TÜNEL JEOLOJİSİ
Yer altında açılan iki tarafı açık kazılara tünel, bir tarafı açık kazılara ise galeri adı verilir. Yol inşaatlarında Baraj inşaatlarında Metro inşaatında Hidroelektrik santrallerinde Yeraltı madenciliğinde tünel ve galeri çalışmaları önemli bir yer tutar.
TÜNEL VE GALERİLERDE KULLANILAN TERİMLER Tünel ve galeriler yer kabuğunun çeşitli derinliklerinde yapılan tesisler olduğundan bu çalışmalara başlamadan önce tünel açılacak güzergahın; kayaç cinsi, yapısal özellikleri, yeraltı su durumu, yeraltı basıncı, yeraltında bulunan gazların etkisi ayrıntılı biçimde araştırılır ve bu çalışmaların tümü tünel jeolojisinin esasını oluşturur.
Dik açılan yer altı kazılarına kuyu, baca veya şaft denir. Aşağıya eğimli olarak açılan galeriye baş aşağı; yukarıya doğru açılan galeriye ise baş yukarı adı verilir. Yer altında beklenme veya sığınma amaçlı boşluklara oda veya cep adı verilir. Tünelin üzerinde bulunan zemine örtü; bunun kalınlığına ise örtü kalınlığı; Kazılarda çıkan malzemeye de pasa denir.
Bir tünel kesitinin alt kısmına taban (radye), üst kısmına tavan (kemer), yan kısımlarına ise ayak (duvar) denir. Kemerin ayaklarla birleştiği noktaya üzengi, üzengi noktalarını birleştiren çizgiye üzengi çizgisi, üzengi çizgisinin üstünde kalan kısma kalot, altında kalan kısma ise stros adı verilir. Herhangi bir yöntemle bir defada açılan tünel uzunluğuna ano denir. KALOT STROS ÜZENGİ ÇİZGİSİ
TÜNEL AÇILMASINDA KARŞILAŞILAN OLAYLAR 1. Zemin ortamında tünel açarken karşılaşılan olaylar Zemin ortamında tünel açılırken yan duvarlar (ayaklar) kendini tutamazlar ve açılan boşluğu dolduracak şekilde akarlar. Akma olayı daha çok su içeriği fazla olan killi ve siltli zeminlerde çamur akması şeklinde kendini gösterir.
Suyun olması durumunda bu ortamlarda sıkışma ve şişme türü olaylar meydana gelir. Bu tür zeminlerde açılan tünelin desteksiz durma süresi çok kısadır. Bu süre sert killerde en fazla 1-2 gün kadardır. Zeminlerde su içeriği etkili olduğundan yer altı su seviyesinin çalışma ortamının altına indirilmesi gerekir. Bu tür şişen killi zeminlerde daire kesitli tünel önerilir. Akıcı zeminlerde tünel duvarlarının ve tavanının ahşap, çelik kiriş veya levhalarla desteklenmesi gerekir. Su içeriği çok düşük kil ve çimentolu kumtaşları belirli bir kesme direncine sahip olduklarından hemen desteklenmelerine gerek olmayabilir. Ancak genellikle yumuşak zeminlerde tünel açılırken güvenlik açısından bir destekleme yapılır.
2. Kaya ortamında tünel açılırken yer çekimi, boşluk suyu basıncı kalıcı gerilmelere bağlı olarak kayaç içinde çeşitli olaylarla karşılaşılır. Tünel açılması sırasında ortaya çıkan kazı boşluğu nedeniyle kaya içindeki doğal gerilmeler yön ve şiddet değişikliğine uğrayarak yeni gerilmelere neden olurlar.
Bu ikincil gerilmeler; tünel duvarlarında, tünel tavanında tünel tabanında olaylarına neden olurlar. kaya patlamaları, (kaya fırlamaları, kapak atmaları) şişme ve kabarma Şişme ve kabarma olayları daha çok ayrışmış ve yumuşak kaya ortamında görülür. Kaya ortamında kalıcı gerilmelerin etkisi ile yatay gerilmeler düşey gerilmelerden daha fazla bir değere sahiptir.
a. Kaya patlaması Kaya patlaması doğal gerilmelerin etkisi ile kazı türü ve kazı hızına bağlı olarak, çeşitli büyüklükte kayaların ani ve patlayarak tünel boşluğuna düşmesi olayıdır. Küçük kayaların patlamasına kaya fırlaması, büyük kayaların patlamasına ise kapak atma denir. Fay ve kırık gibi süreksizliklerin bulunması ve farklı dirençli kayaların bir arada olması kaya patlaması olayında etkilidir. Tünelin süreksizliklere ve dayk gibi farklı dirençlerdeki kayaçlara yakın olan kısmında kaya patlamaları ve aşırı sökülme meydana gelir.
Kaya patlaması olayı tünel açılması sırasında olduğu gibi tünel açıldıktan sonra da meydana gelebilir. Bu olayın önceden belirlenmesi zor olmakla birlikte karmaşık jeolojik koşullarda bu tür olayın meydana gelebileceği göz önünde bulundurularak güvenlik önlemleri alınmalıdır. Şist, çamur taşı ve kil taşı gibi killi kayaçlarda tünel açılırken kaya patlaması yerine şişme, kabarma ve sıkışma gibi olaylar meydana gelir.
b. Kemerlenme Kayalarda tünel açıldığında süreksizliklerle gevşemiş olan bloklar tünel boşluğuna doğru hareket ederken birbirlerine kenetlenerek duraylı konuma gelmelerine kemerlenme denir. Kemerlerime olayı kayaçların; 1. yapısal özelliklerine, 2. litolojisine, 3. süreksizlik düzlemlerinin doğrultu ve eğimi ile tünel doğrultusunun konumlarına, 4. desteksiz kalan tünel kesiminin uzunluğuna bağlıdır.
c. Aşırı sökülme Kayalarda tünel açılırken planlanan kesitten daha fazla yapılmış olan kazılara aşırı sökülme denir. Aşırı sökülme; kayaç cinsi, ayrışma derecesi, süreksizlik ara uzaklığı ve sıklığı, tünel açma yöntemi, kullanılan patlayıcı madde miktarı, tünel çapı destek şekli vb gibi pek çok faktöre bağlıdır.
JEOLOJİK YAPILARIN TÜNEL Tünel açılmasında; AÇILMASINDA ETKİSİ * Süreksizlik düzlemleri ile tünel güzergahı arasındaki ilişki * Kıvrımların konumları ile tünel güzergahı arasındaki ilişki etkilidir.
1. Tabakaların ve çatlakların etkisi Tabakaların doğrultusu ile tünel güzergahı birbirlerine dik ve tabakalar yatay olduğu zaman açılan tünel üniform düşey gerilmelerin etkisinde kalır. Bu durumda tünelin açılması sırasında meydana gelen aşırı sökülme tabaka kalınlığına ve çatlak ara uzaklığına bağlı olarak gelişir
Tabakaların doğrultusu tünel güzergahına paralel ve eğimli olan tabakaların (tüneli verev kesmesi) olması durumunda gerilmeler tünelin yan duvarlarında birikir ve bunun sonucu olarak tünel tavanında ve yan duvarlarında aşırı sökülmeler meydana gelir. Doğrultusu tünel güzergahına paralel olan dik tabakaların olması durumunda aşırı sökülme tünelin tavanında meydana gelir
2. Yamaçlara yakın yerde tünel açılırken süreksizliklerin yamaç dışına doğru olması durumunda kütle hareketleri meydana gelir.
3. Fayların etkisi Fay düzleminin doğrultusu ve eğimi ile tünel güzergahının doğrultusu arasındaki ilişki, fay zonunun genişliği, dolgu cinsi dolgu kalınlığı, fay zonunun iki tarafındaki yer altı suyundan kaynaklanan farklı hidrodinamik basınçlar tünel açılmasında önemli faktörlerdir.
Çok sayıda faylanmış bölgelerde kayaçlar gevşemiş durumdadır. Bu gibi yerlerde tünel açılırken kemerlenme az; aşırı sökülme ise fazla olur. Milonit zondaki killer su alarak hacim genişlemesi sonucu tünelde kabarmalara neden olurlar. Tünel açılan yerdeki fayların aktif durumda olması zaman zaman tünele zarar verir. Bu zonların güçlü biçimde desteklenmesi gerekir. Fayların iki tarafındaki farklı hidrodinamik basınçlar tünellerde su patlamalarına neden olabilirler. Bu durumda gerekli güvenlik önlemleri alınmalıdır.
4. Kıvrımların etkisi Kıvrım eksenlerinin konumu ile tünel güzergahı arasındaki ilişki tünel açılmasında etkilidir. Kıvrım eksenlerinin tünel eksenine dik olması konumunda tabakaların tünel girişine doğru eğimli olduğu kesimde ilerleme kolay sağlanır. Ancak duraylılık açısından tünel içine doğru blok kaymaları şeklinde duraylılık sorunları ile karşılaşılabilir.
Kıvrım eksenlerinin tünele dik olduğu durumda tünelle kıvrım eksenlerinin kesim noktalarında oluşan gerilmeler antiklinallerde az senklinallerde ise fazladır. Buna karşılık antiklinal kanatlarında fazla, senklinal kanatlarında ise azdır
Tünel ekseni ile kıvrım eksenlerinin paralel olması durumunda tünelin kıvrım kanatları içinde açılması sorunları azaltır. Kıvrım ekseni üzerinde açılan bir tünelde tabakaların eğimleri azaldıkça duraylılık artar ve kazı zorlaşır. Antiklinallerde kemerlenmeden dolayı tünel duvarları duraylı; senklinallerde ise kemerlenme zayıfladığından dolayı tünel duvarları duraysız olur.
TÜNELLERDE KARŞILAŞILAN DİĞER SORUNLAR Tünellerde jeolojik özellikler dışında ısı, gaz ve su sorunları ile karşılaşılabilir. Bu sorunların da tünele değişik etkileri bulunur. Tünellerde ısı yer yuvarının jeotermik gradyanına bağlıdır. Bu değer ortalama her 30-40 m derinlikte sıcaklığın 1 C artmasına neden olur. Bu sıcaklık artışı uniform olmayıp kayaçların ısı iletkenliğine, örtü kalınlığına, tünelin uzunluğuna ve yer altı suyuna bağlı olarak değişir.
TÜNEL AÇMA YÖNTEMLERİ Tünel açma kazı (tünelin açılması), gerekli yerlerde destek yapılması, kazı malzemesinin (pasanın) taşınması, kaplama, izolasyon, drenaj havalandırma gibi çok sayıdaki işlemin birbirleri ile uyumlu olarak yürütüldüğü bir çalışmadır. Bu çok yönlü çalışma, tünelin açıldığı ortamın jeolojik ve hidrojeolojik koşullarına, tünelin şekline, genişliğine ve kullanım amaçlarına bağlı olarak seçilir ve planlanır. Tünel açma yöntemleri kazı ve ilerleme yöntemi olmak üzere iki ana çalışmayı kapsar.
TÜNEL AÇILMASINDA KAZI YÖNTEMLERİ Tünel açılması sırasında uygulanan kazı şekilleri kaya ortamında ve zemin ortamında önemli farklılıklar gösterir. Kaya ortamında tünel kazılması; delme ve patlatma ile makine ile olmak üzere iki şekilde yapılır.
Delme ve patlatma ile tünel kazısında jumbo adı verilen çok kollu makineler kullanılarak açılan orta çekme ve tarama deliklerine patlayıcı madde doldurulur ve yapılan atımlarla ilerlenir. Bu kazı sırasında oluşan zararlı gazlar ve toz havalandırma sistemi ile tünel dışına atılır. Ayrıca süreksizliklerle duraysız duruma gelen kayalar sağlamlaştırılır.
Makine ile tünel açılmasında ise üzerinde çok sayıda kesici uç bulunan döner bir kafa yardımı ile tam kesit veya yarım kesit şeklinde kazı yapılır. Bu kazı şeklinde çıkan pasa hareketli bantlarla tünel dışına atılır.
TÜNELLERDE İLERLEME YÖNTEMLERİ Tünellerde ilerleme yöntemleri; tünelin açıldığı kaya veya zemin türüne, tünel açılan ortamın kemerlerime durumuna, jeolojik ve hidrojeolojik koşullara, tünelin boyutlarına, patlayıcı kısıtlaması vb. gibi çeşitli faktörlere bağlı olarak belirlenir.
1. Tam kesit ilerleme yöntemi Genellikle sağlam veya az çatlaklı kayalarda uygulanan bu ilerleme yönteminde tünel kesiti boyunca (ayna boyunca) yapıldığından tünel bir defada açılmış olur. Bu yöntem hızlı ve ekonomik bir ilerleme yöntemidir. 2. Tepe (kalot) çekirdek (stros) yöntemi Geniş çaplı tünellerde ve kazı malzemesi (pasa) dışarıya atılıncaya kadar tavanı desteksiz duramayacak durumda olan zayıf kaya ve zemin ortamında uygulanan bu yöntemde önce tünelin üst yarısı (tepe-kalot kısmı), daha sonra ise alt yarısı (çekirdek-stros) açılarak ilerleme yapılır. Bu yöntemde tünelin kalot kısmı 1-2 ano ileridedir. 3. Yandan galeri yöntemi Özellikle çok çatlaklı, zayıf kayalarda ve zeminlerde geniş çaplı tünellerin açılmasında uygulanan bu ilerleme yönteminde önce tünelin yan duvarları boyunca küçük çaplı galeriler sürülür; sonra orta kısım açılan paralel bir galeri ile tünel tamamlanır.
4. Çok galeri yöntemi Özellikle ezilme zonu içeren faylanmış kayalarda ve kabaran zemin ortamında geniş çaplı tünellerin açılmasında uygulanan bu yöntemde yandan sürülen galerilere ek olarak, kalot (tepe) kısmından bir galeri sürülür. Açılan tavan desteklenerek kazı güvenliği sağlanır ve daha sonra orta kısmı kazılır 5. Kalkan yöntemi Yumuşak (killi) zeminlerde uygulanan bu yöntemde ilerleme, çelik bir silindirin (kalkan) açılan tünel boşluğuna itilmesi ile yürütülür. Kullanılan kalkanın çapı tünel kesitinden biraz daha büyüktür. Ayna kazısı ilerledikçe kalkan da hidrolik krikolarla ileri sürülür ve arkadan kaplama yapılır. 6. Aç-Kapa yöntemi Ulaşım, kanalizasyon, içme suyu tünelleri ve yer altı geçitleri gibi örtü kalınlığının 10 m den ince olduğu durumlarda uygulanan bu yöntemde, tünelin inşa edileceği yer altı boşluğunda yanlar betonarme kazıklar veya perde duvarlarla desteklendikten sonra tünel inşa edilir ve üzeri doldurulur.
TÜNELLERDE KAYA KÜTLE SINIFLAMA SİSTEMLERİ
KAYA KÜTLELERİNİN TANIMLANMASI Kaya kütleleri, sürekli, homojen ve izotrop malzemeler olmayıp, çeşitli süreksizlikler tarafından kesilirler. Bu nedenle, dış yüklere maruz kalabilen kaya kütlelerinin davranışı içerdikleri süreksizliklerin özellikleri dikkate alınmadan gerçeğe yakın şekilde analiz edilemez. Süreksizliklerin özellikleri aşağıda belirtilen amaçlara yönelik olarak tayin edilir. Jeolojik yapının ortaya koyulması Kaya kütlelerinin mühendislik sınıflanması Kaya kütlelerinin duraylılığı
Süreksizliklerin özellikleri mostrada veya sondaj karotlarında değişim ölçüm tekniklerinden yararlanılarak tespit edilir. Kaya kütlelerinin tanımlanması amacıyla, süreksizliklerin aşağıdaki blok diyagramda gösterilen özellikleri belirlenmelidir. Çatlak takýmlarý Eðim yönü K Süreksizlik ara uzaklýðý eðim eðim yönü açýsý Süreksizlik açýklýðý Devamlýlýk Sýzma Blok boyutu/þekli Dolgu tipi/ geniþliði Süreksizlik tipi (fay vb.) Pürüzlülük
JEOMEKANİK SINIFLAMA -RMR SİSTEMİ- Kaya mekaniği uygulamalarında kaya kütlelerinin mühendislik özelliklerini belirlemek amacıyla çeşitli sınıflandırma sistemlerine gereksinim duyulmuştur. Mühendislik jeolojisi çalışmalarında tasarımın ayrılmaz bir parçası olan bu sistemler, uzun yıllar süren gözlemlere bağlı olarak geliştirilen ve istatistiksel değerlendirmeler esas alınarak önerilmiş yöntemlerdir. Görgül bir kaya kütle sınıflama sistemi olan RMR Sınıflama Sistemi, ilk kez 1972-1973 yılları arasında yapılan çalışmalar sonucunda Bieniawski (1973) tarafından geliştirilmiştir. RMR kaya kütle sınıflama sisteminde kullanılan parametreler aşağıda sıralanmıştır: Kayacın nokta yük dayanım indeksi veya tek eksenli basınç dayanımı, Kaya kalitesi göstergesi (% RQD) Süreksizlik ara uzaklığı Süreksizliklerin durumu (Devamlılık, açıklık, pürüzlülük, dolgu ve bozunma) Yeraltısuyu durumu
RMR SİSTEMİ Sistemde bu parametrelerle beraber parametrelere ait puan değerleri yer almakta, hat etüdlerinden ve bir dizi laboratuvar deneyinden elde edilen sonuçlara göre parametrelere verilen puanların toplamı kullanılarak kaya kütleleri sınıflandırılmaktadır. Tabloda RMR kaya sınıflama sisteminin 1989 daki son versiyonu ve bu sisteme göre verilen puanlar görülmektedir.
RMR SİSTEMİ Mühendislik jeolojisi çalışmalarında, süreksizliklerin konumu önemli bir parametre olduğu için RMR sınıflama sisteminde süreksizlik sisteminin konumu göz ardı edilmemelidir. Bu nedenle mühendislik yapısı ve süreksizlik konumu arasındaki ilişkiye göre Bieniawski (1979 ve 1989) tarafından süreksizlik yönelimi düzeltmesi ortaya atılmıştır. süreksizlik yönelimine göre sınıflama süreksizlik yönelimine göre puanlama
RMR SİSTEMİ Bunun yanı sıra, RMR sınıflama sisteminin yaygın olarak kullanıldığı tünelcilik, ve madencilik uygulamalarında yapılacak olan patlatmalarda daha fazla miktarda dinamik etki meydana gelmektedir. Bu nedenle patlatma, yerinde gerilimler ve fayların durumu gibi faktörler gibi faktörler için de düzeltme yapılarak nihai RMR değerinde azaltmaya gidilmelidir (Laubscher, 1977; Kendorski vd., 1983).
RMR SİSTEMİ RMR sınıflama sistemine göre kaya sınıfları ve puanları RMR kaya kütle sınıflama sisteminde RMR puanını hesaplama aşamalarını gösteren akış şeması
RMR SİSTEMİ TÜNEL DOĞRU DEĞERLENDİRME RMR = 62 RMR = 74 RMR = 29 HATALI DEĞERLENDİRME Bazı uygulamalarda kaya kütleleri Ortalama RMR = 55 sondajla geçilirken birden fazla kaya türünü içeren veya aynı kaya türünde farklı özellikler gösteren kısımlar ayırt edilmeksizin çok sayıdaki ilerleme aralığı birlikte değerlendirilerek oldukça kalın ve farklı nitelikteki zonlar için ortak bir RMR puanı hesaplanmaktadır. Böyle bir uygulama sonucunda zayıf kaya kütleleri daha kaliteli kaya kütlesinin bulunduğu bölgelere dahil edilerek ortalama bir RMR değeri hesaplanmakta, dolayısıyla tüm kaya kütlesi yer yer düşük kaliteli zonları içermesine rağmen, olduğundan daha kaliteliymiş gibi değerlendirilmektedir. Bu tür hatalarla ilgili örnek yandaki şekilde verilmiş olup, bundan kaçınılması için her ilerleme aralığının veya farklılık gösteren her zonun RMR puanının ayrı ayrı tayin edilerek kötü ve kaliteli zonlar ayırtlanmalıdır.
RMR SİSTEMİ (Tünellerde desteksiz durma süresi) Bir yer altı açıklığının desteksiz durma süresi, açıklığın genişliğine veya desteksiz kısmın uzunluğuna bağlıdır. Bununla birlikte kemer tipi açıklıkların desteksiz durma süresi tavanı düz olan bir açıklığına göre daha fazladır. Aşağıdaki şekillerde RMR puanına göre bir yer altı açıklığının desteksiz durabilme sürelerinin hesaplanmasında kullanılan grafikler görülmektedir.
RMR SİSTEMİ (Destek basıncı) Yer altı açıklıklarında kullanılan destek sistemine gelecek basınç RMR puanından yararlanılarak tahmin aşağıdaki formül yardımıyla edilmektedir (Ünal, 1983). (Kaya kütlelerinin taşıma gücü) Kaya kütlelerinin dayanımın belirlenmesinde 90 lı yılların ortalarına kadar RMR puanı kullanılmış ancak günümüzde yerini Hoek ve Brown (1980) tarafından önerilen ve daha sonra değişikliğe uğrayan yenilme ölçütleri ve GSI ye bırakmıştır.
RMR SİSTEMİ (Destek seçimi) Yer altı açıklıklarında kullanılan destek sistemine gelecek basınç RMR puanından yararlanılarak tahmin aşağıdaki formül yardımıyla edilmektedir (Ünal, 1983).