Yamaç Tüneli Portal Tasarımı: Kürtün Tüneli Örneği, GümüĢhane Portal Design of Slope Tunnel: Example of Kürtün Tunnel, Gümüşhane

Transkript

1 Yamaç Tüneli Portal Tasarımı: Kürtün Tüneli Örneği, GümüĢhane Portal Design of Slope Tunnel: Example of Kürtün Tunnel, Gümüşhane N. Kılıç 1,*, A. Sayın 1, A. ġirin 2 1 Karayolları 10.Bölge Müdürlüğü, Ar-Ge Başmühendisliği, 61310, Yıldızlı, Trabzon 2 Karayolları Genel Müdürlüğü, Ar-Ge Daire Başkanlığı, 06790, Etimesgut, Ankara (*nesejeo@gmail.com) ÖZ: Doğrultusu yamaca paralel olan yamaç tünellerinin portali özel tasarım gerektirir. Bu özelliklere sahip Kürtün Tüneli, Kuzeydoğu Türkiye de Trabzon-Gümüşhane Devlet Yolu üzerinde yer almaktadır. Tünelin tasarımına yönelik olarak açılmış olan araştırma sondajlarında basınçlı su testleri ve presiyometre deneyleri yapılmıştır. Bu sondajların korelasyonu sonucunda tünel portalinin yatayda sol tüpte 120 m si, sağ tüpte ise 98 m sinin tamamen yamaç molozu içerisinde açılacağı belirlenmiştir. Sondaj verileri ışığında, portaldeki olumsuz zemin koşullarının bulunduğu bölgede enjeksiyon yöntemi ile zemin iyileştirmesi yapılmasının açık kazı ve destek uygulamasından daha ekonomik ve uygulanabilir olduğuna karar verilmiştir. Yamaç tünelinde yükler, tünelin dağ tarafındaki şevine toplanmıştır. Bu yüklerin tünel çeperlerinde dağılımını ve sönümlenmesini sağlamak amacıyla kademeler halinde yamaç destek betonu tasarlanmıştır. Böylelikle tünel portal kesimlerinin maruz kalmış olduğu yük tünel çeperine dağıtılmış, deformasyon ve göçük riski en alt düzeye indirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kürtün Tüneli, Portal, Yamaç Tüneli, Enjeksiyon, Destek Betonu ABSTRACT: Direction that is parallel to the slope of the hillside tunnel portals require special design. The Kürtün tunnel is located on Trabzon Gümüşhane Road at North East Black Sea Region in Turkey. For the design of the tunnel; opened exploratory drilling in water pressure tests and pressuremeter tests were performed. Interpretation of these borehole results illustrate that the 120 m length in left tube and 98 m in right tube are located in slope debris material. 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. Ground stress is usually concentrated at toe of the mountain slope side where the tunnel is located parallel to natural slope. In order to distribute the loads at tunnel circumstances and damping it properly, portal slope was designed by concrete support by stages. By doing this, slopping tunnel portal was supported and risk of collapse was minimized before entering the bored tunnel section. Keywords: Kürtün Tunnel, Portal, Slope Tunnel, Injection, Support Concrete 1. GĠRĠġ Doğrultusu yamaca paralel olan karayolu ve otoyol tünellerinin portalleri, özellikle heyelanlı veya litolojik olarak şev duraylılığı sorunu olan birimlerden (yamaç molozu, alüvyon, killi-siltli zeminler vb.) oluştuğunda ve örtü kalınlığının az olduğu durumlarda, genel olarak tünel proje tasarımının ve inşasının en güç gerçekleştirildiği kesimler olarak ortaya çıkarlar. Kürtün Tüneli nin tasarımından önceki yol güzergahı 70 m yarıçaplı kurp içermektedir. Trabzon-Gümüşhane yol güzergahının baraj gölü kıyısında oldukça sarp bir arazide yer alması, yolun geometrik standardının düşük olması ve buna bağlı olarak trafik kazalarının sıklıkla meydana gelmesi bu tünelin yapımını gerekli kılmıştır (Şekil 1). Kürtün Tüneli, Kuzeydoğu Türkiye de Trabzon-Gümüşhane Devlet Yolu üzerinde iki tüplü olarak projelendirilmiştir. Sağ tüp 650 m, sol tüp 850 m olarak projelendirilen tüneller, 5.00 x 8.00 m lik gabariye sahiptir. Tünellerde iç kaplama iç yüzeyine göre tünel yarıçapı 530 cm, kazı hattına göre yaklaşık yarıçapı 620 cm dir. 18

2 Şekil 1. Tünel güzergahını ve sondaj noktalarını gösteren plan Portalde destek betonu uygulaması, Türkiye de ilk kez Doğu Karadeniz Sahil Yolu nun yapımında Çayeli Tüneli nde uygulanmıştır (Vardar vd.,2005). Benzer özelliklere sahip Kürtün Tüneli nin de doğrultusu yamacı verev kestiği için, tünel giriş geometrisi verev girişi gerektirmektedir. Ayrıca tünelin portal kesimi duraylılık sorunu oluşturabilecek bloklu, andezit kökenli kil ve çakıl boyutunda malzeme içeren yamaç molozu biriminden oluştuğu için yamaç tüneli tasarlanmıştır (Şekil 2). Bu çalışmada, tünel giriş portali için yapılan analizler ile kazı ve destekleme aşamaları irdelenmiştir. 2. BÖLGESEL JEOLOJĠ Şekil 2. Kürtün Tüneli yamaç destek betonu uygulamalı tünel tip kesiti Doğu Pontidler içerisinde yer alan inceleme alanında Üst Kretase dönemi boyunca kuzey zonunda gelişen aktif volkanizma sonucu volkano-tortul bir istif birikmiştir. Tünel hattı boyunca, bu istifin ilk evredeki bazik lavlarını oluşturan Çatak Formasyonu ve asidik lavlarını oluşturan Kızılkaya formasyonları yüzeylenmektedir. Bunun yanı sıra, tünel girişinde Çatak Formasyonu içerisinde gelişmiş köşeli taneli, molozlu-bloklu-kumlu çakıl özelliğinde yamaç molozları bulunmaktadır (Şekil 3a,c). Çağlayan Formasyonu ise ağırlıklı olarak andezit ve bazaltlardan oluşmaktadır (Şekil 3b). 19

3 Şekil 3. (a) Bölgesel jeolojisi, (b) andezitik ve bazaltik lavlar, (c) yamaç molozu 3. ARAġTIRMA VE ZEMĠN ĠYĠLEġTĠRME ÇALIġMALARI Giriş portali yamaç molozu birimi içinde açılacak olan tünel projesinin tasarımına yönelik olarak; sahanın jeolojik-jeoteknik modelinin ortaya koyulması ve zeminin jeomekanik özelliklerini belirlemek amacıyla, öncelikli olarak, tünel sağ ve sol tüp portal kesiminde 11 adet sondaj yapılmıştır. Sağ tüpte ilk iki sondajda, sol tüpte ise ilk üç sondajda tünel kırmızı kotunun 10 m altına kadar kayaya rastlanılmamıştır. Diğer sondajlarda ise 24 m, 14.5 m ve 10 m de orta-sert dayanımlı, parçalı-kırıklı andezit birimi kesilmiştir (Şekil 4). Şekil 4. Arazi ve sondaj verilerine göre Kürtün Tüneli sol ve sağ tüp jeolojik kesiti Tünelin sol ve sağ tüp giriş portalinde ilk kazının yapılacağı kesimde yersel olarak bazalt ve andezitler ve devamında ise yamaç molozları yüzlek vermektedir. Portaldeki bu olumsuz zemin koşullarının bulunduğu bölgede zemin iyileştirmesi yapılmasının açık kazı ve destek uygulamasından daha ekonomik ve uygulanabilir olduğuna karar verilmiştir. Zemin iyileştirilmesi amacıyla konsolidasyon enjeksiyonu projesi hazırlanmıştır. Konsolidasyon enjeksiyonu, birbirini takip eden kesitlerin her birinde adet olmak üzere şaşırtmalı olarak konumlanan (1,5 m x1,5 m dizilimle) ve 56 mm çapında açılan enjeksiyon kuyularından yapılmıştır. 20

4 Enjeksiyon karışım oranları ise (çimento/su oranı), hedeflenen refü basıncına göre 1/3 ile 7/5 arasında gerçekleştirilmiştir. Tünel kesiti içerisinde enjeksiyon sınırı; tavanda minimum 4 m, omuzlarda 3 m ve yan aynalarda 1,5-2 m olmak üzere, tünel cidarında bir kabuk oluşturacak şekilde tasarlanmıştır. Enjeksiyon uygulaması öncesi yapılan sondaj verileri ve enjeksiyon sonrası zemin parametreleri (birim hacim ağırlık, poisson oranı, içsel sürtünme açısı ve kohezyon ) Plaxis sonlu elemanlar ağında analiz edilmiştir (Şekil 5). Enjeksiyon sonrası yapılan pressiyometre deneyleri sonucunda zeminin % 70 oranında iyileştirildiği, elastisite modülünün 30 MPa dan 120 MPa a ulaştığı belirlenmiştir. Şekil 5. Sol tüp (Km 0+480) Plaxis sonlu elemanlar ağı ve enjeksiyon öncesi ve sonrası zemin değerleri 4. JEOTEKNĠK DEĞERLENDĠRME VE KAYA KÜTLESĠ SINIFLAMALARI Bu bölümde Kürtün Tüneli sol tüp giriş portalinin 90 metresi ve sağ tüp giriş portalinin 30 metresinde yüzlek veren andezitik ve bazaltik kayaçlar için jeomekanik değerlendirme ve kaya kütlesi sınıflamaları yapılmış ve bu sınıflamalara göre kazı ve destek sistemi belirlenmiştir. Aşağıda alt başlıklar halinde bu sınıflama sonuçları verilmiştir Q Kaya Kütle Sınıflaması Q sınıflama sistemine göre (Barton vd., 1974) tünel portal bölgesindeki kayaçlar zayıf kaya özelliğindedir (Çizelge 1). Litoloji Çizelge 1. Kürtün tüneli sol ve sağ tüp giriş portali Q kaya kalite sınıflaması Kaya kalite göstergesi (RQD) Eklem takım sayısı (Jn) Eklem pürüzlülük durumu (Jr) Eklem ayrışma durumu (Ja) Eklem suyu durumu (Jw) Gerilme azaltım faktörü (SRF) Q Andezitik, bazaltik kayaçlar x12 4 eklem takımı 3 pürüzlü 8 Kil dolgulu, çok altere 0.66 Orta dereceli su içeriği 2.5 Düşük basınçlı Kaya-Kütlesi Puanlama (RMR) Sistemi Kaya kütlesinin RMR değeri portal girişi için yerinde yapılan ölçüm ve gözlemlerle kaya kütlesinin RMR değeri portal girişi için Çizelge 2 de verilen şekliyle süreksizliklerin konumuna bağlı değer düzeltmesi yapılarak hesaplanmıştır (Bieniawski, 1989). Buna göre RMR değeri 45, süreksizliklere 21

5 bağlı düzeltilmiş RMR değeri ise 40 olarak hesaplanmıştır. Bu değere göre, giriş portalinde jeolojik ortam zayıf kaya niteliğindedir. Çizelge 2. Kürtün tüneli sol ve sağ tüp giriş portali için (RMR) puanları RMR Sol tüp Sağ tüp Tek eksenli sıkışma dayanımı 1-Sağlam kayanın 35 MPa 35 MPa dayanımı ( c ) Puan Kaya Kalite derecesi- Özellik 5 15 RQD Puan Süreksizlik aralığı Özellik mm mm Puan Süreksizlik durumu Özellik Az pürüzlü yüzey, Yumuşak duvar kayası, açıklık < 1mm Az pürüzlü yüzey, Yumuşak duvar kayası, açıklık < 1mm Puan Yeraltı suyu Özellik Nemli Nemli Puan Süreksizliklerin Konumuna göre değer düzeltme Orta Orta -5-5 RMR Puanı RMR Final Puanı Jeolojik Dayanım Ġndeksi (GSI) Kayaçların yerinde dayanım parametrelerinin belirlenmesinde kullanılan GSI (Hoek ve Brown,1988) değerleri Kürtün Tüneli için Çizelge 3 de verilmiştir. 35 olarak hesaplanan GSI değeri birbirini kesen çok sayıda süreksizliğin oluşturduğu köşeli bloklar içeren, kıvrımlanmış ve/veya faylanmış kaya kütlesini ifade etmektedir. Çizelge 3. Kürtün tüneli sol ve sağ tüp giriş portali GSI sınıflaması Km Tek eksenli sıkışma dayanımı (σb) MPa Kaya sabiti (mi) Örselenme faktörü (D) Kaya modül oranı (mr) Sol tüp ( ) Derinlik (m) Sağ Tüp ( ) JEOMEKANĠK DEĞERLENDĠRME Roc Lab Programı ile Hoek-Brown sınıflama parametreleri (serbest basınç dayanımı, GSI indeksi, kayaç sabiti, yenilme ölçütü parametreleri (mb, s ve a) ve kaya kütlesi için eşdeğer Mohr-Coulomb parametreleri (kohezyon ve sürtünme açısı) değerleri kullanılarak her iki tüp bölgesi için kaya kütlesinin makaslama dayanımları hesaplanmıştır (Çizelge 4, Şekil 6). Çizelge 4. Kürtün tüneli sol ve sağ tüp giriş portalindeki kaya kütlelerinin makaslama dayanımları Km (σb) MPa GSI mi mb s a c çekme c (MPa) GSI Def. Mod. E s (MPa) Sol tüp ( ) Sağ Tüp ( )

6 Şekil 6. Sol tüp giriş portali stabilite analizlerine yönelik kaya kütlesi dayanımları (Hoek ve Brown, 1980 a,b) Daha güvenli tarafta kalmak amacıyla, Hoek-Brown ölçütüyle hesaplanmış kaya kütlesi dayanımları düşürülmüş ve stabilite analizlerinde kullanmak üzere Çizelge 5 deki jeomekanik büyüklükler alınmıştır. Kürtün tünelleri için yapılan kaya kütlesi sınıflamaları, tünel portallerinin genellikle düşükorta kaliteli kayaçlar içerisinde açılacağını göstermektedir. Km Sol tüp ( ) Sağ Tüp ( ) Çizelge 5: Stabilite analizlerine esas yerinde kaya dayanımları Litoloji Elastisite modülü c γ v E (kpa) (kpa) (kn/m 3 ) Yamaç 0.3 molozu Andezitik, bazaltik GSI Tünelde uygulanacak olan destek elemanlarının ve kaya destek sınıfları Bieniawski (1989) ye göre belirlenmiştir. Ayrıca RMR ve Q sistemlerinin değerlendirmesine göre Kürtün tünellerinde uygulanması için önerilen Karayolları Teknik Şartnamesi (KTŞ, 2013) destek sınıfı da Çizelge 6'da verilmiştir Km Sol tüp ( ) Sağ Tüp ( ) Çizelge 6. Kaya kütle sınıflamalarına göre önerilen destek sınıfları Destek Sınıfı E c Litoloji (kpa) (kpa) GSI RMR Q Yamaç molozu Andezitik, bazaltik kayaçlar Bieniawski (1989) KTŞ (Önerilen Klas) B3 B3 Special B3 B3 Special 23

7 Kohezyonun ve kayaç dokusundaki kenetlenmenin az olmasından dolayı yüksek yer değiştirmeler olabileceği sağ ve sol tüp giriş portallerinde, B3 özel destek sistemi uygulanacaktır. İç kaplama betonu donatılı olarak imal edilecektir. Kazı ilerleme boyu üst yarıda 1.2 m, alt yarıda 2.4 m dir. Tünel imalatı ön sağlamlaştırmalı ve iyileştirmeli olarak ilerleyecektir. İç kaplama betonunun kazıyı takip etmesi ve halka kapanımının hemen sağlanması önerilmektedir. Kürtün tüneli giriş portalinde önerilen destekleme-sağlamlaştırma elemanlarını: NPI 160 çelik iksa, 25 cm, adet L = 4-6 m uzunluğunda, Ø 28 mm, 1.5 m x 1.2 m ara ile SN bulon, çift kat Q221/221 çelik hasır, 25 cm püskürtme beton ve cm kalınlığında iç kaplama betonu oluşturmaktadır. 6. STABĠLĠTE ANALĠZLERĠ Kürtün tüneli stabilite analizleri, sonlu elemanlar yöntemini esas alan Plaxis adlı yazılım kullanılarak yapılmıştır. Nümerik analizlerde kazı ve destekleme ayrı aşamalarda tanımlamış olup, her aşama için gerilmeler ve yer değiştirmeler hesaplanmıştır. 290 m uzunluğundaki sağ tüp giriş portalinin 90 m si bazalt içerisinde inşa edilecek olup, tünelin üzerindeki enjeksiyon ile % 70 oranında iyileştirilmiş yamaç molozu kalınlığı 40 m dir. Şekil 7. (a) Üst yarı kazısından sonra yer değiştirmeler, (b) kazı sonrası çekme gerilmeleri Kazı sonrası yamaç molozunda bir gevşeme olmakta, ancak tüneli çevreleyen iyileştirilmiş zemin ve andezit gevşemeleri karşılayabilmektedir. Kazı sonrası yer değiştirmeler 9.1 cm ye ulaşmaktadır (Şekil 7a). Tünel kazı alanı içerisinde tabanda 1830 kpa lık çekme gerilmesinden dolayı yenilmeler beklenmektedir (Şekil 7b). Plastikleşen noktalar ise, çoğunlukla yamaç molozu içerisindedir. Şekil 8. (a) Üst yarı desteklemesi sonrası yer değiştirmeler, (b) üst yarı destekleme sonrası çekme gerilmeleri Tünel üst yarısında destek sisteminin uygulanmasından, denge koşulu oluncaya kadar yer değiştirmeler 2.34 cm düzeyine kadar çıkmaktadır (Şekil 8a). Yer değiştirmeler ağırlıklı olarak tünel tavanında ve yükün daha fazla olduğu sol duvarda etkili olmaktadır. Yamaç şevinde olabilecek yer değiştirmeler ve yenilmeler yamaç molozu ile sınırlı kalmakta, dolayısıyla şev duraysızlığı ana kaya 24

8 içerisine ve tünele ulaşamamaktadır (Şekil 8b). Tünel içerisinde plastikleşmeler daha çok iksa tabanlarında oluşmaktadır (Şekil 8c). Bunun önlenmesi için halka kapanımının hemen yapılması, alt yarı kazısının üst yarı kazısını kısa mesafelerde takip etmesi gerekmektedir. 7. YAMAÇ DESTEK BETONU UYGULAMASI Kürtün tünelinde tünel doğrultusu yamacı verev yönde kestiği için bir alın şevi ve iki yan şev oluşturularak kazıya başlanması mümkün değildir. Giriş portalinin büyük kısmında yüzlek veren yamaç molozunun stabilite sorununa neden olması muhtemeldir. Giriş portalinin bir kısmında yüzlek veren kayaçlar ise çok ayrışmıştır. Tünelin tavan ve omuz kesimlerinde et kalınlığının düşük oluşu, kazı ve destekleme esnasında stabiliteyi etkileyen en önemli unsurlardan biridir. Ayrıca tünel girişinde çok dik doğal şevlerin olması, kazı çalışmaları sırasındaki iş güvenliği riskini artırmaktadır. Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı Kürtün Tüneli girişi için, portal bölgesi yamaç destek betonu ile desteklenmiştir. NATM tünelcilik yönteminin felsefesine göre; kayanın kendi yükünü taşıyabilmesi için tünel cidarına gelen yüklerin dağılımının homojen olması gerekir. Bu yüklerin eşit oranda dağılmaması durumunda deformasyon ve göçük kaçınılmaz olur. Yamaç tünelinde yükler, tünelin dağ tarafındaki şevine toplanmıştır. Bu yüklerin tünel çeperlerinde dağılımını ve sönümlenmesini sağlamak amacıyla kademeler halinde yamaç destek betonu tasarlanmıştır. Böylelikle tünel portal kesimlerinin maruz kalmış olduğu yük, tünel çeperine dağıtılmakta, deformasyon ve göçük riski en alt düzeye indirilmektedir. 8. SONUÇLAR Kürtün Tüneli güzergahında yapılan sondaj çalışmaları, arazi ve laboratuvar deneyleri, kaya kütlesi sınıflamaları tünel portalinin bir kısmının zayıf-orta kaya kütlesi ortamında, bir kısmının da yamaç molozu içerisinde açılacağını göstermiştir. Yamaç molozu içeren portal kesimi konsalidasyon enjeksiyonu ile iyileştirilmiştir. Jeomekanik değerlendirmeler ve stabilite analizleri sonucunda tünel portalindeki kazı ve destek sistemi "B3 Özel" olarak belirlenmiştir. Kürtün Tüneli nde tünel doğrultusunun doğal şevi verev yönde kesmesi, örtü kalınlığının az olması, litolojinin altere kaya ve yamaç molozundan oluşması nedeniyle donatılı yamaç destek betonu tasarlanmıştır. Kademeler halinde inşa edilen yamaç destek betonu uygulamasıyla tünel portal kesiminin maruz kalmış olduğu yük, tünel çeperine dağıtılmış, deformasyon ve göçük riski en alt düzeye indirilmiştir. 9. KATKI BELĠRTME Yazarlar, katkılarından dolayı TTS Müh. Müşv. Ltd. Şti ne ve Cengiz İnşaat Köstere Deresi- Gümüşhane Şantiyesi teknik personeline teşekkür ederler. 10. KAYNAKLAR Barton, N., Lien, R., Lunde, J., 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. Hoek, E., Brown, E.T. 1980b. Empirical strength criterion for rock masses. Journal of Geotechical Engineering, 106(GT9), Hoek, E., Brown, E.T. 1980a. Underground Excavations in Rock. Instn Min. Metalurgy, London. Hoek, E., Brown, E.T., The Hoek Brown failure criterion 1988a Update. Proceedings of the 15th Canadian Rock Mechanics Symposium. University of Toronto, KTŞ (Karayolları Teknik Şartnamesi), Karayolları Genel Müdürlüğü Vardar, M., Karaoğlan, H. Koçak, C., Tunnel portal problems in landslide areas in Black Sea Highway Project-Turkey, underground space use. analysis of the past and lessons for the future, two volume set. Proceedings of the International World Tunnel Congress and the 31st ITA General Assembly, Istanbul, Turkey. 25