Tünel Girişinde Zemin İyileştirmesi: Bağışlı Tüneli Örneği, Trabzon Soil Improvementin TunnelEntrance: Example of Bağışlı Tunnel, Trabzon

Transkript

1 Tünel Girişinde Zemin İyileştirmesi: Bağışlı Tüneli Örneği, Trabzon Soil Improvementin TunnelEntrance: Example of Bağışlı Tunnel, Trabzon N. Kılıç 1,*, A. Sayın 1, O. Başer 2 1 Karayolları 10.Bölge Müdürlüğü, Ar-Ge Başmühendisliği, 61310, Yıldızlı, Trabzon 2 Zemka Proje Ltd. Şti., 06700, Çankaya, Ankara (*nesejeo@gmail.com) ÖZ: Bağışlı Tüneli, Trabzon-Gümüşhane Bölünmüş Devlet Yolu Projesi kapsamında Km: arasında 730 m uzunluğunda tek tüp olarak tasarlanmıştır. Tünel giriş portali ve ekseni Çatak Formasyonuna ait bazalt, andezit lav ve piroklastları içerisinde açılacaktır. Çıkış portali ve portale yakın eksen kesimi ise, volkanik kökenli moloz ve çakıllardan oluşan yamaç molozu birimi içerisinde yer almaktadır. Eski bir heyelan sahası olan çıkış portali kesiminde tünel yapımı sırasında stabilite problemi oluşması yüksek olasılıktadır. Bu nedenle bu kesimde 10 adet araştırma sondajıaçılmış, litolojik birimlerin yanal ve düşey değişimleri belirlenmiş, arazi ve laboratuvar deneyleri yapılarak kaya ve zeminlerin mühendislik özellikleri belirlenmiştir. Araştırma bulgularına göre çıkış portalinde 209 m uzunluğundaki kesimde zemin iyileştirilmesi yönteminin, açık kazı ve destek uygulamasından daha ekonomik ve teknik olarak uygulanabilir olduğuna karar verilmiştir. Tünel kazısından önce zeminin iyileştirilmesi amacıyla konsolidasyon enjeksiyonu projesi hazırlanmıştır. Bu projeye göre; her kesitte adet enjeksiyon kuyusu 1,5x1,5 düzenle açılmıştır. Birbirini izleyen kesitlerde şaşırtmalı olarak açılan kuyularda enjeksiyon karışım oranı, sondajdaki refü basıncına göre 1/3-7/5 arasında değişmektedir. Enjeksiyon sınırı, tünel kesiti içerisinde tavanda minimum 8 m, omuzlarda 10 m ve yan aynalarda 6 m arasında olmak üzere uygulanmıştır. Konsolidasyon enjeksiyonu sonrasında zeminde yapılan presiyometre deneyleriyle zeminin % 100 oranında iyileştirildiği belirlenmiştir. Böylece, enjeksiyonla iyileştirilmiş zeminin açılacak olan tünel cidarında bir kabuk oluşturması sağlanacaktır. İyileşmiş zemin parametreleriyle yapılan nümerik analizler sonucunda bir duraysızlık beklenmeyeceği sonucuna ulaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Bağışlı Tüneli, Yamaç Molozu, Enjeksiyon, Presiyometre ABSTRACT: Bağışlı Tunnel is designed compass of "Trabzon and Gümümhane Separated State Highway Project" between Km: and 730 m in length as a single tube. Tunnel entrance portal and axis will construct in Çatak formation of basalt, and esitelavas and pyroclastics. İn case the exit portal and near the portal axis zone is located with in talus unit consisting of volcanic ruble and gravel.at the exit portal, which is part of an old landslide areas, stability problems are very likely to ocur during the tunnel construction. Therefore, in this section, opened 10 research drilling, identi fied lateral and vertical variations of lithological units, rock and soil engineering properties are determined by in field and laboratory tests. According the research findings, it has been decided that the ground improvement with injection method is became more economic and applicable than removing and supporting all slope debris material from portal structures. Before the tunnel excavation, in order to improve ground, consolidation grouting project were prepared. According to this design; 10 to 11 grouting holes were drilled in each section with layout of 1,5*1,5. According to pressure in drilling, staggered in consecutive sections in injection wells in the mixing ratio, (cement/water ratio) between 1/3-7/5 ranged. Injection limit in cross-section tunnel will be minimum 8 m at the tunnel crown, 10 m at shoulders and 6 m in the tunnel face. Thus, grouting applications is designed to form a crust on the walls of the tunnel. After consolidation injections of the ground verified that improved by 100 % with the ground is made pressiometer experiments. Thus, the ground improved by injection will provided to form a crust in the tunnel wall to be opened. As a result of numerical analysis has concluded it will not be expected to instability with made with improved ground of the parameter. Keywords: Bağışlı Tunnel, Talus, Injection, Pressiometer 10

2 1. GİRİŞ Trabzon-Gümüşhane Bölünmüş Devlet Yolu Projesi kapsamında projelendirilen Bağışlı Tüneli, 730 m uzunluğunda ve tek tüpten oluşmaktadır. Bahsi geçen güzergahın ilgili kesiminde yol genişlemesi için mevcut derenin kesitinin çok dar olması ve inceleme alanında yer alan HES projesi nedeniyle bölünmüş yolun dağ tarafına doğru açılması zorunluluğu doğmuştur. Ancak, mevcut arazinin dik ve kazı yapılması durumunda çok yüksek yarma şevlerinin ortaya çıkacak olması ve trafik güvenliği nedenleriyle bu tünel projelendirilmiştir. Tünel güzergahının bir kısmı yamaç molozu içerisinde olacaktır. Bu bildiride, tünel kazısı ve tünelin işletme aşamasında karşılaşılması muhtemel duraysızlıkların önlenmesine yönelik olarak yapılan mühendislik jeolojisi çalışmaları ve yamaç molozunda uygulanan enjeksiyonla uygulamaları konu edilmektedir. 2. BÖLGESEL JEOLOJİ İnceleme alanındaki hakim birim Üst Kretase yaşlı Çatak Formasyonu na ait bazalt, andezitik lav ve piroklastlarıdır. Bununla birlikte sahada, yamaç molozu da yer almaktadır.yamaç molozu; ağırlıklı olarak volkanik kökenli moloz ve çakıllardan oluşmakla birlikte, yer yer hakim kil seviyelerini de içermektedir.tünel güzergahında yamaç molozu birimi Km: den itibaren a (tünel çıkışına) kadar yüzlek vermektedir (Şekil1 ve 2). Şekil 1. (a) Çatak Formasyonu (Tünel giriş kesimi), (b) yamaç molozu (tünel çıkış kesimi) 3. MÜHENDİSLİK JEOLOJİSİVE JEOTEKNİK 3.1. Araştırma Sondajları ve Güzergahın Mühendislik Jeolojisi Tünel projesinin tasarımına yönelik olarak; sahanın mühendislik jeolojisi modelinin ortaya koyulması ve zeminin jeomekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla öncelikli olarak 10 adet sondaj kuyusu planlanmış ve Km: arasında yapılan SK-4 ve SK-5 sondajları tamamen Çatak Formasyonu içerisinde açılmıştır. Diğer sondajlarda ise (SK-1, SK-2, SK-3, SK-6, SK-7, SK-8, SK-9 ve SK-10) kalınlığı eksende 81 m'yi bulan yamaç molozu kesilmiştir. Yamaç molozu, yoğun yağış etkisi nedeniyle dik morfolojik yapıdaki volkanik kayaçların ayrışmasıyla oluşmuştur ve tünel çıkış portalindeki yamaç düzlüklerinde kesilmiştir (Şekil 2). 11

3 Şekil 2. Tünel güzergahının ve sondajların konumları İnceleme alanında anakaya; Çatak Formasyonunun sarımsı-grimsi bordo renkli az ayrışmış, yer yer ayrışmamış, hematitleşmiş, limonitleşmiş orta dayanımlı-dayanımlı bazalt, andezitik lav ve piroklastikleriyle temsil edilmektedir. Bununla birlikte, yamaç molozu da tünelin orta ve çıkış kesimleri arasında Çatak Formasyonunun üzerinde yer almaktadır(şekil 2).Arazinin topoğrafik yapısı gereği, sondajlar tünel eksenine mümkün olduğunca yakın konumda açılmıştır. Ancak tamamı tünel ekseninde açılamamıştır (Şekil 3). Şekil 3. Tünelin konumunu da gösteren jeoloji kesiti Yamaç molozu içerisinde birkaç metreye varan, volkanik kökenli, sert-orta sert, dayanımlı-orta dayanımlı serbest bloklar izlenmektedir. Eski yamaç molozu içerisinde yapılan SPT deneyleriyle elde edilen örselenmiş örnekler üzerinde gerçekleştirilen laboratuvar deneylerine ait sonuçlar aşağıdaki gibidir (Çizelge 1). Yamaç molozu granüler yapısından dolayı geçirimli özelliklere sahiptir. Ayrıca yamaç molozu birimden alınan örselenmiş numuneler kabul edilen birim hacim ağırlıklara göre sıkıştırılarak direkt kesme deneyine tâbi tutulmuşlardır. Sondaj No. Numune No. Çizelge 1. Yamaç molozunun indeks ve dayanım özelikleri Elek Atterberg Limitleri Analizi Derinlik (m) n (kn/m 3 ) LL PL PI Zemin Sınıfı Makaslama dayanımı c (kpa) SK-3 SPT-1 3,00-3,45 17,7 39,20 24,09 15,10 42,6 18,9 GC 9,8 29 SK-3 SPT-1 6,00-6,45 17,8 41,70 24,37 17,30 31,1 38,3 GC - - SK-7 SPT-2 1,50-1,95 17,0 52,80 24,12 28,70 0,00 69,0 CH - - SK-8 SPT-1 6,00-6,45 17,5 36,20 23,41 12,80 43,5 16,2 GC 15,7 28 SK-9 SPT-3 7,50-7,95 17,0 39,50 23,40 16,10 28,2 22,5 SC - - SK-10 SPT-1 9,00-9,45 17,6 38,60 22,95 15,60 41,6 21,1 GC 16,7 28 ( o ) 12

4 3.2.Kaya Kütle Sınıflaması Tünel portal girişi için Bieniawski(1989) tarafından geliştirilen kaya-kütlesi puanlama sınıflamasına (RMR) göre yerinde yapılan ölçüm ve gözlemlerle RMR değeri hesaplanmıştır (Çizelge 2). Buna göre RMR değeri 52, yüzeyde ölçülen süreksizliklere bağlı düzeltilmiş RMR değeri ise 47 olarak hesaplanmıştır. Bu değere göre, tünel girişindeki kaya orta kaya niteliğindedir(çizelge2). Çizelge2. Bağışlı tüneli Çatak Formasyonuna ait (RMR) sınıflaması Parametre Min. Değer/Tanım Puan 1 Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı (MPa) Kaya Kalite Göstergesi RQD (%) Süreksizlik Aralığı (mm) mm 8 4 Süreksizliklerin Durumu Devamlılık (m) m 1 Açıklık (mm) mm 4 Pürüzlülük Pürüzlü 5 Dolgu Sert Dolgu < 5 mm 4 Bozunma Orta derecede bozunmuş 3 5 Yeraltı Suyu Yok 15 Temel RMR 52 Süreksizlik durumu için değer düzeltme -5 Nihai RMR 47 Yapılan Q sınıflaması (Barton vd.,1974) sonucuna göre birimin Q değeri olarak hesaplanmıştır (Çizelge 3). Bu şekliyle Çatak Formasyonu içindeki kayaçların Q ve Eşdeğer boyuta göre tahkimat kategorisi 27 dir ve bu sınıflamaya göre çok zayıf kayaç özelliğindedir. Litoloji Bazalt, andezitik lav ve piroklastlar Çizelge 3. Bağışlı tüneli Çatak Formasyonuna ait Q sınıflaması Kaya Kalite Göstergesi (RQD) Eklem takım sayısı (J n ) Çatlak pürüzlülük durumu (J r ) Çatlak ayrışma durumu (J a ) Çatlak suyu durumu (J w ) Gerilme azaltım faktörü (SRF) Q 3.3.Jeoteknik Değerlendirme İnceleme alanındaki yamaç molozunda iyileştirme çalışmaları öncesinde ve sonrasında presiyometre deneyleri yapılmıştır. Presiyometre çalışmalarında, deformasyon modülü E p(ort) =0.0186GPa olarak ölçülmüş olup Briaud(1992) tarafından önerilen görgül ilişkiden birimin elastisite modülü E = GPa olarak hesaplanmış ve nümerik analizlerde kullanılmıştır. Kaya kütlesinin yerinde dayanım parametrelerinin belirlenmesinde GSI (Hoek,1999) değerleri kullanılmıştır. GSI değerinin bulunması için Sönmez ve Ulusay(2002) masif kaya grubunu ekledikleri kantitatif GSI abağından yararlanılmış ve bu amaçla SR ve SCR değerleri sırasıyla 12, ve 34 olarak hesaplanmıştır. Proje güzergahında jeolojik haritalama ve mühendislik jeolojisi çalışmaları sırasında Bağışlı Tüneli kaya birimleri için ortalama GSI değeri yaklaşık olarak 44 bulunmuştur (Şekil 4). 13

5 Şekil 4. Sönmez ve Ulusay(2002) tarafından önerilen modifiye edilmiş Kantitatif GSI abağı ve incelene kaya kütlesinin bu abaktaki yeri Bazalt ve andezit birimleri için önerilen kaya türüne göre önerilmiş değerlerden kaya malzemesi sabiti m i =25 olarak belirlenmiştir. Laboratuvar deney sonuçları ve GSI değerleri ışığındaanalizlerde kullanılacak kaya kütlesi parametreleri RocLab programı (URL-1) kullanılarak elde edilmiş olup, Şekil 5 deverilmiştir(hoek ve Brown, 1980 a,b).. Şekil 5. İncelenen kaya kütlesinin Hoek-Brown ölçütüne göre çizilmiş yenilme zarfı 14

6 İnceleme alanındaki Çatak Formasyonu na ait birimler andezit ve bazaltlardan oluştuğu için herhangi bir iyileştirme çalışması gerektirmemektedir. Ancak, yamaç molozunda tünel kazı ve destekleme aşamasında kazı ve destekleme sırasında stabilitenin sağlanması için iyileştirme çalışmasına ihtiyaç vardır. Yamaç molozunun Bölüm 3.3 de verilen dayanım parametrelerine yönelik değerlendirmelerin yapılması sonrasında,tünel stabilite analizleri tüneldeki beklenen deformasyonların analiz edilebilmesi ve yapısal elemanların üzerindeki yüklerin değerlendirilebilmesi Phase 2 yazılımı ( yapılmıştır. Analizler Bölüm 3.3 de verilen malzeme parametreleri kullanılarak yapılmıştır. Analizler neticesinde yamaç molozu içerisinde kalan kesim için tünelde çok yüksek düzeyde yer değiştirmelerin gerçekleşeceği ardından tünelde göçük olacağı sonucuna varılmıştır.yapılan analizlerde üst yarı kazı ve desteklemesinin ardından, yer değiştirmeler yaklaşık 47 cm düzeyine çıkmaktadır. Bu aşamada püskürtme beton,oluşan gerilmelerin altında yenilmeye başlamaktadır. Alt yarı kazısıyla birlikte sistem yenilmekte ve denge koşulu sağlanamamaktadır. Bu aşamada tünelde göçük oluşmaktadır (Şekil 6). Model bulgularından yamaç molozunda iyileştirme çalışmalarının yapılmasına karar verilmiştir(emre Özcan Müh. Müş. Ltd. Şti.,2014). Şekil 6. Alt yarı kazısı ile birlikte gelişen yenilme mekanizması 4. ZEMİN İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI Bağışlı Tüneli nin yamaç molozunda açılacak kesiminde planlanan enjeksiyon önlemlerinde dayanımın arttırılması ve kemerlenmenin oluşturulması hedeflenmiştir. Burada, zemindeki boşlukları %100 doldurmaya gerek görülmemiş olup, yer yer iyileştirilmemiş kesimlerin kalmasına suyun drenajı için izin verilmiştir.enjeksiyon çalışmasında konsolidasyon enjeksiyonu yöntemi seçilmiş olup, enjeksiyon kademe boyları 1m, kuyuların merkezden merkeze uzaklığı ise 1.5 m olarak belirlenmiştir(şekil 7). Şekil 7. Enjeksiyon tip yerleşimi(merkezden merkeze uzaklık 1.5 m) 15

7 Her kademede ortalama 720 kg enjeksiyon( kg arasında), ve 400 kg/m katı madde basılmıştır. Enjeksiyon çalışmalarında zeminde hidrolik çatlatma oluşmaması için,enjeksiyon düşük basınçta ve düşük akış hızında uygulanmıştır. Karışımlarda bentonit ve sodyum silikat kullanılmamıştır. ve çimento/su oranı = 1 / 3 ile 7 / 5 arasında uygulanmıştır. Enjeksiyon uygulaması tünel üst kotunun 8.0 m üstünden itibaren başlamakta olup, kazı kesiti içerisinde enjeksiyon uygulanmamıştır. Enjeksiyon imalatı tünelin alt kotundan itibaren 6.0 m derinliğe kadar devam ettirilmiştir (Şekil 8). Şekil 8. Enjeksiyon yerleşimi İyileştirme önlemleri sonrasında yapılan presiyometre ölçümlerinde ise E p(ort) =0.0379GPa olarak ölçülmüş olup, birimin elastisite modülü E = GPaolarak hesaplanmıştır. (Bu değerler enjeksiyon öncesi değerlere göre %100oranında yüksek olup, alınan enjeksiyon önlemlerinin başarılı olduğunu kanıtlamaktadır. Enjeksiyon başarısını kontrol etmek ve yamaç molozun datünelin açılabilirliğini tartışmak amacıyla, iyileştirme sonrası elde edilen zemin parametreleri kullanılarak nümerik analizler tekrarlanmıştır. Modelleme sonucunda tünel çevresinde oluşacak yer değiştirmelerin azaldığı görülmüş olup, herhangi bir duraysızlık da beklenmemektedir (Şekil 9). Şekil 9. Alt yarı kazısı ile birlikte gelişen yenilme mekanizması-iyileştirme sonrası 16

8 Yapılan değerlendirmeler ve analizler ışığında tünelin tamamında uygulanacak kazı destek sistemi (NATM) B3 olarak belirlenmiştir(kgm, 2013). Bulon boyları yan duvarlarda 4 m, omuzlarda 6 m olarak belirlenmiştir. Kesitte bulonlar arası 1.0 m, ilerlemede 1.5 m dir. Püskürtme Betonu (C20/25)20 cm olup, hasır çelik (Q221x221) çift sıradır. Enjeksiyonlu süren uygulaması üst 120 de cm ara ile 4 m uzunluğundadır. Çelik iksa I ,5 m arayla yerleştirilecek olup, halka boyu üst yarıda 1.5 m, alt yarıda 3 m dir. 5. SONUÇLAR Tünel portal kesiminde 10 adet araştırma sondajı açılmış, litolojik birimlerin yanal ve düşey değişimleri belirlenmiş, yerinde ve laboratuvar deneyleri ile kaya ve zeminlerin mühendislik özellikleri belirlenmiştir. Araştırma bulguları ışığında çıkış portalinde 209 m uzunluğundaki kesimde zemin iyileştirilmesi yönteminin açık kazı ve destek uygulamasından daha ekonomik ve teknik olarak uygulanabilir olduğuna karar verilmiştir. Zeminin iyileştirilmesi amacıyla konsolidasyon enjeksiyonu projesi hazırlanmıştır. Bu projeye göre; her kesitte adet enjeksiyon kuyusu 1,5x1,5 dizilimle açılmıştır. Birbirini takip eden kesitlerde şaşırtmalı olarak açılan kuyularda enjeksiyon karışım oranı, sondajdaki refü basıncına göre 1/3-7/5 arasında değişmektedir.enjeksiyon uygulaması tünel kazısı öncesinde tabii zeminden aşağıya, tünel kotuna doğru yapılmıştır. Enjeksiyon sınırı ise tünel kesiti içerisinde tavanda minimum 8 m, omuzlarda 10 m ve yan aynalarda 6 m arasında olmak üzere projelendirilmiştir. Konsolidasyon enjeksiyonu sonrasında zeminde yapılan presiyometre deneyleri sonucunda zeminin % 100oranında iyileştirildiği belirlenmiştir. Böylece enjeksiyonla iyileştirilmiş zeminin açılacak olan tünel cidarında bir kabuk oluşturması sağlanmıştır. İyileşmiş zemin parametreleriyle yapılan nümerik analizler sonucunda bir duraysızlık beklenmeyeceği sonucuna ulaşılmıştır. Tünelde kazı destek sistemi B3 olarak belirlenmiş olup, yamaç molozu içerisindeki kesimler enjeksiyon ile iyileştirilecektir. Enjeksiyonla iyileştirme sonrası elde edilen sonuçlar ışığında tünelin güvenle teşkil edilebileceği sonucuna ulaşılmıştır. 6. KAYNAKLAR Barton, N.,LienR., Lunde. J.,1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, 6, Bieniawski, Z.T Engineering Rock Mass Classifications. John Wiley and Sons,New York. Briaud, J.L The Pressuremeter. Balkema, Rotterdam. Emre Özcan Müh. Müş. Ltd. Şti Trabzon-Gümüşhane bölünmüş devlet yolu projesi bağışlı tüneli kesin proje hesap raporu. Hoek, E., Brown, E.T. 1980b. Empirical strength criterion for rock masses. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 106(GT9), Hoek, E.,Brown, E.T. 1980a. Underground Excavations in Rock. Inst. Min. Metall.,London. Hoek, E Support for very weak rock associated with faults and shearzones.distinguished Lecture for the Opening of the International Symposium on Rock Support and Reinforcement Practice in Mining, Kalgoorlie, Australia. KGM, Karayolları Teknik Şartnamesi, Karayolları Genel Müdürlüğü,Ankara. Sönmez, H.,Ulusay, R., A Discussionon the Hoek-Brown failure criterion and suggested modifications to the criterion verified by slope stability case studies. Hacettepe Üniversitesi Yerbilimleri Dergisi, 26, URL-1,