Demirkapı Tüneli (Antalya) Km:34+705.05-35+95.50 Arası Destek Sisteminin Sayısal Analiz Yöntemi ile Değerlendirilmesi Assessment of Support System of the Section Km:34+705.05-35+95.50 of Demirkapı Tunnel (Antalya) by Numerical Analysis M. Gök 1, H.A. Nefeslioğlu 2,* 1 Zorgün İnşaat Taahhüt Tic. Ltd. Şti., 16130 Nilüfer, Bursa 2 Akdeniz Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 07058 Konyaaltı, Antalya (*hanefeslioglu@akdeniz.edu.tr) ÖZ: Bu çalışmada; kaya tünelciliğinde görgül yöntemlere bağlı olarak önerilen tahkimat sistemlerinin, tasarım aşamasında sayısal analiz yöntemi ile incelenmesine ilişkin örnek bir uygulama sunulmuştur. Bu amaçla; Antalya Karayolları 13. Bölge Müdürlüğü Hudutları içerisinde yer alan Demirkapı Tüneli nin Km:34+705.05-35+095.50 arasında kalan kısmı çalışılmıştır. Çalışılan aralıkta kaya kütle puanı RMR=56 ve kaya kütle kalitesi Q=1.555 olarak hesaplanmıştır. Söz konusu aralığın NATM kaya sınıfı B2 olarak tanımlanmıştır. Buna göre; kazı yöntemi üst yarı ilerleme uzunluğu 1.50-2.00 m ve alt yarı ilerleme uzunluğu 3.00-3.50 m olarak tasarlanmıştır. Destek sistemi; RMR ve Q değerleri ve NATM kaya sınıfı bir arada değerlendirilerek önerilmiştir. Önerilen destek sistemi; tek sıra Q221/221 çelik hasır, 15 cm C20/25 püskürtme beton, ɸ28 4.00 m 11-12 adet sistematik SN bulon şeklindedir. Gerçekleştirilen sayısal analiz sonuçlarına bağlı olarak; tünel güzergâhı boyunca çalışılan aralıkta tanımlanan kaya sınıfı için önerilen destek sisteminin; beklenen radyal deformasyon toleransı olan 3-5 cm için yeterli olduğu saptanmıştır. Anahtar Kelimeler: Tünel, Kazı Yöntemi, Destek Sistemi, Sayısal Analiz, Demirkapı Tüneli ABSTRACT: In the present study a sample application of performing numeric analysis to investigate support systems recommended according to empirical methods in rock tunneling during design stage was presented. For this purpose; the section between Km:34+705.05-35+095.50 of Demirkapı Tunnel located in the boundary of 13th District Office of Antalya Highways was studied. The rock mass rating and quality values in the section were calculated to be RMR=54 and Q=2, respectively. NATM rock class for this section was defined to be B2. Accordingly; the excavation method was designed to be 1.50-2.00 m advance per round for the upper part and 3.00-3.50 advance per round for the lower part. The support system was recommended by considering both RMR and Q values and NATM rock class. Recommended support system is given as follows; single line Q221/221 wire mesh, 15 cm shotcrete having C20/25 type, 11-12 systematic ɸ28 SN type rock bolts having 4.00 m length. According to the results of the numerical analysis; the support system recommended for the rock mass in the section investigated is determined to be enough for the tolerance level of 3-5 cm. Keywords: Tunnel, Excavation Method, Support System, Numeric Analysis, Demirkapı Tunnel 1. GİRİŞ Mühendislik yapılarının güvenli ve ekonomik olmasına ilişkin gerekliliğin yanı sıra; söz konusu yapıların inşaat süreleri de; bir başka ifade ile zaman boyutu da oldukça önemlidir (Mahmoodzadeh ve Zare, 2016). Tünel yapım çalışmalarında bu üç kavramı etkileyen sınırlamalar özellikle kazının ve tahkimat sisteminin tasarımı ve uygulanması aşamasında etkin olmaktadır (Ayhan ve Topal, 2005; Başarır, 2006; Geniş vd., 2007; Özsan vd., 2009; Rasouli, 2009; Dadashi vd., 2012; Riaz ve Jamil, 2016). Kazı ve tahkimat sisteminin tasarımı için henüz standart bir altlık oluşturulamamış ve bu eksiklik kaya kütlesi sınıflama sistemleri ile karşılanmaya çalışılmaktadır. Ancak bu sistemlerin; kaya kütlelerinin davranışlarının belirlenmesinde sınırlamalara sahip olduğu bilinmektedir (Satıcı ve Topal, 2015). Bu nedenle; özellikle tasarım aşamasında görgül ilişkilere bağlı olarak önerilen kazı ve tahkimat sistemlerinin sayısal analizler ile incelenmesi önem arz etmektedir. Bu çalışmada; Antalya Karayolları Genel Müdürlüğü 13. Bölge Hudutları içerisinde yer alan, Antalya ve Konya yı birbirine 5
bağlayan Demirkapı Tünel inin Km:34+705.05-34+805.50 arasında kalan kısmı incelenmiştir. Bu amaçla; arazi çalışmaları, laboratuvar deneyleri ve görgül yöntemler ile elde edilen verilere bağlı olarak kazı ve tahkimat tasarımı yapılmış ve bu tasarımın performansı sayısal analiz ile denetlenmiştir. Bu kapsamda öncelikli olarak alan araştırmaları ve laboratuvar deneyleri neticesinde elde edilen bilgiler doğrultusunda; tünel güzergâhı boyunca karşılaşılan kaya kütleleri, Jeomekanik Sınıflama (RMR) (Bieniawski, 1973; Bieniawski, 1989), Kaya Kütle Kalitesi (Q) (Barton vd., 1974; Barton, 2002) ve Yeni Avusturya Tünelcilik Yöntemi (NATM) (Rabcewicz, 1964) e göre sınıflandırılmış ve müteakiben kazı ve tahkimat önerileri getirilmiştir. Söz konusu görgül ilişkilere bağlı olarak yapılan tasarım önerilerinin performanslarının değerlendirilmesine yönelik sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda; sayısal analizler için gerekli kaya kütlesi parametrelerinin tayininde Jeolojik Dayanım İndeksi (GSI) kavramı (Hoek ve Brown, 1997; Hoek vd., 2013) dikkate alınmıştır. 2. ÇALIŞMA SAHASININ GENEL ÖZELLİKLERİ Demirkapı Tüneli Antalya nın İbradi ilçesi sınırlarında yer almaktadır (Şekil 1). Tünel güzergâhı içerisinde bulunan; Km:34+705.05-35+95.50 arasında kalan inceleme alanında Üzümdere Formasyonuna ait gri - açık gri renkli, orta - kalın tabakalı, aşınma yüzeyleri kahverengimsi gri renkli kireçtaşları bulunmaktadır (Martin, 1969; Toker vd., 1993 den) (Şekil 2). Şekil 1. Tünel güzergâhını gösterir yer bulduru haritası. Şekil 2. Tünel güzergâhında çalışmaya konu olan kesimde izlenen kireçtaşı kütlesinin genel görünümü. 6
3. MÜHENDİSLİK JEOLOJİSİ 3.1. Jeoteknik Saha İnceleme Arazi çalışmaları kapsamında kaya malzemesinin dayanımı ve kaya kütlesinin davranışını belirlemek için bu çalışmaya konu olan kesimde numune alımı yapılmış ve tünel aynası en kesiti çıkarılmıştır (Şekil 3). Kaya malzemesine ilişkin laboratuvar deneylerine ait sonuçlar Çizelge 1 de verilmiştir. Değerlendirilen kaya kütlesi masif, orta-kalın tabakalı, bej, açık kahve, açık gri renkli kireçtaşıdır (Şekil 3a). 8 m uzunluğa sahip A-A1 aralığında süreksizlik hat etüdü yapılmıştır (Şekil 3b). Gerçekleştirilen hat etüdü çalışmalarında ISRM (2007) önerileri dikkate alınmıştır. Tünel aynasında üç süreksizlik seti izlenmektedir. Süreksizliklerin doğrultuları tünel eksenine paralel; eğimleri ise dike yakın ölçülmüştür. Hat etüdü neticesinde ölçülen ve tanımlanan süreksizlik özellikleri Çizelge 2 de verilmiştir. Şekil 3. Çalışmaya konu olan kesimde izlenen (a) tünel aynası ve (b) en kesiti. Çizelge 1. Kaya malzemesine ilişkin laboratuvar deneylerine ait sonuçlar. Birim hacim 26.4 ağırlığı (kn/m³) Tek eksenli sıkışma dayanımı (MPa) Çizelge 2. Hat etüdü neticesinde ölçülen ve tanımlanan süreksizlik özellikleri. Parametreler Tanım / Ölçüm Kaya Kalite Göstergesi RQD (%) 60 Süreksizlik aralığı (m) 2 Devamlılık (m) 12 m Açıklık (m) 0.3 mm Pürüzlülük Az Pürüzlü Dolgu Sert dolgu 3 mm Bozunma Bozunmamış 3.2. Kaya Kütlesi Sınıflamaları 3.2.1. Jeomekanik Sınıflama (RMR) Bu çalışma kapsamında değerlendirilen kesimde; Bieniawski (1973; 1989) tarafından geliştirilen kaya kütlesi sınıflama sistemine bağlı olarak kaya kütlesinin jeomekanik sınıflama (RMR) puanı hesaplanmıştır (Çizelge 3). Buna göre; çalışmaya konu olan kesimde temel RMR değeri 68; tünel aynasında ölçülen süreksizliklerin konumuna bağlı olarak düzeltilmiş RMR değeri ise 56 olarak 109 7
hesaplanmıştır. Söz konusu RMR değerine göre çalışılan kaya kütlesi Orta Kaya sınıfında tanımlanmıştır. Çizelge 3. Değerlendirilen kesim için jeomekanik sınıflama (RMR) puanı. Parametre Tanım / Açıklama Puan Kaya kalite göstergesi RQD (%) 60 13 Tek eksenli sıkışma dayanımı (MPa) 109 12 Süreksizlik aralığı (m) 2-0.6 m 15 Yeraltı suyu Nemli 10 Süreksizlik durumu Devamlılık (mm) 10-20 m 1 Açıklık (m) 0.1-1 mm 4 Pürüzlülük Az Pürüzlü 3 Dolgu Sert Dolgu <5 mm 4 Bozunma Bozunmamış 6 Temel RMR 68 Süreksizlik konumuna bağlı düzeltme -12 Düzeltilmiş RMR 56 3.2.2. Kaya Kütle Kalitesi (Q) Çalışmaya konu olan aralık için kaya kütle kalitesi (Q) (Barton vd., 1974; Barton, 2002) ayrıca hesaplanmıştır. Q sınıflama sistemi içerisinde değerlendirilen parametreler için yapılan tanımlamalar Çizelge 4 de verilmiştir. Buna göre; kireçtaşı kaya kütlesinin Q değeri 1.555 olarak hesaplanmıştır. Çizelge 4. Q sınıflama sistemi içerisinde değerlendirilen parametreler için yapılan tanımlamalar. Sınıflamada Kullanılan Parametre Değerleri Litoloji Kaya kalite göstergesi (RQD) Eklem takım sayısı (Jn) Eklem pürüzlülük durumu (Jr) Eklem ayrışma durumu (Ja) Eklemde su azaltma faktörü (Jw) Gerilme indirgeme faktörü (SRF) Kireçtaşı 60 6 3 2 1 10 1.555 Q 3.2.3. NATM Kaya Sınıfı Demirkapı Tüneli NATM esaslarına bağlı olarak açılmaktadır. Buna göre; çalışmaya konu olan kesim için hesaplanan RMR ve Q değerleri dikkate alındığında; NATM kaya sınıfı B ve destek sınıfı ise B2 olarak tanımlanmıştır. B2 destek sınıfına göre alt yarı ve üst yarı şeklinde yapılacak kazıda üst yarı ilerleme uzunluğu 1.5-2.0 m ve alt yarı ilerleme uzunluğu 3.0-3.5 m olarak belirlenmiştir. Bu aşamada; üst yarı ve alt yarı kazıları arasındaki mesafenin 25.0-30.0 m nin üzerine çıkmasına izin verilmemiştir. 3.2.4. Jeolojik Dayanım İndeksi (GSI) ve Tasarım Parametreleri Çalışma kapsamında gerçekleştirilecek sayısal analizler için gerekli kaya kütlesi parametrelerinin tayininde Jeolojik Dayanım İndeksi (GSI) kavramı (Hoek ve Brown, 1997; Hoek vd., 2013) dikkate alınmıştır. Bu amaçla; Hoek vd. (2013) tarafından önerilen GSI abağı kullanılmıştır. Buna göre süreksizlik özellik puanı 18, kaya kalite göstergesi (RQD) 60 değerleri dikkate alındığında; GSI = 1.5JCond 89 + RQD/2 eşitliğine bağlı olarak GSI değeri 57 olarak hesaplanmıştır. Sayısal analizlerin 8
gerçekleştirilmesi sürecinde kaya kütlesinin süreksizlik özellikleri göz önünde bulundurulduğunda; Hoek ve Brown (2002) yenilme ölçütü değerlendirilmiştir. Buna göre; çalışma kapsamında belirlenen tasarım parametreleri Çizelge 5 de verilmiştir. Çizelge 5. Çalışma kapsamında gerçekleştirilen sayısal analizlerde değerlendirilen tasarım parametreleri. Sayısal Analizlerde Kullanılacak Parametreler Örtü kalınlığı (m) 747 NATM kazı ve destek sınıfı B2 GSI değeri 57 m i değeri 10 Örselenme faktörü (D) 0.5 Hoek-Brown (2002) ölçütü dayanım parametreleri Deformasyon modülü (MPa) m b 1.290 s 0.0032 a 0.504 11221.77 4. SAYISAL ANALİZLER Çalışmaya konu olan kesimde; sayısal analizler ile denetlenecek tahkimat sistemi RMR ve Q sistemleri dikkate alınarak belirlenmiştir (Çizelge 6). Çalışma kapsamında gerçekleştirilen sayısal analizlerde sıfır deformasyon; sabit (x, y) sınır koşulları dikkate alınmış; modelin dış sınırı tünel çapının 5 katı mesafesinde olacak şekilde ayarlanmıştır. Sayısal analizlerin gerçekleştirildiği jeolojik ortam 6 düğümlü üçgenler (1655 adet sonlu eleman; 3380 adet düğüm) ile tanımlanmıştır. Çalışılan jeolojik ortama ait yerinde gerilme ölçümü bulunmamaktadır. Bu nedenle; Hoek (2003) tarafından yapılan öneri dikkate alınarak; çalışma kapsamında gerçekleştirilen sayısal analizlerde K=1 olarak alınmıştır. Gerçekleştirilen analizler; üst yarı ve alt yarı kazıları olmak üzere ayrı aşamalarda yapılmıştır. Bu kapsamda yapılan sonlu elemanlar analizlerinde analizlerin gerçekleştirildiği kesitin tünel aynasına olan mesafesi; 2 m dikkate alınmıştır. Buna göre; öncelikle kazı gerçekleştirilmiş; sonrasında püskürtme beton, çelik hasır, tekrar püskürtme beton ve son olarak kaya bulonu uygulaması yapılmış ve müteakiben deformasyon okumaları gerçekleştirilmiştir (Şekil 4 ve Şekil 5). Çizelge 6. Çalışma kapsamında gerçekleştirilen sayısal analizlerde uygulanacak tahkimat sistemi Tahkimat Miktar Özellik Elemanı Püskürtme beton 15 cm C20/25 Çelik hasır Tek sıra Q221/221 İlk aşamada 7.5 cm, çelik hasır ardından 7.5 cm Kaya bulonu 23 adet Çap 28 mm; uzunluk 4 m 11-12 sistematik; üst yarı 17; alt yarı 6 adet 9
5. SONUÇLAR Çalışmaya konu olan kesimde sayısal analiz ile hesaplanan en büyük yer değiştirme değeri 3.3 cm dir. Tünel aynasından 2 m mesafede yer alan kesitte gerçekleştirilen analiz sonucunda plastik bölgenin yarıçapı 6.4 m olarak tespit edilmiştir. Buna göre; Vlachopoulos ve Diederichs (2009) tarafından önerilen görgül ilişki dikkate alındığında tahkimat uygulanmadan önce gerçekleşmesi beklenen radyal yer değiştirme miktarı 1.7 cm olarak bulunmaktadır. Söz konusu radyal yer değiştirme değerlendirildiğinde tahkimatın; kaya kütlesi elastisite modülünün 500 MPa değerinin altına düşmeden uygulanması gerektiği anlaşılmaktadır. Sayısal analizler sonucunda hesaplanan deformasyonlar; alt yarı ve üst yarı kazıları ve tahkimat sisteminin uygulanmasına müteakiben ayrıca belirlenmiştir. Çalışılan kesimde; uygulanan tahkimat sonrasında tünel içerisinde tesis edilen deformasyon ölçüm istasyonlarında gözlenen deformasyon değerleri ile sayısal analiz sonuçlarına bağlı olarak belirlenen deformasyonlar karşılaştırılmıştır. Sayısal analiz sonuçlarına göre; üst yarı kazısında tavan, yan duvarlarda ve tabanda izlenen deformasyon değerleri sırasıyla 2.4 cm, 1.5-2.1 cm ve 3.3 cm olarak hesaplanmaktadır (Şekil 4). Yine; analiz kapsamında tahkimatın uygulanmasına müteakiben hesaplanan deformasyonlar 1.8 cm, 1.2-1.5 cm ve 3 cm olarak indirgenmektedir (Şekil 4). Benzer şekilde; alt yarı kazısının yapılmasına müteakiben hesaplanan deformasyonlar sırasıyla 1.8 cm, 1.8 cm ve 2.7 cm olarak bulunmaktadır (Şekil 5); yine alt yarı tahkimatının uygulanması sonrasında bu değerler 1.8 cm, 1.5 cm ve 2.4 cm ye düşmektedir (Şekil 5). Tünel içerisinde çalışılan kesimde burada ifade edilen tahkimatın uygulanmasına müteakiben yapılan deformasyon gözlemleri ile sayısal analiz sonuçlarının oldukça uyumlu olduğu anlaşılmaktadır; tünel yan duvarlarından alınan yerinde deformasyon ölçümleri 0.8 cm olarak saptanmıştır. Çalışma kapsamında; B2 NATM destek sınıflaması için radyal deformasyon toleransı 3-5 cm olarak kabul edilmiştir. Buna göre; gerçekleştirilen sayısal analizler dikkate alındığında; tünel güzergâhı boyunca çalışılan aralıkta tanımlanan kaya sınıfı için önerilen destek sisteminin; beklenen radyal deformasyon toleransı için yeterli olduğu anlaşılmaktadır. Şekil 4. Üst yarı kazısı ile oluşan deformasyonlar (a) ve üst yarı tahkimat sonrası deformasyonlarda gözlenen düşüşler (b); ölçümler m olarak verilmektedir. Şekil 5. Alt yarı kazısı ile oluşan deformasyonlar (a) ve alt yarı tahkimat sonrası deformasyonlarda gözlenen düşüşler (b) ; ölçümler m olarak verilmektedir. 10
6. KATKI BELİRTME Bu araştırma; Sn. Musa Gök ün Demirkapı Tüneli (Antalya) Km:34+705.05-35+95.50 arasında gerçekleştirmiş olduğu bitirme projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Araştırmacının proje kapsamında ilgili aralıkta kendi toplamış olduğu verilerin bu çalışma kapsamında değerlendirilmesi hususunda vermiş oldukları izin için; yazarlar Karayolları Genel Müdürlüğü 13. Bölge Müdürlüğü Bölge Müdür Yardımcısı Ökkeş Ceylan a teşekkür eder. 7. KAYNAKLAR Ayhan, M., Topal, N., 2005. Excavation and support design of the Dicle-Kralkizi water tunnel: an overview. Tunnelling and Underground Space Technology 20, 81-87. Barton, N., Lien, R., Lunde, J., 1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, 6, 189-239. Barton, N., 2002. Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 39, 185-216. Basarir, H., 2006. Engineering geological studies and tunnel support design at Sulakyurt dam site, Turkey. Engineering Geology 86, 225-237. Bieniawski, Z.T., 1989. Engineering Rock Mass Classifications. John Wiley and Sons, New York. Genis, M., Basarir, H., Ozarslan, A., Bilir, E., Balaban, E., 2007. Engineering geological appraisal of the rock masses and preliminary support design, Dorukhan Tunnel, Zonguldak, Turkey. Engineering Geology 92, 14-26. Hoek, E., 2003. Numerical Modelling for Shallow Tunnels in Weak Rocks. Unpublished notes. http://www.rocscience.com. Hoek, E., Carranza-Torres, C., Corkum, B., 2002. Hoek-Brown failure criterion - 2002 Edition. Proc. NARMS-TAC Conference, Toronto, 2002, 1, 267-273. Hoek, E., Carter, T.G., Diederichs, M.S., 2013. Quantification of the Geological Strength Index Chart 47 th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium, ARMA 13-672, San Francisco. I.S.R.M. (International Society for Rock Mechanics), 2007. In: Ulusay, R., Hudson, J.A. (Eds.), The Complete ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 1974-2006. TUKMD, Ankara, 628 pp. KGM, 2013. Karayolları Teknik Şartnamesi, Karayolları Genel Müdürlüğü,Ankara. Mahmoodzadeh, A., Zare, S., 2016. Probabilistic prediction of expected ground condition and construction time and costs in road tunnels. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 8 (5), 734-745. Özsan A., Başarır H., Yüceel S., Cücen Ö., 2009. Engineering geological evaluation and preliminary support design for the metro extension tunnel, Ankara, Turkey. Bulletin of Engineering Geology and the Environment 68, 397-408. Rabcewicz, L.,1964. http://www.eos.ubc.ca/courses/eosc547/lecture-material/rabcewicz-natm.pdf Riaz, A., Jamil S.M., 2016. Tunnel support design by comparison of empirical and finite element analysis of the Nahakki tunnel in mohmand agency Pakistan. Studia Geotechnica et Mechanica 38 (1), 75-85. Satıcı, Ö., Topal, T., 2015. Tünel Açma Yöntemlerinin Mühendislik Jeolojisi ve Kaya Sınıflama Sistemleri ile Değerlendirilmesi. Jeoloji Mühendisliği Dergisi 39 (1), 45-57. Toker, V., Sonel, N., Ayyıldız, T., Albayrak, M., 1993. Stratigraphy of the northern portion of Akseki and Üzümdere (Antalya) Vicinity. Geological Bulletin of Turkey, 36, 57-71. Vlachopoulos, N., Diederichs, M.S., 2009. Improved Longitudinal Displacement Profiles for Convergence Confinement Analysis of Deep Tunnels. Rock Mechanics and Rock Engineering 42 (2), 131-146. 11