MÜHJEO 2015: Ulusal Mühendislik Jeolojisi Sempozyumu, 3-5 Eylül 2015, KTÜ, Trabzon

Transkript

1 Tünellerdeki (Zigana ve Torul) Beton Kalitesinin ve Bozulmaların Yer Radarı Yöntemi ile Görüntülenmesi Imaging of the Deteriorations and Contrete Quality of the Tunnels (Zigana and Torul) with Ground Penetrating Radar I. Sarıçiçek 1,*, A. Şeren 1 1 Karadeniz Teknik Üniv. Jeofizik Müh , Trabzon, Türkiye (*isil.mataraci61@windowslive.com) ÖZ: Yüksek çözünürlüklü görüntü veren ve araştırılan yüzeye herhangi bir hasar vermeyen Yer Radarı (GPR) yöntemi, yakın yüzey sığ araştırmalarda önemli bir yer tutmaktadır. Bu çalışmada; su sızdırma riskli alanların varlığını ve yapı içeriğini Yer Radarı yöntemi ile araştırmak için, Trabzon- Gümüşhane karayolu üzerinde bulunan Zigana tünel duvarlarının kırık-çatlak varlığı, stratigrafi ve bozulmaların ve ayrıca Zigana tüneline ek olarak yeni inşa edilen Torul tünelinin beton yapısının incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmalar sırasında, 500 ve 800 MHz lik korumalı antenler kullanılarak, tünel giriş kısımlarının her iki duvarı boyunca 15 profilde veri toplanmıştır. Toplanan verilere gerekli veri işlem adımları uygulandıktan sonra araştırılan ortamların iki boyutlu (2B) profil kesitleri (radargramlar) ve üç boyutlu (3B) derinlik düzlemleri elde edilmiştir. Değerlendirmeler sonucu tünel duvarlarının 1.5 m lik içi yapısındaki kırık-çatlak durumu, bozulmalar ve su sızdırma riskli alanlar belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Yer Radarı Yöntemi, Zigana ve Torul Tünelleri, Beton Kalitesi ABSTRACT: Ground Penetrating Radar (GPR) that gives high resolution image and doesn t damage to investigated surface, holds an important place at near surface shallow researches. In this study; it is aim to investigate the fracture-crack system, the stratigraphy and the deterioration of the walls of Zigana tunnel which is located at the way Trabzon-Gümüşhane in order to research the existence of risk area leaking water out and structure contents and furthermore, in addition Zigana tunnel, the concrete quality of the Torul tunnel which has built recently. During examinations, GPR data were collected along totally 15 profiles at the entrance of the both sides of tunnels by using 500 and 800 MHz shielded antennas. After applying data processing stage to the collected data, 2D radargrams and 3D images of investigated area were acquired. At evaluation result, fracture-crack condition, deterioration and leaking water areas at the 1.5m internal structure of tunnel walls from these images have identified. Keywords: Ground Penetrating Radar, Zigana and Torul Tunnels, Concrete Quality 1. GİRİŞ 1863 lü yıllarda yapılmaya başlayan tüneller; karayolları, su kanalları ve demir yollarının önemli bir parçasını oluşturmaktadır. Karayolu, metro gibi ulaşım hatlarında topoğrafik yapının düzgün olmadığı yerlerde ulaşım genellikle tüneller aracılığıyla sağlanmaktadır. Ülkemizde Doğu Karadeniz Bölgesi dağlık bir topoğrafyaya sahip olduğundan yol yapımında tünellere sıklıkla rastlanmaktadır. Tünellerde zamana bağlı olarak deformasyonlar meydana gelmektedir. Karayollarında ulaşımı kolaylaştıran tünellerde görülen bozuklukları incelerken tünelin bulunduğu hattın jeolojik yapısı, tünel yapımı sırasında kullanılan betonun kalitesi, betonda bulunan kırıklı-çatlaklı yapılar, beton içerisinde su sızıntısı sebebiyle oluşmuş boşluklar dikkat edilmesi gereken önemli unsurlardır. Ayrıca tünellerde genelde yaşlanma, donma-çözülme, karbonatlaşma ve kusurlu inşaat gibi birçok etken yıkıcı hasarlara neden olmaktadır(locatelli vd.,2001; Carderelli vd.,2003; Xie., 2004). 3

2 Tünellerde meydana gelen problemleri incelemek için sığ zemin koşullarını yüksek çözünürlülükte görüntüleyebilen tahribatsız Yer Radarı (GPR) yöntemi, tünel birimlerinin ve kalitesinin kontrol edilmesinde kullanılan başarılı bir yöntemdir (Sezer, 2010). Bu yöntem, tünel iyileştirme çalışmalarında, hasarların belirlenmesine ve çözümüne yönelik çalışmalarda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada; dağlık bir topoğrafyaya sahip olan Doğu Karadeniz Bölgesi ndeki Trabzon-Gümüşhane karayolunda ulaşımı sağlayan Zigana ve Torul tünellerinin duvar beton kalitesi, kırık-çatlak durumu, su sızdırma riskli alanları Yer Radarı yöntemi ile incelenmiştir. Ayrıca yeni kullanıma açılmış olan Torul tünelinin duvar beton yapısının aynı yöntemle incelenmesi de amaçlanmıştır. İncelemeler sırasında, Mala GPR ProEx sistem ile 500 ve 800 MHz lik korumalı antenler kullanılarak, tünel giriş kısımlarının her iki duvarı boyunca 15 profilde veri toplanmıştır. Toplanan verilere gerekli temel veri işlem adımları uygulandıktan sonra elde edilen işlenmiş iki-boyutlu (2B) radargramlar ve bunların ard arda sıralanmasıyla elde edilen 3B derinlik düzlemleri elde edilmiştir. Bu görüntülerden incelenen tünellerin duvar iç yapısı 1.5 m ye kadar görüntülenmiştir. Bu görüntülerde gözlenen yüksek genlikli yansımaların beton içerisindeki farklılıklara (beton bağlantı yerleri, kırık-çatlak, bozulma, su sızıntısı olan alanlar vb) karşılık geldiği şeklinde yorumlanmıştır. 2. AMAÇ VE KAPSAM Su sızdırma riskli alanların varlığı ve yapı durumunu değerlendirmek için, Trabzon - Gümüşhane karayolu üzerinde Trabzon dan 58 km mesafedeki Zigana tünel duvarlarının kırık-çatlak durumu, stratigrafi ve bozulmaların ve ayrıca yeni inşa edilen Torul tünelinin beton kalitesinin Yer Radarı yöntemi ile görüntülenmesi bu çalışmanın amacını oluşturmaktadır. Zigana ve Torul tünelinin her iki girişinden alınan ölçümlerde 500 ve 800 MHz korumalı antenler kullanılarak, 30 cm profil aralıkları ile 15 profilde farklı uzaklıklarda yer radarı verileri toplanmıştır. Bu veriler ReflexW programı ile değerlendirilmiş olup Easy3D programı ile üç boyutlu görüntüler elde edilmiştir. 3. MALZEME VE YÖNTEM Yer Radarı (GPR), araştırılan yüzeyin sığ derinliklerini yüksek çözünürlükte görüntüleyen elektromanyetik bir jeofizik yöntemdir. Bu yöntemde, bir kaynak tarafından araştırılan ortama gönderilen ve zaman içinde değişen yüksek frekanslı elektromanyetik alanlar kullanılarak incelemeler yapılmaktadır (Şekil 1). Değişken zamanlı elektromanyetik alanlar, elektrik ve manyetik alanların bileşiminden oluşmaktadır. Bu iki alan, yeraltında bulunan malzemelerin etkisi altında değişmekte ve yeraltındaki yapıların elektriksel özelliklerinin değişiminin gözlenmesine izin vermektedir (Daniels,1996; Annan, 2003). Şekil 1. (a)yer radarı yönteminin genel çalışma sistemi, (b) radargram (Grégoire vd., 2003). 4

3 Çalışma sahası Türkiye nin kuzeydoğusunda yer alan (Şekil 2a) Zigana Dağı nı karayolu ile geçmek için 1977 yılında trafiğe açılmış olan Trabzon-Gümüşhane karayolu üzerindeki Zigana tünelidir (Şekil 2 b). Diğeri çalışma sahası ise, Torul tünelidir (Şekil 2 c). K Şekil 2. (a) Çalışma alanının yer bulduru haritası, (b) Zigana tünelinin yeri, (c) Torul tünelinin yeri Şekil MHz antenle (a) Zigana ve (b) Torul tünellerinin duvarlarından toplanan verilerin ilk 1.5 m derinliğe ait detaylandırılmış görünümleri 5

4 Zigana tünelindeki en önemli sorun olan kırık-çatlak durumunu değerlendirmek amacıyla veri alınmıştır. Torul tünelinde ise, beton yapısı değerlendirilmiştir. Zigana tünelinin duvarından 1.5 m derinliğe kadar olan kısmın radargram üzerindeki görünümünden beton yapısının oldukça bozuk ve sıklıkla kırık-çatlaklar içerdiği gözlenmektedir (Şekil 3a). Yeni kullanıma açılmış olan Torul tünelinin duvarından 800 MHz antenle elde edilmiş radar kesitinde ise, beton bağlantı noktaları ve donatıların dışında yüksek genlikli bozucu yansımaların olmayışı betonun sağlam olduğunu göstermektedir (Şekil 3b). Ayrıca her iki kesitte tünel duvarı ile oyuldukları ana kaya sınırları belirgin bir şekilde ayırt edilmektedir (Şekil 3). Zigana tüneli Gümüşhane girişinde su sızıntıları ve kırıklı-çatlaklı yapının genel bir görünümü Şekil 4 te görülmektedir. Şekil 4. Zigana tüneli Gümüşhane girişinde su sızıntıları ve kırıklı-çatlaklı yapının genel görünümü Çalışma alanlarında birbirine paralel yönlerde seçilmiş profillerde toplanan yer radarı verilerinde gözlenen anomalilerin yanal ve düşey yöndeki değişimlerinin izlenebilmesi için 3B lu görüntüler ve genlik-dilim haritaları; Easy3D (Mala GeoScience) (URL-1) programı ile oluşturulmuştur. İncelenen tünellerin yan duvarlarında seçilen 3 farklı alanda toplam 15 profilde ölçümler alınmıştır (Şekil 4 ve 8) ve her bir alanda 5 tane paralel profil seçilerek aralıkları 30 cm olacak şekilde GPR verileri toplanmıştır. Şekil 5. Zigana tüneli Gümüşhane girişinde 500 MHz ile alınan GPR verilerinin m deki (a) 0.4, (b) 0.8 ve (c) 1.2 m lerdeki GPR derinlik düzlemleri ve genlik değişimi 6

5 Zigana tüneli Gümüşhane girişinden 500 MHz ile elde edilen genlik-dilim haritaları incelendiğinde iki önemli kırık, Şekil 5a da 0.4 m derinliğinde yaklaşık 2 m ve 6 m de görülmektedir. Şekildeki diğer genlik-dilim haritaları birçok kırık ve bozulmuş kısımları içermektedir. Şekil 6. Torul tüneli Gümüşhane girişinde 800 MHz ile alınan GPR verilerinin 0-7.1m deki (a) 0.2, (b) 0.4 ve (c) 0.6 m lerdeki GPR derinlik düzlemleri ve genlik değişimi Torul tüneli Gümüşhane girişinden 800 MHz ile elde edilen genlik-dilim haritasında yaklaşık 3.2 m uzaklığındaki bağlantı noktası, farklı derinliklere ait genlik-dilim haritalarında yüksek genlikli yansıma vermiştir (Şekil 6) ve ayrıca birbirine bitişik küçük hiperbolik yansımalardan kaynaklanan yüksek genlikli anomaliler de net bir şekilde görülmektedir (Şekil 6 b-c). Bu anomaliler demir örüntüleri temsil etmektedir. Şekil 7. Torul tüneli Trabzon girişinde 500 MHz ile alınan GPR verilerinin 9-16 m deki (a) 0.2, (b) 0.4 ve (c) 0.6 m lerdeki GPR derinlik düzlemleri ve genlik değişimi 7

6 Şekil 6 da 3.2 m de ve şekil 8 de 15.7 m de betonların bağlantı noktaları olan dar boşluklar açıkça gözlenmiştir. 4. SONUÇLAR Şekil 8. Torul tünelinin beton bloklarının bağlantı noktaları Bu çalışmada; Trabzon-Gümüşhane karayolu üzerinde bulunan Zigana tüneli ve Gümüşhane ili Torul ilçesinde yeni inşa edilmiş olan Torul tünelinde yer radarı yöntemi ile alınan veriler kullanılarak beton yapısı, kırık-çatlak sistemleri ve çeşitli bozulmalar değerlendirilmeye çalışılmıştır. Genel jeolojik gözlemlerden elde edilen sonuçlardan; tünel içerisindeki tünel kaplama malzemelerinde kırık ve çatlaklar oluştuğu ve bu kırık-çatlaklardan sızıntı sularının geldiği, kırık-çatlaklardan sızan suların büyük çoğunluğunun tünel kenar duvarlarından geldiği, tünel duvarlarından sızan suların tek bir kısımdan değil, farklı noktalarda tünel içerisine sızdığı gözlenmiştir. Yorum aşamasında eski tünellerde en önemli sorunlar olan tünel içine su akışı, su akışına bağlı kaplamada hasarlar, kaplama ile arkasındaki zemin arasında oluşan boşluklar, çevre zeminde zamanla bozuşmuş gevşemiş zeminlerin oluşması, kaplamaya kapasitesinin üzerinde yük gelmeye başlaması nedenleriyle oluşan bozulmaların radargramlar üzerindeki görünümleri izlenmeye çalışılmaktadır. Tünel içinde tünel yan duvarlarından toplanan yer radarı verilerine ait kesitler genel olarak değerlendirildiğinde; ilk çalışma alanı olan Zigana tünelinde kesitlerin bazı uzaklıklarında su sızıntısından kaynaklanan elektromanyetik dalganın sönümlendiği yerler, ve kırıklı-çatlaklı ve bozunmuş yapıların yüksek genlikli anomaliler verdiği kısımlar gözlenmiştir. İkinci çalışma alanı olarak değerlendirilen Torul tünelinde ise, 0-3 m uzaklıklar arasındaki yüksek genlikli, küçük ve birbirine bitişik hiperbolik yansımaların tünel girişlerinin ana kaya ile tünel ağzı arasındaki boşluklu kısma döşenmiş beton donatı demirlerinden kaynaklandığı düşünülmüştür. Ayrıca ölçüm alım sırasında tünel bağlantı noktalarının üzerinden geçildiği yerler (Şekil 8) radargramlarda gözlenmiştir. Zigana tünel duvarından 1.5 m derinliğe kadar olan kısmın radargram üzerindeki görünümünden beton kalitesinin oldukça bozunmuş ve kırık-çatlakların yoğun olduğu gözlenmektedir. Her iki tünel için elde edilen 3B görünümlerden seçilen genlik-dilim haritaları tünel duvarlarında gözlenen bozulmaların derinliğe bağlı olarak yanal yönde değişimlerini ortaya koymuştur. Bu haritalarda gösterilen genlik değerlerindeki siyah ve beyaz olan görünümler mutlak değer olarak yüksek genlikli kısımları ifade etmekte olup farklı fiziksel ortamları belirtmektedir. 8

7 5. KAYNAKLAR Annan A.P., Ground Penetrating Radar workshop notes. Sensors Software Inc., Mississaugo, Ontario, Canada. Carderelli E., Marrone C., Orlando L., Evaluation of tunnel stability using ıntegrated geophysical methods. Journal of Applied Geophysics, 52, Daniels D.J., 1996 Surface Penetrating Radar, Radar, navigation and avionic series 6. Institute of Electrical Engineers, London, UK. Grégoire C., Halleux L., Vervoort A., Application of Ground Penetrating Radar in a mining environment. Mining and Mineral Processing, Sofia, Locatelli L., Marco Di G., Zonichelli C., Jarre P Rehabilitation of Highway tunnels techniques and procedures. A.I.T.E.S.-ITA 2001 World Tunnel Congress. Progress in Tunneling After Milano. Saricicek I Tünellerdeki (Zigana, Torul) beton kalitesi ve bozulmaların yer radarı yöntemi ile görüntülenmesi. Yüksek Lisans Tezi, KTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon. Sezer, H., Yer radarı yöntemi ile Zonguldak demiryolu tünelinin duraylılığının ve çevresel etkilerinin araştırılması. Xie X., Liu Y., Huang H., Shao, J., Research of GPR non-damaged test of grouting behind lining of shield tunnel. URL-1 9