5 ε= %2,5 ε= %1 Örnek A H= 140 m Örnek B H= 223 m Örnek C H= 315 m Derinlik, z, m Kaynak: Antiga, Coppola, 2008, ingegneria.it/antiga_coppola WTC2008.pdf 5

6 İLAVE GÖSTERİM Devamıdır Derinliğin ve Gerilme Oranının Dairesel Kesitli Tünel Konverjansı, δ Üzerindeki Etkisi: Tünel Derinliği, m k=0,5 k=0,75 k=1, Hidrostatik basınç durumu k=1,5 k=2 A 140 0,81 0,85 1 2,09 3,94 B 223 0,78 0,84 1 2,26 4,06 C 315 0,78 0,83 1 2,14 3,69 D 445 0,81 0,83 1 1,94 Ortalama 0,79 0,84 1 2,11 3,90 Δ = δ mak δ teo k= Yatay gerilme/ Düşey gerilme oranı, σy k= σz δ mak = Verilen derinlik ve k gerilme oranı için maksimum konverjans miktarı (burada iksa basıncı p i =0 alınmıştır). δ teo = Verilenderinlikve k=1 için galeri cidarındakikonverjans konverjans miktarı (Burada iksa basıncı p i =0 alınmıştır). Konverjans, δ= (Tünel cidarındaki toplam radyal yerdeğiştirme miktarı/ Kazı çapı) oranı Değerlendirme: k<1 olma durumunda konverjans miktarı, hidrostatik gerilme koşullarındaki konverjansınyaklaşık %80 mertebesindedir. Bu oran derinlik etkisinden bağımsızdır. k>1 gerilme koşullarında ş ise incelenen Δ oranı derinlikten bağımsız ğ olarak 2 ile 3,9 arasında değişmektedir. ğ ş Kaynak: Antiga, Coppola, 2008, ingegneria.it/antiga_coppola WTC2008.pdf 6

7 İLAVE GÖSTERİM Derinliğin ğ ve Gerilme Oranının Tünel Kazı Çevresinde Oluşan ş Plastikleşme ş Yarıçapına, çp R p Etkisi ΔRp = ΔRp,k 1 ΔRp,k=1 k = 1 k=0,5 k=0,75 k=1 k=1,5 k=2 Hidrostatik basınç durumu A B C D ΔRp min 0,45 0,70 0,79 1,06 1,00 ΔRp mak 1,11 1,04 1,47 3,79 ΔRp min 0,42 0,66 0,85 1,11 1,00 ΔRp mak 1,11 1,04 1,47 4,97 ΔRp min 044 0, , , ,08 1,00 ΔRp mak 1,16 1,07 1,57 6,27 ΔRp min 0,44 0,65 0,86 1,00 ΔRp mak 1,17 1,08 1,50 Rp= Tünel kazı çevresinde oluşan plastikleşme yenilme yarıçapı, Rp mak ;Rp min = Sırasıyla maksimum ve minimum plastikleşme yarıçapı Değerlendirme: ğ k=1 Hidrostatik basınç durumunda, tüm derinliklerde tünelin etrafında oluşanplastikleşme yenilme zonunun enkesiti daireseldir. k< 1 gerilme durumunda ise hidrostatik basınç durumuna göre özellikle minimum yarıçaplarda göreceli olarak önemli farklılıklar göstermektedir. Buna karşın, ş maksimum plastikleşme ş yarıçaplarında çp ise sözkonusufark daha azalmaktadır. k> 1 gerilme durumunda ise özellikle Rp mak değerleri hidrostatik basınç durumundaki plastikleşme yarıçapına göre artan tünel derinliği ile birlikte büyük ölçüde artmaktadır. Kaynak: Antiga, Coppola, 2008, ingegneria.it/antiga_coppola WTC2008.pdf 7

8 İLAVE GÖSTERİM Sature kumlu zemin/ Çok çatlaklı ayrışmış ş ş kaya kütlelerinde tünel etrafında gözlenen yenilme: Tünel merkezinden yatay uzaklık, m Tünel merkezinden yatay uzaklık, m Yükseklik, m Yenilme çizgisi C/D=1 Tünel merkezinden yatay uzaklık, m C/D=3 Tünel merkezinden yatay uzaklık, m m Yükseklik, m C/D=2 C/D=4 C= Örtü tabakasının kalınlığı D= D Tünel çapı İçsel sürtünme açısı: 38 Deney sistemine uygulanan merkezkaç kuvvetinin şiddeti: 100g Kullanılan kum: Kuvars kumu, ortalama dane çapı: D 50 = 0,18 mm Oldukça üniform tane dağılımına sahip kum Rölatif sıkılık: %68 Kaynak: Lee, Chiang, Kuo, 2004, 7 PDF/ PDF 8

9 Kemerlenme Teorisi Genel Maden ve İnşaat Mühendisliğinde açılan galeri/ tünellerden gözlemlenen fiziksel bir gerçeğe göre, tünel iksasına etki eden basıncın p i pi P i büyüklüğü ğ derinlik basıncı olarak tanımlanan σ z=γ.h γ dendaimaküçüktür. Dahaaçık deyişle ş = <1 dir. Buolgu göçme σz γ H mekanizması ile tanımlanan hacmin cidarlarında oluşan kayma gerilmelerinin, τ varlığından kaynaklanır. Bu olaya kemerlenme denilir. Kemerlenme olgusunu sağlam fiziksel esaslara oturtarak statik model ile ilk defa açıklayan Rus Maden Mühendisi Prof. M.M. Protodiakonov 1925 dir. Batı literatüründe ise Prof. K. Terzaghi 1943, 1951 dir. Dünya ölçeğinde en kapsamlı tünel kitabının yazarı Prof. Széchy 1967, sayfa 204 de iki yaklaşımın arasındaki kuvvetli benzerliği işaret edilmiştir. Kemerleme sonucunda tünel tavanında basınç ferahlaması oluşurken, yan cidarlarda ise gerilme yoğunlukları gözlenir. Gerilme yoğunluğunun büyüklüğü daima derinlik basıncından, σ z daha büyüktür. Terzaghi Yaklaşımı: z H τ B b τ Yenilme çizgisi Derinlik basıncı σ z =γ.z h 45 +φ/2 γ(h+h) γ(h+h) ) σ z σ Z Gerilme yoğunluğu Derinlik basıncının tünel enkesitindeki dağılımı Kaynak: Terzaghi,

10 Devamıdır Kaya Kütlesi/ Kohezif Zemin İçinde Açılan Tünellerde Tavan Basıncı: 2c B. γ 2H B Ktgφ p B i = 1 e +qe 2Ktgφ 2H Ktgφ B B= Kemerlenme genişliği ş ğ açıklığı ğ b φ B = 2 + htg b= Tünel kazı açıklığı h= Tünel kazı kesitinin yüksekliği γ= Kaya/ zemin in yoğunluğuğ ğ φ= Geçilen kaya kütlesinin/ zeminin içsel sürtünme açısı c= Geçilen kaya kütlesinin/ zeminin kohezyon değeri σy K=. Genellikle K= 1 alınmaktadır. σ z σ y, σ z =Sırasıyla yatay ve derinlik düşey basıncın büyüklükleri H= Tünel derinliği q= Yeryüzündeki surşarj yüklemesi (trafik, bina temelleri, diğer mühendislik girişimlerinden aktarılan basınçlar) 10

11 Devamıdır Örneğin, çok ayrışmış kaya kütlesinde açılan derin bir tünelin tavanına etki eden iksa basıncı φ γ b + 2htg 45 γ B 2 p = i = ; ( c 0 ve K = 1 için geçerlidir ). 2tg φ 2tg φ şeklinde yazılabilir. Yukarıdakiformüldenaçıktır dkif k ki iksa tavan basıncı o Artan açıklıkboyutlarıyla artar. o Azalan içsel sürtünme açısıyladaartmaktadır. Örnek: otünel kazı çapı:d=6,8m oçamurtaşı/ silttaşı içsel sürtünme açısı: φ 25 İksa basıncı istenmektedir. Çözüm: Eşdeğer kazı kesiti F e kavramından hareketle kare kesitli açıklık boyutu tünel çapı D cinsinden şöyle yazılabilir: b=h 2 2 π.d F e =b = 4 b = 0,88.D = 0,88x6,8 = 6m 11

12 Devamıdır Tavan basıncı: 25 2, x6tg 45 2 p= t i =38 2tg25 m olarak bulunur. Budeğer başka bir yaklaşım ile tahkik edilmelidir. Arıoğlu, Ergin, 1992 ve 1995 e göre ( ) p i = 2,81.exp 0,0281.RQD γ. D 2 dir(bkzşekil). Ayrışmış kaya kütlelerinde kaya kalite göstergesi rahatlıkla RQD %15 alınabilir.veolası tavan basıncı ( ) p i = 2,81.exp 0,0281x15 t 2,6.6,8 = 32,6 2 m mertebesinde hesaplanır. Limit denge kavramına dayanan Ellstein, 1986 yaklaşımına göre sığ tünellerdeiksa basıncı ( ) Pi H 2 C = γd D 3 γd ilehesaplanabilir (Antão,1997). Kohezyonsuz (c 0) zemin/kaya ayrışmış, çok çatlaklı kütlelerinde 2 P i = γd + γd = 1,66γD 3 olup, örnekteki verileriçinistenenbüyüklük P = 1,66x2,6x6,8 = 29,3 i bulunur. t 2 m 12

13 D= 10 m D= 8 m D= 6 m D= 5 m n RQD= %15, D=6,8 m için P=n..D i γ n=2,81.exp( 0,0281.RQD) İksa Basıncı, P i, t/m Kaya Kalite Göstergesi, RQD, % Şekil RQD kavramına dayandırılan iksa basıncı abağı (γ= Kaya birim ağırlığı, γ=2,6 t/m 3, n= Yük veren faktörü, D= Tünel kazı çapı) Kaynak: Arıoğlu, Ergin, 1992,

14 Hidrostatik Basınç Altındaki Dairesel Kesitli Tünel Cidarlarının Deformasyonu Yerdeğiştirme, Konverjans, Yüzde Olarak Tünel radyal konverjansı Deformasyonun hareket yönü: A δ t δf Tünel arını Tünel çekirdeği Plastik zon sınırı r o B ε a = Tünel arın merkezindeki aksiyal yerdeğiştirme ε r = Tünel cidarının radyal yerdeğiştirmesi i i Tünel arınının tünel açıklığı yönündeki yerdeğiştirmesi 3p ( i p 0) +1 3,8p ( i p 0) +0,54 p σyb ε i a = 0,10. 1., % p0 p0 ( 3p ) ( ) ip 0+1 3,8p ip 0+0,54 p σ i by ε r =0,15. 1., % p0 p0 ε r = Tünel cidarının radyal kapanması yerdeğiştirmesi ε a = Tünel arın merkezindeki aksiyal yerdeğiştirme p 0 = Derinlik basıncı, p 0 =γ.h γ= Tünel ortamının açıldığı kayanın yoğunluğu H= Tünel aks derinliği p i = Tünelde uygulanan iksa sistemleriyle püskürtme beton, tavan saplaması, çelik bağ ğ vb. uygulanan toplam basınç σ yb = Kaya kütlesinin tek eksenli basınç dayanımı r 0 = Tünel kazı yarıçapı Kaya kütlesinin dayanımı, σ b,y /Yerinde basınç, p 0 Kaynak: Hoek, 2001, 14

15 Derinliğin Tünel Stabilitesine Etkisi Deformasyon sınırı Deformasyon sınırı H o Tünel derinliği, H= 50 m o Tünel derinliği, H= 250 m o Düşey Basınç, P o = 125MPa 1,25 o Düşey Basınç, P o = 6,25 MPa o Plastik zonun yatay açıklığı, L p = 13,2 m o Plastik zonun yatay açıklığı, L p = 27,2 m o Plastik zonun düşey açıklığı, D p = 16,1 m o Plastik zonun düşey açıklığı, D p = 33,5 m o Yatay deformasyon, u y /r= %0,3 o Yatay deformasyon, u y /r = %5 o Düşey deformasyon, u d /r= %0,33 o Düşey deformasyon, u d /r = %5,3 o Tünel derinliği, H= 500 m o Düşey Basınç, P o = 6,25 MPa o Plastik zonun yatay açıklığı, L p = 35 m o Plastik zonun düşey açıklığı, D p = 45 m o Yatay deformasyon, u y /r = %15 o Düşey deformasyon, u d /r = %16 o Yatay tünel açıklığı 10 m o Yatay basınç= 1,3. P o o Jeolojik dayanım indisi, GSI= 25 o Tek eksenli basınç dayanımı, σ b,lab =15 MPa sağlam kaya o Yerinde basınç dayanımı, σ b,y =1,5 MPa o Yerinde elastik modül, E y = 913 MPa o Yerinde içsel sürtünme açısı, Ø= 24,7 Kaynak: Hoek, 1998 den değiştirilerek x Kayma yenilmesi Çekme yenilmesi 15

16 İksa Basıncının Radyal Yerdeğiştirme Üzerine Etkisi Radyal Tüne el Kapanması yerdeğiştirmes si /Tünel Çapı ı x 100, % İksa basıncı, P i /Derinlik Basıncı, P o Kaya Kütlesinin Dayanımı/Derinlik Basıncı,σ b,y /P o (P o = Derinlik basıncı, P i = İksa basıncı, σ b,y =Kaya kütlesinin yerinde basınç dayanımı) Kaynak: Hoek, Örnek: Kaya kütlesinin tek eksenli basınç dayanımı σ b,y = 0,2 MPa, tünel derinliği, H= 50 m, geçilen formasyonun birim hacim ağırlığı γ= 2,6 t/m 3 için iksasız ve iksa basıncının 0,39 MPa olma durumunda (radyal tünel kapanması/tünel çapı) oranını hesaplayınız. Çözüm: o P o = γ.h=2,6t/m 3 x50 m=130 t/m 2 =1,3MPa o σ b,y /P o = 0,2 / 1,3 0,15 o İksasız olma durumu: P i =0 P i /P o =0 ise Radyal tünel kapanması/tünel çapı= % 9 çok yüksek kapanma o İksa basıncının (tavan saplama, püskürtme beton vs.) P i =39 t/m 2 P i =0,39MPa alınması durumu: o P i =0,39MPa P i /P o = 3,9 / 13= 0,3 ise o Radyal tünel kapanması/tünel çapı=%1,5 o Değerlendirme: Verilen geoteknik koşullarda tahkimat uygulanmama durumunda düşey radyal yerdeğiştirme tünel yarıçapının %10 u mertebesindeyken, iksa uygulanması durumunda aynı deformasyon büyüklüğü tünel çapının %1,5 u mertebesine indirilmektedir. Buradan açıkça görüleceği gibi uygun iksa seçimiyle tünel deformasyonları istenilen limitler içinde kontrol edilebilmektedir. 16

17 Kritik Tünel Birim Kısalması Kavramı Çeşitli Tünel Projelerine Uygulamaları Birim Kısa alma, u/r Özel tahkimat gerekinmesi olan tünel projeleri stabilite sorunları var Belirgin iksa problemi olmayan tünel projeleri stabilite problemi yok Kritik birim kısalma u = 1 σ 0,318 =1,073.σb,y r Ciddi stabilite sorunu var Örnek: Geçilen formasyonun yerinde dayanımı σ b,y = 0,4 MPa, tünel derinliği H= 150 m, birim hacim ağırlığı γ= 2,6 t/m 3 olan ve uygulanan iksa basıncı P i =0,4 MPa olan bir tünelde, stabilite sorununun olup olmadığını Sakurai diyagramı ile tahkik ediniz. (Tünel en kesiti dairesel kabul edilecektir). Çözüm: o Derinlik basıncı:p o = γ. H= 2,6 x 150= 390 t/m 2 (3,9 MPa) o σ b,y /P o = 0,4 / 3,9 0,1 o İksa basınç oranı: P i /P o =0,4 / 3,9 0,1 ohoek diyagramından tünelin birim kısalma büyüklüğü yaklaşık %10 olarak belirlenmiştir. Kaya Kütlesinin Tek Eksenli Basınç Dayanımı,σ b,y, MPa o Değerlendirme: Yandaki Sakurai diyagramından yerinde tek eksenli basınç dayanımı, σ b,y = 0,4 MPa ve birim kısalma, u/r= %10 değerlerinin tanımladığı nokta, kritik birim kısalma değerinin çok üzerinde kalmaktadır. Daha açıkdeyişle verilen geoteknik, geometrik koşullar ve iksa basıncı için ciddi bir stabilite problemi beklenmelidir. Bu durumda mühendis tünel içinde uyguladığı iksa basıncını arttırmak yoluyla radyal kapanma değerini daha aşağı değere çekebilir. Kaynak: Hoek, 1998 (Kritik deformasyon kavramını literatürde ilk işleyen Sakurai, 1983) 17

18 ε=u u i /r o Değerlerine Göre Tünel Stabilitesi ve Önerilen İksa Sistemleri Birim kısalma, ε,% Stabilite durumu İksa türleri < 1 Çok az stabilite sorunu sözkonusu olabilir. Çok basit tünel koşulları, az yoğunluklu tavan saplamaları ve püskürtme beton > 10 Tünel kazısı etrafında plastikleşeme zonu oluşur. Düşük düzeyde sıkışma sözkonusu Sıkışma nın düzeyi daha belirgindir. Genellikle kazının arın stabilitesi önemli bir sorun oluşturmaz Çok ciddi sıkışma ile birlikte arın stabilite sorunu önemli olmakta dır. Sıkışmanın yanı sıra arın stabilite sorununun düzeyi artmıştır. ş Tavan saplamaları + Püskürtme beton kaplama. Kimi durumlarda hafif ağırlıklı olarak çelik bağlar gerekli olabilir. İksanın hızlı bir şekilde yerleştirilmesi gerekmektedir. Püskürtme beton kaplaması içinde ağır profilli çelik bağlarınyerleştirilmesi genellikle gerekebilir. Yukarıdaki belirtilen iksa sistemine ek olarak arın güçlendirme ele manlarının ve tavanda önsürenlerin kullanımı genellikle gerekir. Aşırı sıkışma nedeniyle tavanda önsüren ve arında güçlendirme iksa elemanlarının kullanımı gerekmektedir. Sıkışmanın denetimi açısından püskürtme beton kaplaması içinde esnek çelik bağ kullanımı tercih edilebilir. u i = Tünel radyel yerdeğiştirmesi, r 0 = Kazı yarıçapı Kaynak: Hoek, Marinos,

19 İksa Basıncı p i =0 için Tünel Stabilite Abağı H=60 m H= 50 m H=40 m H=30 m H=20 m H=80 m 4 3 Kaya kütlesi Rock mass dayanımı/derinlik strength / in-situ basıncı, stress, σ y //Pp o I σ ε = 0.2 P y o 2,% l II 2 III σ cm IV GSI= Kaya Rock kütlesinin mass strength, dayanımı, σ σy, (MP Pa) MPa cm σ y = σ b e kısalma, ε,% Strain ε, % Birim GSI Sağlam numunenin Laboratory tek rock eksenli strength basınç, σ ci (MPa) dayanımı, σ b, MPa T u n e l D a v r a n ı ş ı I ε 1 % Çok az iksa problemi II 1 <ε < 2.5 % Az sıkışma III 2.5 <ε < 5.0% Ciddi sıkışma IV 5.0 <ε < 10% Çok ciddi sıkışma V ε > 10% Aşırı sıkışma H= Ho+ro H o r o r p pi GSI= 25 GSI= 20 GSI= 15 GSI= 10 ( GSI= Jeolojik dayanım indisi, H= Tünel aks derinliği, r o = Tünel yarıçapı, r p = Plastik zonun yarıçapı,ε= u i /r o =(Tünel cidarının radyal yerdeğiştirmesi/tünel yarıçapı), derinlik basıncı P o nün hesabında P 0 =γ.h birim hacim ağırlık γ=2.65t/m 3 alınmıştır). Kaynak: Arıoğlu, Ergin, Girgin ve Yüksel, 2003 Plastik zon 19

20 Tünel Sıkışma Hareketlerinin Düzeyi Singh, 1995 e göre o Tünel Derinliği: H > 275 N 0,33.D 0,1 H > 350 Q 0,33 Sıkışma hareketi sözkonusu o Az sıkışma...kapanma o Ot Ortasıkışma...Kapanma o Yüksek sıkışma Kapanma ε t.100 = %1 3 D ε t.100 = %3 5 D ε t.100 > %5 D ε t = Tünel cidarının birim kısalması D= Tünel kazı çapı çp 20

21 Tünel Stabilitesi Abağığ Stabilite Sayısı: σ σ t S= = y,b 2H γ σ y,b 7 6 Ağır Aðýr ğ sıkışma sýkýþma ýþ ş σ t = Tünel cidarındaki teğetsel gerilme (tünel kazı kesiti daireseldir) σ yb y,b= Kaya kütlesinin tek eksenli basınç dayanımı σlab 0,333 σ y,b =7 γ.q, MPa 100 σ lab Q>10 ve σ lab >100 MPa durumunda terimi 1 alınacaktır. 100 σ σ lab <100 MPa ise lab terimi düzeltme faktörü olarak 100 kullanılacaktır.(grimstad ve Bhasin, 1996) σ lab = Sağlam kaya numunesinin tek eksenli basınç dayanımı, MPa σ =7 γ.q y,b 0,333, MPa Q<10, 2 MPa< σ lab < 1000 MPa J w = 1 ve J r /J a <0,5 (Singh vd., 1997). γ= Kayanın yoğunluğu, t/m 3 H= Tünel derinliği, S bilite Sayısı, Sta abilite sayýsý, Sta Aðýr-Orta sýkýþma Ağır orta sıkışma Sıkışma yok Sýkýþma yok Cidarda kavlama ve ve kaya patlatması patlamasý Genelde stabil stabil Kaya kütle faktörü, Q Kaya Kütlesi Faktörü, Q 0.5 Kaynak: Grimstad ve Bhasin,

22 Devamıdır Kaya Kalite Faktörü: Q RQD Jr Jw Q= x x Jn Ja SRF RQD= Kaya kalite göstergesi J n = Çatlak süreksizlik takımı sayısı J r = Çatlak pürüzlülük sayısı J a = Çatlak ayrışma bozunma sayısı J w =Çatlak su azaltma faktörü SRF= Gerilme azaltma fk faktörü Örnek: o Tünel derinliği: H= 500 m o Kaya yoğunluğu: γ=2,6 6 t/m 3 kumtaşı o Kaya kütle kalite faktörü: Q 0,1 o Tek eksenli basınç dayanımı: σ lab = 60 MPa Çözüm: okaya K kütlesinin i basınç dayanımı: Q= 0,1 < Q= 10 olduğundan Singh vd amprik bağıntısı kullanılacaktır. 0,333 0,333 2 ( ) σ y,b =7 γ.q =7x2,6x 0,1 = 8,45 MPa = 845 t/m o Stabilite sayısı σt 2γH 2x2, 6x500 S = = = 3,1 σ σ 845 y,b y,b Değerlendirme: Q= 0,1 ve S= 3,1 değerlerine göre Grimstad ve Bhasin, 1996 abağından sıkışmanın düzeyi Orta Ağır olarak elde edilmektedir. Bkz Grimstad ve Bhasin abağına) 22

23 Tünel/galerilerde sıkışma hareketinin düzeyini belirleyen HD 0.1 =ƒ(n) değişimleri D 0,1 H Yüksek sıkışma Sıkışma yok HD 0,1 =275N 0,333 Kaya kütle sayısı, N Kaya patlaması İksa gereksinimi yok Kaya kütle sayısı: RQD r N= x xjw Jn Ja J Kaiser vd., 1986; Goel vd., 1995 RQD= Kaya kalite göstergesi J n = Çatlak süreksizlik takımı sayısı J r = Çatlak pürüzlülük sayısı J a = Çatlak ayrışma bozunma sayısı J w =Çatlak su azaltma faktörü H= Tünel derinliği, m D= Tünel kazı çapı, m Değerlendirme: Verilen geometrik boyut (H, D) ve kaya kütle sayısı, N den tünel/ galerilerde sıkışma hareketinin düzeyi belirlenir. Kaynak: Goel vd, 1995 den alıntılayan Singh ve Goel,

24 Kaya Patlama Stabilite Sorununun Belirlenmesi Genel bilgiler Kaya ortamlarda açılan tünellerde stabilite sayısı σy,b F.σ b b,lab S = = σ (A.k 1)σ t z ile ifade edilmektedir (Arıoğlu, Ergin, Arıoğlu, B., Girgin, C., 1999), (Arıoğlu, Ergin, Girgin, C.,1998). Burada: σ y,b = Kaya kütlesinin yerinde basınç dayanımı σ t = Tünel yan cidarındaki teğetsel gerilmenin büyüklüğü σ z =Düşey gerilmenin büyüklüğü, σ z = γ.h F b = Tünel boyutu ve laboratuar örnek boyutuna, d lab,bağlı ölçek faktörü olup d lab F b = D/CF t 0.2 ile bellidir (Arıoğlu, Ergin ve Girgin, 1998) σ lab,b =Sağlam kaya numunesinin tek eksenli basınç dayanımı Dt= Tünel kazı çapı CF= Süreklilik katsayısı, az çatlaklı masif kayalar için CF > ~6, sık çatlaklı parçalanmış kayalar için CF > ~ 100 değerini almaktadır (Palmst m, 1996) A= Tünelin kesit formu ile ilgili katsayı, dairesel tüneller için 3,atnalı ve diktörtgen kesitli tüneller için sırasıyla 3.2 ve 1.9 değerlerini almaktadır. k= yatay gerilme/düşey gerilme nin oranı olup, kristalli kayaçlardaaçılan tünellerdederinliğebağlı olarak 0.16 k = 5.13.H, H(m) ile verilmektedir (Arjang, 1998). 24

25 Devamıdır Masif kırılgan kayaç kütlelerinde açılmış tünellerde gözlenen yenilme modlarına göre stabilite sayısının aldığı değerler Çizelgede belirtilmiştir (Palmstrφm, 1996). Çizelge Stabilite Sayısı Stabilite değeri S Yenilme modu > 2.5 Tünel stabil Herhangi bir gerilme problemi yok Yüksek gerilme Hafifçegevşeme gevşeme Hafif kaya patlaması veya dökülmeler < 0.5 Ağır kaya patlaması Stabilite sayısının hesaplanması Örnek ile açıklanırsa; o Tünel derinliği: H= 7,50 m o Tünel kesit şekli: Dairesel, A= 3 o Tünel kazı çapı:d t =6,5m o Kaya ortamı çok az çatlaklı o Kaya yoğunluğu: γ= 2,7 t/m 3 o Sağlam kaya numunesinin tek eksenli tek eksenli basınç dayanımı, σ b,lab = 1300 kgf/cm 2 o Laboratuar kaya numunesinin çapı:d lab =0,05m 25

26 Devamıdır Çözüm: 0.16 k = 5.13x(750) = m 0.05 F b = 0.5 m 6.5 /5 0,5x1300 S = =0.68 (3,2x1,779 1)x2,7x750 bulunur. Değerlendirme: Stabilite sayısının,sdeğerlendirilmesi izleyen şekilde verilen S= f(σ lab,h)abağından yapılabilir. Buna göre tünel cidarında hafifkaya patlaması bkl beklenmektedir. ktdi 26

27 Devamıdır Kaya Patlama Düzeyinin Belirlenmesi S=0,68 Şekil Stabilitesayısınınfarklı kayaç basınç dayanımlarındaderinlikile değişimleri (σ lab =Sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı) Kaynak: Arıoğlu, Ergin, Arıoğlu, B.,Girgin, C.,