Taksim-Kabataş Tüneli ve Duraylılığı Üzerine Bir Değerlendirme

Transkript

1 Taksim-Kabataş Tüneli ve Duraylılığı Üzerine Bir Değerlendirme Taksim-Kabataş Tunnel and an Evaluation of its Stability Ö. Aydan 1 ve M. Geniş 2 1 Tokai Üniversitesi Deniz-İnşaat Mühendisliği Bölümü, Shizuoka, Japonya 2 Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü, Zonguldak ÖZ: Bu çalışmada, Taksim Kabataş arasında açılan füniküler sistemin tünel kazısı sırasında yapılan arazi ölçümleri hakkında bilgiler verilmektedir. Öncelikle tünelin kazı sahasının jeolojisi verilmiş ve kaya kütlesi değerlendirmesi yapılmıştır. Tünelde yapılan yerinde gözlemler tanıtıldıktan sonra tünel çevresinde oluşması beklenen gerilme ve yerdeğiştirme miktarları tartışılmış ve yerinde gözlemleri ile karşılaştırılmıştır. Sayısal gerilme çözümlemeleri ve arazi ölçümleri ile tünel çevresinde elde edilen yerdeğiştirme miktarlarının uyumlu olduğu anlaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Tünel, Deformasyon, Birincil Gerilme, Fay ABSTRACT: In this study, the results of field measurements, which are made during excavation of funicular system between Taksim and Kabataş are given. Firstly, the geological conditions around tunnel and the evaluation of rock mass are presented. After a brief introduction of field observations on tunnel, expected stress and displacement of tunnel is discussed and compared with field measurements. It is understood that the displacement field around tunnel estimated by numerical analyses are in good agreement with field measurements. Keywords: Tunnel, Deformation, In situ Stress, Fault 1. GİRİŞ Taksim ve Kabataş arasında, Kabataş sahili ve iskelesi ile Taksim Meydanı ve metro istasyonu arasında Kadıköy-Tarlabaşı arasındaki 133 yıl önce açılan tarihi tünele benzer şekilde yeni bir tünel açılmıştır. Tünelin yapım şekli delme tünel olup istasyon kısımları aç-kapa yöntemi ile inşa edilmiştir. Delme tünelin toplam uzunluğu 546 m olup, maksimum eğimi % dur. İki istasyon arasındaki yükselti farkı ise m dir. Tünel tek hatlı olup tünelin ortasında 200 m lik bölüm karşılıklı gelen trenlerin geçişini sağlamak üzere çift hatlı olarak inşa edilmiştir. Örtü tabakası kalınlığı 5 ile 40 m arasında değişmektedir (Şekil 1). Tüneli şekli at nalı şeklinde olup tek hatlı tünelin kazı yüksekliği 5.9 m ve kazı genişliği ise 6.1 m dolaylarındadır. Tüneli inşa eden Yapı Merkezi firmasının sorumlu mühendisi Ali Yüksel eşliğinde Tünelin Kabataş kısmı ziyaret edilmiştir. Bu ziyaret sırasında tünel içinde sıcaklık, nem, hava hızı, ph ölçümleri, kaya iğne deneyleri, fay düzlemleri ve kayma açıları ölçümleri yapılmıştır. Ölçüm sonuçları burada sunulmuş ve bazı mühendislik değerlendirmeleri yapılmıştır. Şekil 1. Tünelin güzergahı ve kesiti (Yapı Merkezi). 179

2 2. JEOLOJİ Tünelin kazıldığı formasyon Trakya formasyonu olup, kumtaşı, siltaşı, kiltaşından oluşmaktadır. Tünel girişlerine yakın kısımlarda ise Kuvaterner tortullar ile dolgu malzemesi gözlenmektedir. Geçilen kaya kütlesi tabakalı olup tabakalar GD a yaklaşık eğimlidir. Tünel ekseni hemen hemen tabakalanmaya diktir. Tabakalar Boğazın oluşmasını etkileyen tektonizma sonucu faylı ve kırıklı bir yapıya sahiptir. Eklem aralıkları 5-30 cm arasında değişmektedir (Şekil 2). Kabataş tünel giriş ağzına yakın sık aralıklı verev normal faylar görülmüştür. Gözlenen faylar tabakalanmaya paralel veya tabakaları verev olarak kesmektedir. KD ya da GD ya arasında değişen eğimlere sahiptir (Şekil 3). Tünel ağzındaki topoğrafyayı ve sahil çizgisini etkileyen ve kırık zonu kalınlığı yaklaşık 1-4 m olan verev bir normal fay gözlenmiştir. Tünel ekseninin fay doğrultusuna dik olması nedeni ile tünelde yapısal bir duraylılık problemi beklenmemekle birlikte, normal fay nedeniyle istasyon kazısının kuzey duvarında bazı yapısal duraysızlıklarla karşılaşılması olasıdır. Şekil 2. Kabataş İstasyonu kazısında gözlenen kaya kütlesinin görünümü. Şekil 3. Tünel kazısında gözlenen bazı fayların görünümü. 3. KAYA KÜTLESİ VE DEĞERLENDİRMESİ Kaya kütlesi kırıklı bir yapıya sahip olup sık aralıklarla görülen verev normal faylarla parçalanmıştır. Yapılan sondaj değerlendirilmelerinde RQD (kaya kalite belirteci) değeri %30 un altındadır. Bilindiği üzere, sondajın neden olduğu zedeleme kayanın gerçek RQD değerini azaltmaktadır. İnceleme 180

3 sırasında gözlenen kayanın RQD değeri 0-60 arasında değişmektedir. İlk yazar tarafından yapılan RMR, Q ve GSI kaya sınıflama sistemlerine göre yapılan değerlendirmeler Çizelge 1 de verilmiştir. Kaya kütlesi sınıflama sistemlerinden yararlanarak elde edilen kaya kütlesinin mekanik özellikleri Çizelge 2 de verilmiştir. Hoek un önerisine göre normalleştirilmiş deformasyon modülünün hesaplanmasında, Vardar vd. (1988) nin deney sonuçlarına göre sağlam kayanın tek eksenli basınç dayanımı 50 MPa ve deformasyon modülü 10 GPa alınmıştır. Görüldüğü üzere Hoek tarafından önerilen ilişkiler kullanıldığında kaya kütlesinin dayanımı çok küçük ve deformasyon modülü ise çok yüksek elde edilmektedir. İlk yazar tarafından daha önce de işaret edildiği gibi Hoek un önerisi gerçek yerinde deneylerle sınanmamıştır (Aydan vd. 1998; Aydan ve Kawamoto, 2000, 2001). Bugün yaygınca kullanılan bu yaklaşımın ivedilikle tartışılması gerektiğine burada bir kez daha işaret edilmektedir. Ayrıca kaya kütlesinin dayanımının tahmininde Vardar (1978) tarafından önerilen yaklaşım da kullanılmıştır (Çizelge 2). Çizelge 1. Kaya sınıflama sistemlerine göre kaya kütlesi değerlendirilmesi. Sınıflama sistemi Kaya kütlesi Fay ve kırılma bölgeleri Temel RMR Q Sistemi GSI Sınıflama Sistemi Çizelge 2. Kaya sınıflama sistemlerine göre kaya kütlesinin mekanik özellikleri. Normalleştirilmiş Tek eksenli basınç dayanımı Normalleştirilmiş Deformasyon modülü Kaya Kütlesi Fay zonu Kaya Kütlesi Fay Zonu Aydan & Kawamoto Hoek - RMR Hoek - GSI Vardar TÜNEL KAZI VE DESTEK SİSTEMİ Tünel kazısı hidrolik kırıcı ve kepçeli bir iş makinası ile üst ve alt yarı (basamak) şeklinde yapılmıştır. Alt yarı üst tünel aynasını yaklaşık 5-6 m aralıkla takip etmektedir. Destek (tahkimat) sistemi olarak kaya saplaması, çelik iksa, püskürtme beton nervürlü demir ile takviye edilmiş bir kafes kiriş ve çelik hasır birlikte kullanılmaktadır. Kayacın zayıf olduğu koşullarda, tünel tavanında delikli şemsiye boruları kullanılarak enjeksiyon işlemleri de yapılmıştır. Son beton kaplama ise tünelin kazısı bittikten sonra yapılmıştır. 5. ÖLÇÜMLER VE DEĞERLENDİRMELER Burada tünelde yapılan sıcaklık-nem ölçümleri, hava hızı ölçümleri, kayacın dayanımının tahmin edilebilmesi için yapılan kaya iğnesi deneyleri, yeraltı suyu ph ölçümleri ile ortamdaki birincil gerilmelerin tahmin edilmesinde kullanılan, faylarda yapılan ölçümler hakkında bilgiler sunulmaktadır. Sıcaklık ve nem ölçümleri için ESPEC ve T&D firmaları tarafından üretilmiş sıcaklık-nem ölçerler kullanılmıştır. Ölçerlerden birisi tünelin Kabataş girişine konulmuş ve diğeri ise yazarlar tarafından tünel incelemesi sırasında beraberlerinde götürülmüştür. Ölçüm aralığı 30 saniye seçilerek sıcaklık ve nem ölçümleri yapılmıştır. Ölçüm sonuçları Şekil 4 te gösterilmiştir. Tünel ağzına konulan sıcaklık ile inceleme sırasındaki tünel içi sıcaklığı arasında yaklaşık 4 derece bir farklılık söz konusu olup iç sıcaklık daha yüksektir. Diğer yandan dıştaki nem iç nemden daha yüksek olup aradaki farklılık yaklaşık % 8-10 dolaylarında ölçülmüştür. 181

4 Şekil 4. Tünelin içinde ve dışında sıcaklık ve nem değişimleri Tünelin havalandırılması için üfleyici pervane kullanılmıştır. Temiz hava tünel aynasına doğrudan üflenmekte ve kirli hava ise tünel ağzından çıkış yapmaktadır. Tünel aynasında hava hızı yaklaşık 2.5 m/s olarak ölçülmüştür. Japonya da zayıf kayaların dayanımını tahmin etmek amacı ile kaya iğnesi deney cihazı geliştirilmiştir. Bu cihaz ile tek eksenli dayanımı 20 MPa a kadar olan kayaların değerlendirilmesi mümkündür. İlk yazar tarafından bu cihazın kullanımı Türkiye de ilk defa Kapadokya tüflerine, Babadağ marn ve kumtaşına ve Buldan depreminde gözlenen şev kaymalarının görüldüğü sert zeminlere uygulanmıştır. Tüneli oluşturan sağlam ana kayada elde edilen kaya iğne katsayısı [NPI=yük(N)/batma miktarı (mm)] 100 ün üzerindedir. Kaya iğne deneylerinin arazi uygulaması Şekil 5 te gösterilmiştir. Kaya iğnesi ölçüm sonuçları Çizelge 3 te verilmiştir. Faya yaklaştıkça kayanın iğne batma katsayısı değeri oldukça azaldığı görülmüştür. Aydan tarafından geliştirilen bir ilişkiye göre ölçülen NPI değerlerinden tek eksenli basınç dayanımı değerleri de tahmin edilmiştir (Çizelge 3). Çizelge 3. Kaya iğnesi deney sonuçları. Kaya türü Sağlam Az Orta derecede Killeşmiş kaya kaya zedelenmiş zedelenmiş NPI (N/mm) > Tek eksenli basınç dayanımı (MPa) > Şekil 5. Kaya iğne deneyinin tüneldeki uygulaması. Yeraltı suyu kazı sırasında duraylılık sorunlarına neden olmasının yanında şehirleşmenin olduğu 182

5 yerlerde yüzeyde oturmalara ve destek (tahkimat) sistemlerinin korozyonuna neden olabilmektedir. Tünel aynası civarında oluşan su birikintilerinin ph ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümlerden elde edilen ph değerleri değerleri arasında değişmektedir. Bu değerler oldukça yüksektir. Bu değerler ilk yazarın Japonya da püskürtme betonun uygulandığı tünellerde ölçtüğü değerlere yakındır. Yeraltı suyunun özellikle Taksim girişinden yapılan kazı ile Kabataş tarafından yapılan kazı arasında yaklaşık 65 m olup kot farkı gözönüne alınırsa bu yüksek değerlerin kısmen püskürtme betondan kısmen çevresel kayalardan kaynaklandığı düşünülebilir. Tünelin Kabataş giriş kısmında ve istasyon kazısında çok sayıda verev normal fay gözlenmiştir. Bu faylardan dördünde ölçüm alınmıştır. Bunların ikisi tünel içinde ikiside istasyonun batı duvarında alınmıştır. Tünel içinde gözlenen F1 fayının yüzeylenmesi kısıtlı olduğu için burada değerlendirilmeyecektir. F2 (Tünel içi) F3 ve F4 (istasyon) faylarında alınan fay parametreleri Çizelge 4 te verilmektedir. Fay çiziklerinden Aydan (2000) tarafından geliştirilen yöntem kullanılarak fayı oluşturan gerilme ortamı araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar Şekil 6 ile Çizelge 5 te gösterilmiştir. F2 ve F3 fayları verev normal fay olup en büyük asal gerilmenin düşey gerilmeye yakın olduğuna işaret etmektedir. F4 fayının yanal kayma bileşeni daha büyük olduğu için yanal atımlı faylara benzer bir fay olarak düşünülebilir. Her üç fay için elde edilen en büyük yatay gerilmenin yönü arasında değişmekle birlikte yatay düzlemde etkiyen ana gerilmenin KB-GD olduğu ve bölgede daha önce yapılan ölçüm ve değerlendirmelerle uyum içinde olduğu söylenebilir. Tünel ekseninin hemen hemen doğu-batı yönelimli olduğu düşünülürse yanal birincil gerilmenin düşey birincil gerilmeye oranının yaklaşık 0.5 olacağı düşünülebilir. Çizelge 4. Ölçülen fayların parametreleri. Fay Eğim yönü Eğim Kayma açısı F F F Fay Çizelge 5. Fay çiziklerinden tahmin edilen birincil gerilme durumu. En Büyük Asal Gerilme Ortanca Asal Gerilme En Küçük Asal Gerilme Yatay Gerilmeler σ 1 /σ v d1 p σ 1 2 /σ v d 2 p2 σ 3 /σ v d 3 p3 σ h / σ v σ H / σ v θ F F F TÜNEL CİVARINDA OLUŞAN YENİLME BÖLGESİ VE YERDEĞİŞTİRMELERİN TAHMİNİ Bu bölümde açıklığın çevresinde oluşacak yenilme bölgesi (plastik bölge) ve yerdeğiştirme miktarlarının hesaplanması için analitik ve sayısal gerilme çözümlemeleri kullanılmıştır. Öncelikle, Aydan (Aydan vd. 1993; Aydan ve Dalgıç, 1998, Aydan vd. 2001) tarafından önerilen analitik yöntem kullanılarak tünel yüzeyi deformasyonu ve yenilme bölgesi büyüklüğü hesaplanmıştır. Söz konusu analitik yöntem kullanılarak yalnızca dairesel kesitli açıklık ile birincil eş gerilme durumu (izostatik veya hidrostatik birincil gerilme) incelenebilmektedir. Örtü tabakası yüksekliği 40 m olarak varsayılmış ve kaya kütlesi ile fay bölgesi için hesaplamalar yapılmıştır (Şekil 7). Kaya kütlesi içinde tünel kazısı sırasında yenilme bölgesi oluşumu söz konusu olmayıp çevre kaya kütlesi elastik davranış göstermektedir. Elastik durumda oluşabilecek tünel yerdeğiştirmesi yaklaşık 6.6 mm dir. Diğer yandan fay bölgesi içindeki kazıda ise tünel yerdeğiştirmesi 27 mm olmakta ve tünelin etrafında yaklaşık 60 cm lik bir plastik bölge oluşmaktadır. 183

6 Şekil 6. Fay çiziklerinde elde edilen gerilme ortamı ve faylanma mekanizmaları. 184

7 Şekil 7. Birincil eş gerilme durumda Taksim-Kabataş tünelinin deformasyonu ve yenilme bölgesi. Daha sonra, sonlu elemanlar çözümleme yönteminin kullanıldığı çözümlemelerde kaya kütlesinin elasto-plastik davranış gösterdiği varsayılmıştır. Fay çiziklerinden yatay birincil gerilmenin düşey birincil gerilmeye oranı yaklaşık olarak 0.5 olarak tahmin edilmiştir. Elde edilen birincil gerilmeler oranı, tünel geometrisi, kaya kütlesi ve fay bölgesi dayanım ve deformasyon özellikleri göz önünde bulundurularak tünelde oluşacak deformasyon ve yenilme bölgesi elde edilmiştir. Çözümlemelerde kaya kütlesi ve fay bölgelerindeki kayaca ilişkin özellikler Çizelge 6 da verilmiştir. Elde edilen sonuçlar kaya kütlesi ve fay zonu için sırasıyla Şekil 8 ve 9 da gösterilmiştir. Ortam NORMALISED NORMALLEŞTİRİLMİŞ GROUND ARAZİ PRESSURE BASINCI (P i /P o ) Çizelge 6. Sonlu elemanlar analizinde kullanılan malzeme özellikleri Birim hacim ağırlık (kn/m 3 ) Kaya kutlesi (p i -ε t ) Kohezyon (MPa) Taksim-Kabatas Fay zonu (p i -ε t ) Sürtünme Açısı ( o ) H=40m Fay zonu (ε t -R p /a) AÇIKLIK YÜZEYİ TUNNEL BİRİM WALL STRAIN DEFORMASYONU (%) (%) Deformasyon Modülü (MPa) Poisson Oranı Kaya Fay bölgesi Kaya kütlesi için yapılan sonlu elemanlar çözümlemesi kaya kütlesinin elastik davranış göstermesi gerektiğine işaret etmekte olup, bu sonuç birincil eş gerilme (hidrostatik birincil gerilme) durumu için yapılan çözümlemeler ile aynıdır. Yerdeğiştirme miktarlarının tünel tavanında 26 mm ve tabanda ise 19.8 mm olacağına işaret etmektedir. Diğer yandan fay bölgesi için yapılan çözümlemeler tavan ve tabandaki yerdeğiştirmelerin sırasıyla 76 mm ve 54 mm olacağını göstermiştir. Fay bölgesinde sadece tünelin yan duvarlarında yenilme bölgeleri oluşmakta ve oluşan yenilme bölgesinin genişliği yaklaşık olarak 30 cm olmaktadır. Aykar vd. (2005) tarafından yapılan detaylı çalışmalarda, tünel açıldıktan sonra yapılan deformasyon ölçümlerinde en büyük yerdeğiştirmenin tünel yan duvarında 32 mm olduğu ölçülmüştür. Ölçülen bu değerin, nihai beton kaplamadan önceki tahkimatlı bölümden yapılmış değer olarak göz önünde bulundurulursa, tahkimatsız açıklık ve faylı bölge için yapılan sonlu elemanlar çözümlemesi ile elde edilen en büyük yerdeğiştirme değerleri ile uyumlu olduğu sonucuna varılmıştır NORMALLEŞTİRİLMİŞ NORMALISED WIDTH YENİLME OF PLASTIC BÖLGESİ ZONE GENİŞLİĞİ (R p /a-1) 185

8 Şekil 8. Kaya kütlesindeki kazıda tünel çevresinde oluşan yenilme bölgesi ve yerdeğiştirme durumu. Şekil 9. Fay bölgesindeki kazıda tünelin çevresinde oluşan yenilme bölgesi ve yerdeğiştirme durumu. 7. SONUÇLAR Taksim ve Kabataş arasındaki eğimli tünelin Kabataş kısmında sıcaklık, nem, hava üfleme hızı ve ph ölçümleri, kaya iğne deneyleri, fay düzlemi ve kayma açıları ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümlerin ışığı altında bazı mühendislik değerlendirmeleri yapılmıştır. Yapılan değerlendirmeler gerilme ortamının normal fay ortamına yakın olduğunu ve düşey birincil gerilmenin yatay birincil gerilmeye oranının 0.5 civarında olacağını göstermiştir. Kaya kütlesi sınıflamalarından yararlanılarak çevre kayanın mekanik özellikleri tahmin edilmiştir. Analitik ve sayısal gerilme çözümleme yöntemleri kullanılarak tünelin deformasyon, gerilme ve yenilme bölgesi oluşumları incelenmiştir. Bu incelemeler tünel çevresindeki kaya kütlesinin elastik davranış göstermesi gerektiğini ve fay zonu geçilirken kısmen yenilme bölgesinin oluşacağını göstermiştir. Bunun yanısıra tünelde oluşan deformasyonun fay bölgelerinde büyük olacağı anlaşılmıştır. 186

9 8. KATKI BELİRTME Yazarlar, Taksim-Kabataş Tüneline yaptıkları teknik ziyareti mümkün kılan Yapı Merkezi Şirketi ne ve özellikle Ali Yüksel (Yapı Merkezi) ile Timuçin Özbayır (Yapı Merkezi) a gösterdikleri yakın ilgi ve verdikleri bilgilerden dolayı teşekkür etmeyi bir borç bilirler. 9. KAYNAKLAR Aydan, Ö., An stress inference method based on structural geological features for the full-stress components in the earth crust. Yerbilimleri, Cilt 22, Aydan, Ö. and Dalgıç, S., Prediction of deformation of 3-lanes Bolu tunnels through squeezing rocks of North Anatolian Fault Zone (NAFZ). Reg. Symp. on Sedimentary Rock Engineering, Taipei, Aydan, Ö. and Kawamoto, T., The assessment of mechanical properties of rock masses through RMR rock classification system. GeoEng2000, UW0926, Melbourne. Aydan, Ö. and Kawamoto, T., The stability assessment of a large underground opening at great depth. 17th International Mining Congress and Exhibition of Turkey ICMET, Ankara, Aydan, Ö., Akagi, T. and Kawamoto T., The squeezing potential of rock around tunnels: theory and prediction with examples taken from Japan. Rock Mec. and Rock Eng., 29(3), Aydan, Ö., Geniş, M., Akagi, T. and Kawamoto, T., Assessment of susceptibility of rockbursting in tunnelling in hard rocks. Int. Symp. on Modern Tunnelling Science and Technology, IS-KYOTO 2001, Vol.1, Aydan, Ö., Ulusay, R. and Kawamoto, T., Assessment of rock mass strength for underground excavations. The 36th US Rock Mechanics Symposium, Aydan, T. Akagi and Kawamoto, T., Squeezing potential of rocks around tunnels; theory and prediction. Rock Mechanics and Rock Engineering, 26(2), Aykar, E., Arıoğlu, B., Erdirik, N., Yüksel, A., Özbayır, T., Arıoğlu, E. and Yoldaş, R., Tunnel excavations works in Taksim-Kabataş funicular system project. Underground Space Use: Analysis of the Past and Lessons for the Future (eds. Erdem and Solak), London, Barton, N., Lien, R. and Lunde, I., Engineering classification of rock masses for the design of tunnel supports. Rock Mechanics, 6(4), Bieniawski, Z.T., Engineering rock mass classifications. New York: Wiley. Hoek, E. and Brown, E.T., Underground excavations in rock. Inst. Min. & Metall., London. Vardar, M Zeiteinfluss auf das Bruchverhalten des Gebirges in der Umgebung von Tunneln. Doktorarbeit, Veröff. des Inst. Boden und Felsmechanik Uni. Karlsruhe, Heft 72. Vardar, M., Eriş, İ. and Yılmazoğlu, M Evaluation of the Taksim-Levent route of the İstanbul subway as an underground structure, Internal report. 187