DENİZALTI TÜNELLERİ VE TASARIM İLKELERİ

DENİZALTI TÜNELLERİ VE TASARIM İLKELERİ Hazırlayanlar: Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU Yük. Müh. Fatma Sevil MALCIOĞLU Dr. Müh. Burak GÖKÇE 06 Mart 2015 Yıldız Teknik Üniversitesi Davutpaşa Kongre ve Kültür Merkezi 1

BU ÇALIŞMANIN HAZIRLANMASINI VE SUNULMASINI DESTEKLEYEN YAPI MERKEZİ YÖNETİM KURULU ÜYELERİNE TEŞEKKÜR EDİLİR. ÇALIŞMADA SUNULAN MALZEMELER KAYNAK VERİLMEK SURETİYLE KULLANILABİLİR. SUNU ÇALIŞMASINDA YAPILAN AÇIKLAMALARDAN/GÖRÜŞLERDEN VE SAYISAL DEĞERLENDİRMELERDEN TAMAMEN HAZIRLAYANLAR SORUMLUDUR. ÇALIŞTIĞI KURUMU HERHANGİ BİR ŞEKİLDE BAĞLAMAMAKTADIR. Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU - ergin.arioglu@ym.com.tr Yük. Müh. Fatma Sevil MALCIOĞLU-fatma.malcioglu@ym.com.tr Dr. Müh. Burak GÖKÇE - burak.gokce@ym.com.tr 2

Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU - Sunucunun Kısa Özgeçmişi - İTÜ Maden Fakültesinden 1969 Haziran Döneminde Maden Y. Müh. olarak mezun oldu. Aynı üniversitenin Maden Mühendisliği Bölümünde Mart 2000 e kadar öğretim üyesi olarak akademik faaliyetlerini yürüten ve bu tarihte emekliye ayrılan Prof. ARIOĞLU akademik ve eğitim faaliyetlerini Yapı Merkezi Holding A. Ş. bünyesindeki AR GE Bölümü Koordinatörü olarak sürdürmektedir. Prof. ARIOĞLU nun toplam 18 adet ( 4 ü yabancı dilde İngilizce İspanyolca, Farsça) telif kitabı yayımlanmış 280 i aşkın makale, tartışma yazısı+ bildirisi mevcuttur. 100 ün üzerinde ülke sorunları üzerinde çeşitli gazete/dergilerde yayınlanmış makale ve söyleşinin sahibidir. Prof. ARIOĞLU 3 kez Prefabrik Birliği nce Bilimsel Çalışma Ödülü ne layık görülmüştür. Yapı Merkezi 2345 kgf/cm 2 7 Günlük Çok Yüksek Dayanımlı Beton Projesi ve 3000 kgf/cm 2 7 günlük Reaktif Pudra Beton Projesi nde proje koordinatörü olarak katılmıştır. Ayrıca, Yapı Merkezi bünyesinde 450 yi aşkın teknik / araştırma raporunun yazarı ve/veya ortak yazarıdır. 1994-2000 yıllarında TMMOB nin Maden Mühendisleri Odası İstanbul Şubesi Yönetim Kurulu Başkanlığını yürütmüştür. Yaklaşık 7 yıldan beri YTÜ İnşaat Mühendisliği bölümünde Tünel dersi vermektedir. (Ders notları YTÜ Ulaştırma Anabilimdalı ve Yapı Merkezi portalından temin edilebilir) ergin.arioglu@ym.com.tr http://www.ym.com.tr/kategori/73/1/tunel-ders-notlari.aspx 3

DENİZALTI TÜNEL PROJELERİNİN KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLERİ Projenin geometrik büyüklükleri (uzunluk ve eğim) hassas bir şekilde deniz tabanı morfolojisine denizel sedimanların kalınlığına ve özelliklerine ve sedimanla tünel üst kotu ile arasında kalan kaya örtüsü tabakasının kalınlığı, yerinde mekanik büyüklüğü ve permeabilitesine bağlıdır. Bazı durumlarda şartlar uygun olmadığı zaman, projenin geometrik uzunluğunu arttırarak zaman/para ekonomisini olumsuz etki etmektedir. Buna ek olarak, stabilite ve su gelirini önleme açısından, tünelin kemerlenme zarfının yüksekliği kaya örtü tabakasının asla geçmemesi gerekmektedir. Genellikle deniz yapısının varlığından dolayı, mühendislik jeolojisi/jeoteknik araştırmaların yoğunluğu ve proje bedeli cinsinden parasal tutarı kara tünellerine nazaran daha fazladır. Genelde kara tünellerinin mühendislik jeolojisi/geoteknik araştırmalar için sarfedilen toplam para proje bedelinin %1-3 arasında kalırken, denizaltı tünel projelerinde aynı araştırmaarın parasal tutarı deniz tabakasının kalınlığı ve tünel uzunluğuna bağlı olarak %3-7 arasında değişmektedir. Deniz altı projelerinde,deniz katmanın bulunmasının getirdiği zorluk nedeniyle gerekli sayıda sondaj ve numune alımı imkanlları limitli olmaktadır. Bu nedenle, deniz altı tünel çalışmalarında tünel ile birlikte ön pilot sondajların (her 30 m de bir sondajlarla) aktif aynanın önündeki kaya kütlesi tanımlanmakta ve jeolojik riskler (su geliri, zayıflık/fay zonları, gaz çıkışı vs.) belirlenebilmektedir. 4

DENİZALTI TÜNELLERİNİN GÜZERGAHINI BELİRLEYEN TEMEL PARAMETRELER Tünel stabilitesini ve su gelirini kontrol etmek (denizel çökel + kaya örtü) kalınlığının sağlanması deniz altı tünel projelerinin vazgeçilmez geoteknik verisidir. Bunun sağlamadığı durumlarda, şekilden açıkça görüldüğü üzere maksimum eğim ve tünel uzunluğu artmaktadır. Bilinmektedir ki, karayolu tünellerinde maksimum eğim % 5 ile %8 dir. Çökel Minimum kaya kalınlığı Minimum kaya kalınlığı Güzergahı belirleyen temel paraametreler Karayolunun proje eğimi Tünel stabilitesini sağlamak ve su gelirini önlemek için gerekli en az (denizel çökel + kaya örtü) kalınlığı Kaynak: Palmström, A., 2002. 5

Kaya Örtü Tabakası, h r (m) NORVEÇ DENİZ ALTI TÜNELCİLİĞİNDE ÖRTÜ TABAKASININ SU GELİRİNE ETKİSİ En büyük eğim Zemin Örtüsü Deniz Zayıflık Zonu Zemin Kaynak: Modified from Nilsen et al., 2012. Tünel Minimum Kaya Örtüsü Anakaya ya derilik (h w +h s ), m h w = su derinliği, m h s = çökel derinliği, m En büyük eğim No Proje Bitiş tarihi Anakaya Kesit, ΣL, h r,min, D max, m 2 km m m 1 Vardø 1981 Şeyl, Kumtaşı 53 2,6 28 88 2 Ellingsøy 1987 Gnays 68 3,5 42 140 3 Valderøy 1987 Gnays 68 4,2 34 145 4 Kvalsund 1988 Gnays 43 1,6 23 56 5 Godøy 1989 Gnays 52 3,8 33 153 6 Hvaler 1989 Gnays 45 3,8 35 121 7 Flekkerøy 1989 Gnays 46 2,3 29 101 8 Nappstraumen 1990 Gnays 55 1,8 27 60 9 Fannefjord 1991 Gnays 54 2,7 28 100 10 Maursund 1991 Gnays 43 2,3 20 92 11 Byfjord 1992 Fillit 70 5,8 34 223 12 Mastrafjord 1992 Gnays 70 4,4 40 132 13 Freifjord 1992 Gnays 70 5,2 30 132 14 Hitra 1994 Gnays 70 5,6 38 264 15 Tromsøysund 1994 Gnays 60 a 3,4 45 101 16 Bjorøy 1996 Gnays 53 2 35 85 17 Slöverfjord 1997 Gnays 55 3,3 40 100 18 North Cape 1999 Şeyl, Kumtaşı 50 6,8 49 212 19 Oslofjord 2000 Gnays 79 7,2 32 b 134 20 Frøya 2000 Gnays 52 5,2 41 164 21 Ibestad 2000 Mikaşist, granit 46 3,4 30 125 22 Bømlafjord 2000 Diyorit, gnays, fillit 74 7,9 35 260 23 Skatestraumen 2002 Gnays 52 1,9 40 80 24 Eiksundet 2007 Gnays,gabro, kireçtaşı 71 7,8 50 287 25 Halsnøy 2008 Gnays 50 4,1 45 135 26 Nordåsstraumen 2008 Gnays 74 a 2.6 c 15 19 27 Finnfast 2009 Gnays, amfibolit 50 5.7 + 1.5 44 150 28 Atlantic Ocean 2009 Gnays 71 5,7 45 249 a Çift tüp b Saha araştırmalarına göre en derin noktada kabul edilen kaya örtüsü c Deniz altında 40 m uzunluğunda dar geçiş Not: ΣL = toplam tünel uzunluğu, h r,min =minimum kaya örtüsü, D max = deniz altında maksimum derinlik 6

NORVEÇ DENİZALTI TÜNELCİLİĞİNDE TÜNEL UZUNLUĞU, KESİT ALANI VE ÖRTÜ TABAKASI KALINLIĞININ İSTATİSTİKSEL DEĞERLENDİRMESİ 0.25 0.4 X =4.2 m X =59 m 2 X =35 m 0.3 Frekans 0.2 0.15 0.1 0.05 Frekans 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Frekans 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tünel Uzunluğu (m) 0 43 52 61 70 79 Kesit Alanı, m2 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Minimum Örtü Kalınlığı (m) Ortalama Değer Standart Sapma, s Değişkenlik Katsayısı, V 4.2 m 59 m 2 35 m 1.8 m 11 m 2 8.5 m 44% 19% 24% (Not: X = Ortalama değer, s=standard sapma, V=değişkenlik katsayısı, V = 111 s X ) Kaynak: Yapı Merkezi Ar Ge Bölümü, 2015 (Ham veriler Nilsen et al., 2012. den alınmıştır.) 7

DENİZALTI TÜNEL PROJELERİNDE GEOTEKNİK ARAŞTIRMALARIN GİDERLERİ Araştırma Gideri, % % 100 % 10 % 1 % 0 A B C Denizaltı tünelleri 0,1 1 10 100 Tünel Uzunluğu, km Araştırma Sınıfının Tanımı Tünel projesine ilişkin istekler (b) C a 1 Düşük TBM (Tam cepheli tünel açma) Zorluk Derecesi (a) a 2 Orta a 3 Yüksek b 1 Düşük A A B b 2 Orta A B C b 3 Yüksek B C D A B C D Şekil Norveç delme + patlatma tünel açma pratiğinde önerilen araştırma gideri kazı masrafı= Delme + patlatma + yükleme + iksa, cinsinden ve tünel uzunluğu. Zorluk Derecesi: Tünel geçkisinin mühendislik jeolojisi açısından taşıdığı zorlukların derecesini ifade eder. Genel jeolojik koşullara ek olarak ayrışma zonların varlığı, hidro-jeolojik koşullar, tünelin sehim eğrisinin etki alanında yer alan köprü ayakları, binalar ve diğer alt yapılar vb. anılan faktör içinde düşünülmelidir. (Düşük, orta ve yüksek zorluk derecesi içinde değerlendirilebilir). Proje İstemleri: Bu öğe, doğrudan doğruya tünel kazısı sırasındaki genel stabilite, ve bununla ilintili olarak olası riskleri içerir. Keza, üç sınıf düşük, orta, yüksek ile ifade edilmiştir. Kaynak: LindstrØm ve Kveen, Norwegan Tunneling Society, Publication No: 15, p 75 74, 2005 ve Palmström ve Stille, 2011. 8

DENİZ ALTI TÜNELLERİNDE JEOFİZİK YÖNTEMLER SİSMİK YANSIMA-KIRILMA VE RESİSTİVİTE- Deniz altı tünellerinde jeofizik yöntemler sismik akustik, sismik yansıma-kırılma ve resistivite- yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Jeofizik yöntemler genelde tünel projesinin, Batimetri (eşdeğer deniz tabanı kontur planı) Sediman örtüsünün kalınlığı ve anakaya morfolojisi, Olası büyük süreksizlikler (faylar/zayıflık zonları ve fayların lokasyonu, yönelimi ve derinlik) Kaya birimlerinde boyuna kayma dalgası hız profilleri ile kaya kütlesinin tanımlanması (Q, RMR, Rmi) ve Vp=f(Q) ilişkisi ile kaya biriminin mühendislik tanımı Sismik Araştırma Gemisi Verici Alıcı Alıcı Deniz Denizde Sismik Yöntem Uygulaması Zemin Katmanı 1 Zemin Katmanı 2 Anakaya Jeofizik yöntemlerle elde edilen profiler kesinlikle geleneksel ve/veya yönelimli sondajlarla çıkartılan jeolojik profille korele edilmelidir. Kaynak: Nilsen et al., 2012 den değiştirilmiştir. 9

İSTANBUL BOĞAZINDA SİSMİK YANSIMA ÇALIŞMALARINA BİR ÖRNEK SİSMİK YANSIMA KESİTİ SİSMİK YANSIMA KESİTİNİN YORUMLANMASI Not: θ tabaka eğimlerini ifade etmektedir. Genelde suda boyuna hız dalga hızı 1000-1200 m/s (tuzluluğa ), zayıflık zonu, faylarda bu değer 1500-2500 m/s kaya kütle kalitesi arttıkça 3000 ile 6500 m/s arasındadır. Bu değer çok hassas bir şekilde derinlik ve porozite ile değişmektedir. Çatlakların yönelimi ile kontrol edilir. Vs / Vp oranı ise büyük ölçüde poisson oranı ve kaya kütlelerindeki çaylak sistemlerinin yönelimine ve derinliğe bağlı olarak 0.4-0.65 arasındadır. İstanbul Trakya formasyonunda ise, yazarların tecrübesine göre 0.6 dır. Kaynak: Birön, 1964 ve Uluğ ve diğ. 1989 dan değiştirilmiştir. 10

ULUSLARASI TÜNEL LİTERATÜRÜNDE KULLANILAN YAYGIN KAYA SINIFLANDIRMA SİSTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRMASI BARTON KAYA KÜTLESİ NİTELİĞİ (Q) SON DERECE İYİ PEK ÇOK İYİ ÇOK İYİ İYİ ORTA ZAYIF ÇOK ZAYIF ÇOK FAZLA ZAYIF SON DERECE ZAYIF BIENIAWSKI KAYA KÜTLESİ DEĞERİ(RMR) ÇOK İYİ İYİ ORTA ZAYIF ÇOK ZAYIF ÖNORM B 2203 Ekim 1994 Öncesi A1 STABİL A2 AŞIRI SÖKÜLEN B1 GEVREK B2 ÇOK GEVREK C1 BASKILI C2 ÇOK BASKILI L1 GEVŞEK ZEMİN YÜKSEK KOHEZYON L2 GEVŞEK ZEMİN DÜŞÜK KOHEZYON ÖNORM B 2203 Ekim 1994 Sonrası A1 SAĞLAM A2 SONRADAN AZ SÖKÜLEN B1 GEVREK B1 ÇOK GEVREK B3 TANELİ C1 DAĞ ATMA C2 BASKILI C3 ÇOK BASKILI C4 AKICI C5 ŞİŞEN A KAYA SINIFI -Stabil-Hafif Aşırı Sökülen kaya Kütleleri- Bu cins kaya kütleleri genellikle stabil olup elastik davranış gösterirler. Yerel destek uygulanmaması halinde, yer yer sığ göçükler meydana gelebilir. A kaya sınıfı kendi içinde A1 (Stabil) ve A2 (Sonradan az sökülen) olmak üzere iki tipe ayrılır. B KAYA SINIFI - Gevrek Kaya Kütleleri- Yapısal kenetlenme ve/veya çekme mukavemeti azlığından ötürü hızlı gevşeme ve ayrışmaya yatkındır. Hemen hemen tüm çevrede, boşluk civarındaki ikincil gerilmeler, kaya kütlesinin mukavemetini biraz aşmakta, bununla beraber bu zafiyet mekanizması içerilere ulaşmamaktadır.destek yapımının gecikmesi halinde artan çökmeler meydana gelir. B kaya sınıfı kendi içinde B1 (Gevrek), B2 (Çok Gevrek) ve B3 (Taneli) olmak üzere üç tipe ayrılır. C KAYA SINIFI -Baskılı Kaya Kütleleri- Genellikle, kaya basıncının yeniden dağılımı süreci ve/veya deplasman sınırlamaları sonunda oluşan gerilmelerin kaya dayanımından daha büyük olduğunu göstermektedir. Kaya kütlesinin aşırı gerilmelere maruz kalması ile kabuk atma, burkulma, kesme ve boşluğa doğru plastik hareket gibi zafiyet mekanizmaları oluşur. Kaya kütlesinin plastisite ve viskozitesi, zamana bağlı belirgin deformasyon davranış göstermesine ve sonuçta büyük deformasyonlara yol açar. Kaya zati ağırlık yüklerinin aktif hale geçmesi ve önemli miktarda gevşeme basıncı, sadece büyük deformasyonlara izin verildiğinde meydana gelir. Bu durum kaya kütlesine zarar verecek derecedeki gevşeme ve ayrışma, kaya dayanımında büyük miktarda azalmaya yol açar. Açılan boşluktaki büyük deformasyonlar ve uzun dönemde zamana bağlı deplasman davranışı, zeminin elastik olmayan, plastik ve viskoz davranışına bağlıdır. Çatlamaya veya dökülmeye eğilimli kaya kütleleri ve şişme özelliği gösteren bileşenleri olan kaya kütleleri bu gruba girer. Bu grup, aynı zamanda ayrışmış veya bozuşmuş kayalar, gevşek zemin ve organik zeminler gibi kaya kütlelerini kapsamaktadır. Kaya kütlesinin düşük özellikleri nedeniyle kohezyon miktarına ve/veya gevşeme basıncını takiben aşırı gerilmelere bağlı olarak, elastik veya plastik aşırı gerilme oluşur. C kaya sınıfı kendi içinde C1 (Dağ Atma), B2 (Baskılı), C3 (Çok Baskılı), C4 (Akıcı) ve C5 (Şişen) olmak üzere beş tipe ayrılır. Kaynak: Yüksel Proje, 2007 den özetlenmiştir. 11

Q SİSTEMİNE GÖRE SONDAJ KAROTLARININ ÖRNEK GÖRÜNÜMLERİ Yüksek derecede ayrışmış granit Tabakalanmış kireçtaşlı şeyl Q range 0.8-0.9 Kısmen altere olmuş -ayrışmış- tüf. Q range 0.1-0.3 İyi kaliteli granit. Q range 5 25 Şişen killi zayıflık zonu numunesi (Finnfast denizaltı tüneli) Q range 0.01(eksi değer) 0.02 Siyah şeyl /Ezilmiş zon (Rogfast Denizaltı tüneli ) Q range 0.01 0.3 Kaynak: NFF, 2014 den değiştirilmiştir. 12

SU DERİNLİĞİNİN MİNİMUM KAYA KALINLIĞI İLE DEĞİŞİMİ Tünel Zayıf kaya formasyonu: Yerinde basınç dayanımı düşük İçsel sürtünme açısı: 15 30 Jeolojik dayanım indeksi GSI =10 30 Yerinde taşıma kapasitesi düşük Su Derinliği, m İyi kaya formasyonu: Yerinde kaya mukavemeti yüksek İçsel sürtünme açısı: 30 45 Jeolojik dayanım indeksi GSI= 60-90 Yerinde taşıma kapasitesi yüksek Minimum kaya kalınlığı, m Örnek: Su derinliği 100 m olan karayolu tünelinde stabilite açısından minimum kaya kalınlığı iyi ve zayıf kaya formasyonunda sırası ile 35 m ve 52 m olmaktadır. Kaynak: Palmström, A., 2002. 13

AÇILAN TÜNELİN KEMERLENME YÜKSEKLİĞİNİ BELİRLEYEREK DENİZ TABANININ YAKLAŞMA KRİTİK MESAFESİNİN KESTİRİMİ Maksimum Kaya Tavan Basıncı, P t,max P t,mmm = γ B K ttt φ Kemerlenme Açıklığı, B B = L t + H t ttt 44 φ 2 Kemerlenme yük veren Yüksekliği, h t h t = Formül Terzaghi nin "kemerlenme yaklaşımı" 'ndan çıkarılmıştır. Burada H t ve h t büyüklüklerinde kaya kütlesinin kohezyon değeri, c=0 alınmıştır. Başka bir anlatımla, kaya formasyonunun kayma dayanım büyüklüğü sadece ϕ açısından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, elde edilen değerler daima güvenli taraftadır. Etki açıklığını tarifleyen ifade de, H t tünel yüksekliği sadece zayıf dayanımlı/çok çatlaklı kaya kütleleri için geçerlidir. Diğer bir deyişle, tünel yüksekliği, H t, RMR = 0 ile 40 arası için geçerlidir. Kaya kütlesi iyileştikçe sadece yük veren yüksekliği, h t açıklığın fonksiyonu olmaktadır. 14 B ttt φ Zemin/Kaya kütlesinin İçsel Sürtünme Açısı, φ φ = 22 + 0. 22222 γ=zemin/kaya kütlesi birim hacim ağırlığı (~2.65 t/m 3 tortul kayaçlar için-) K=Kemerlenme zarfı içinde yatay gerilmenin düşey gerilmeye oranı (σ y σ d ) (K 1 alınır), L t =Tünel kazı açıklığı, m H t =Tünel kazı yüksekliği, m RMR=Kaya kütle sınıflandırma puanı (Bieniawski, 1976 ve 1979) h r =Kaya örtü kalınlığı, m Kaynak: Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015. sssssssss iiii h t < h r ooooooooo

Kemerlenme yük veren Yüksekliği, h t (m) AÇILAN TÜNELİN KEMERLENME YÜKSEKLİĞİNİ BELİRLEYEREK DENİZ TABANININ YAKLAŞMA KRİTİK MESAFESİNİN KESTİRİMİ (H t =6.25 m için) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 L t + H t ttt 44 φ 2 h t = ttt φ h r = 33 m Kaya Tavan Basıncı, Pt (t/m 2 ) 130 125 120 115 110 105 100 95 90 85 P t,mmm = γ B K ttt φ γ=2.65 t/m 3 tortul kayaçlar için- K 1 L 80 t = 12 m L t = 11 m 75 L L t = 10 m 70 t = 12 m L t = 9 m L 65 t = 11 m L t = 8 m L t = 10 m L 60 t = 7 m L t = 9 m L t = 6 m 55 L t = 8 m 50 ÇOK L t = 7 m ÇOK ZAYI F 45 ZAYI F ZAYI F L t = 6 m ZAYI F 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 RMR Kaynak: Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015. 15 0 5 10 15 20 25 30 35 40 RMR

KURU VE SUYA DOYGUN KİLLİ TORTUL TAŞ NUMUNELERİN BASINÇ /YARMA-ÇEKME VE ELASTİSİTE MODÜLÜ ARASINDAKİ İSTATİSTİKSEL İLİŞKİLER İlişki Sınır Aralığı Basınç Dayanımı Yarma-Çekme Dayanımı σ lll,s = 0. 333 σ lll,k 2. 44 (n=31, r= 0,888) σ lll,s σ lll,k = 0. 111σ lll,k + 22. 33 (n=31, r= 0,423) σ yy,s = 0. 44 σ yy,k 0. 66 (n=30, r= 0.818) σ yy,s σ yy,k = 2. 99σ yy,k + 11. 22 (n=30, r= 0.545) 7 MPa < σ lab,k <140 MPa 1 MPa < σ lab,s <66 MPa 2 MPa < σ yç,k <13 MPa 0 MPa < σ yç,s <7.2 MPa Elastisite Modülü E s = 0. 44 E k 222. 99 (n=25, r= 0.812) E s E k = 0. 000E k + 22. 11 (n=31, r= 0,423) n=istatistiksel ilişkide kullanılan numune sayısı, r= regresyon katsayısı Kaynak: Yapı Merkezi Ar Ge Bölümü, 2008. 16 1000 MPa < E k <18000 MPa 0 MPa < E s <11000 MPa

KURU VE SUYA DOYGUN KİLLİ TORTUL TAŞ NUMUNELERİN BASINÇ /YARMA-ÇEKME VE ELASTİSİTE MODÜLÜ ARASINDAKİ İSTATİSTİKSEL İLİŞKİLER -devamı- Kuru numunenin tek eksenli basınç dayanımı (σ lab,k ) arttıkça suya doygun numunenin basınç dayanımı (σ lab,s ) da artmaktadır. Bu artış lineer bir istatistik modelle temsil edilebilir. Suya doygun numunenin kuru numuneye basınç dayanımı oranı (σ lab,s σ lab,k ) ile, kuru numunenin tek eksenli basınç dayanımı, σ lab,k arasında kuvvetli bir istatistiksel ilinti elde edilmemiştir. Bünyesinde önemli miktarda kil içeren silttaşı, çamurtaşı ve marn gibi sedimenter kayaçlarda suya doygun numune/kuru numune tek eksenli basınç dayanımı oranının aritmetik ortalaması yaklaşık %27 bulunmuştur. Su içeriğinin bu tür kayaçların mekanik dayanımları üzerindeki etkisi çok büyüktür. Bu nedenle, bu tür kayaçlar içinde açılacak tünellerde su gelirinden kaynaklanan suyun etkisi özenle gözetilmelidir. Tek eksenli basınç dayanımı olduğu gibi kuru ve suya doygun numunelerin yarma çekme dayanımı arasında anlamlı bir istatistiksel ilişki mevcuttur. Suya doygun numunenin yarma çekme dayanımının, kuru numuneninkine oranı (σ yi,s σ yi,k ) ile kuru numunenin yarma çekme dayanımı ( σ yi,k ) arasında zayıf lineer bir istatistiksel bir ilinti bulunmuştur. Bileşiminde önemli miktarda kil içeren silttaşı, çamurtaşı ve marn gibi sedimenter kayaçlarda suya doygun numunenin, kuru numune yarma çekme dayanımı oranının aritmetik ortalaması %27 olmaktadır. Kuru ve suya doygun numunelerin elastik modülleri (E k ve E s )arasında anlamlı bir istatistiksel ilişki mevcuttur. Suya doygun numunenin, kuru numunenin elastik modülüne oranı, kuru numunenin elastik modülünden bağımsız olduğu söylenebilir. Bileşiminde önemli miktarda kil içeren silttaşı, çamurtaşı ve marn gibi sedimenter kayaçlarda suya doygun numunenin kuru numune elastik modülüne oranının aritmetik ortalaması %35 olmaktadır. (Söz gelimi diğer kayaçlarda anılan oran %50 - %80 aralığında değer almaktadır). Kaynak: Yapı Merkezi Ar Ge Bölümü, 2008. 17

TÜNEL PROJELERİNDE RİSK TANIMI Mühendislik projesinde genel olarak risk, bir projeye maddi manevi olarak olumsuz etki edecek bir etkenin gözlenen olasılığının o faktörün kontrol edilemediği durumda yol açacağı maddi ve manevi zararın parasal boyutu ile çarpımıdır. Kısaca; R = O Z ile ifade edilir. Sözgelimi, arın-tavan stabilitesi bakımından olumsuz bir durum karşısında mühendis riski, değişik teknik önlemler ile kontrol ederek azaltabilir. Örneğin, arın iksasının rijitliğini arttırabilir ve/veya enjeksiyon yapmak suretiyle zemin / kaya kütlesinin yerinde mekanik büyüklüklerini özellikle kohezyon, içsel sürtünme açısını arttırarak stabiliteyi daha iyi hale getirebilir. Eğer sığ bir tünel (orta kalınlığı 3xKazı Çapı) sözkonusu ise, bu işlemlere ek olarak da tasman eğrisinin etkisi altında kalan önemli binaları geçici olarak boşaltabilir. Tüm bu önlemler sonucunda başta varolan riskin nasıl azaltılacağı aşağıda verilen risk abağında gösterilmektedir. Unutulmamalıdır ki, projede "kalıntı risk" daima mevcuttur. Oluşma derecesi Olasılık yüzdesi 1 Çok düşük İhmal edilebilir < 1 2 Düşük Uzak olasılık > 1 3 Orta Mümkün > 10 4 Yüksek Yüksek olasılık > 50 5 Çok yüksek Hemen hemen kesin > 90 Kaynak: Kovari veramoni, 2006 ve Tunnel Design Guide, BTS, London, 2004. 18

TÜNEL PROJELERİNDE RİSK TANIMI Etki Düzey Maliyet Zaman Saygınlık Kaybı 1 Çok Düşük İhmal edilebilir İhmal edilebilir 2 Düşük Belirgin > 1% Proje maliyeti 3 Orta Ciddi > 5% Proje maliyeti 4 Yüksek Projenin geleceğine etkili / İşveren İlişkilerinde hukuksal sorunların başlaması 5 Çok Yüksek Projeyi ciddi ölçüde tehdit etmesi > 10% Proje maliyeti > 50% Proje maliyeti Proje süresine etkisi yok > 5% Proje süresi > 10% Proje süresi > 25% Proje süresi > 50% Proje süresi İşyeri Güvenliği ve Sağlığı Çevresel Yok İhmal edilebilir İhmal edilebilir Düşük düzeyde kayıp Lokal basın / iş ilişkilerinde etkili Ulusal basında projenin tartışmaya açılması / iş ilişkilerine büyük ölçüde etkimesi Ulusal boyutta firmanın saygınlık kaybı / iş ilişkilerinde ciddi sarsılmalar Minor yaralanma Önemli yaralanma Can kaybı Çoklu can kaybı Minor çevresel hasar Çevresel hasar yöntemi gerekli Önleyici Tedbirlerin alınması Kamusal sağlık açısından veya ulusal kaynak korumasında geri dönülmez etkiler Kaynak: Tunnel Design Guide, BTS, London, 2004. 19

TÜNEL PROJELERİNDE RİSK SKOR MATRİSİ Kaynak: Tunnel Design Guide, BTS, London, 2004. 20

NORVEÇ TÜNELCİLİK PRATİĞİNDE İŞ SAHİBİ YAPIMCI FİRMA RİSK PAYLAŞIMI Tünelcilik ve yeraltı çalışmaları kaçınılmaz bir şekilde belli bir "risk" içermektedir. Tünel endüstrisinde, farklı sözleşme tipleri için risklerin dağılımı da farklılık göstermektedir. Norveç tünelcilik pratiğinin, müteahhit firmanın riskini, iş sahibininkinden biraz daha az tutarak, "en düşük proje maliyetini " ürettiği görülmektedir (İş sahibi (devlet), tünel projesinin güzergahının mühendislik jeolojisi ve geoteknik çalışmalarını gerçekleştirerek nihai rapor hazırlar. Bu rapor, işe talep eden yapımcı firmaların bilgisine sunulur. Projeyi gerçekleştiricek olan firma da gerekdiği durumda, ek sondaj çalışmalarıyla kendi bütçesiyle yapabilir ve sonuçlarını da iş sahibi ile paylaşır.) İş Sahibinin Riski Anahtar Teslim Müteahhait Firmanın Riski Proje Maliyeti Maksimum Maliyet Norveç Tünel Pratiği Peşin Ödeme Sabit Fiyat Peşin Ödeme Fiyat Artışı Hedef Değer Maliyet İadesi En düşük Maliyet Kaynak: Broch et al., 2008 den değiştirilmiştir.. 21

DENİZ ALTI TÜNELCİLİĞİNDE KAZININ (DELME + PATLATMA) YÖNTEMİ İLE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Tünellerin, (Delme + Patlatma) yöntemi ile gerçekleştirilmesi işleminin başlıca aşamaları aşağıdaki çevrim modelinde verilmektedir. Delme Patlayıcının Doldurulması Patlatma Bulonlama + Püskürtme Beton Kavlama Havalandırma Yükleme + Taşıma Kaynak: Sandvik Tamrock Corp.,1999 dan değiştirilmiştir. 22

KESİT ALANINA BAĞLI OLARAK BİRİM PATLAYICI MİKTARININ BELİRLENMESİ 45 mm ve 64 mm çaplı delik için planlanan tünel kesit alana bağlı olarak, birim kazı hacmi için patlayıcı miktarı aşağıdaki abaklar aracılığı ile belirlenebilir (Patlayıcı cinsi = ANFO). Delik uzunluğuna ve tecrübe seviyesine bağlı olarak, abaktan okunan patlayıcı miktarı düzeltilmelidir. Ø45 mm delik Ø64 mm delik Düşük Tecrübe Yüksek Tecrübe Düşük Tecrübe Yüksek Tecrübe kg/m 3 Delik Uzunluğu, m kg/m 3 Delik Uzunluğu, m Zayıf Kazılabilirlik Zayıf Kazılabilirlik İyi Kazılabilirlik İyi Kazılabilirlik Kesit Alanı, m 2 Kaynak: Zare et al., 2006 dan değiştirilmiştir.. (Patlayıcı cinsi = ANFO) 23 Kesit Alanı, m 2

KAYA KÜTLE KALİTESİNE GÖRE İKSA SEÇİMİ Açıklık yada Yükseklik, m ESR Kaya Kütlesi Kalitesi Faktörü, Q Saplama Uzunluğu, ESR=1 1- Tahkimatsız 2- Nokta saplama, sb 3- Sistematik saplama, B 4- Sistematik saplama (Güçlendirilmemiş püskürtme beton, 4-10 cm B(+S) 5- Lifle güçlendirilmiş püskürtme beton (5-9 cm) ve saplama, Sfr+B 6- Lifle güçlendirilmiş püskürtme beton (9-12 cm) ve saplama, Sfr+E 7- Lifle güçlendirilmiş püskürtme beton (12-15 cm) ve saplama, Sfr+E 8- Lifle güçlendirilmiş püskürtme beton (>15 cm) saplama ve çelik çubuklarla güçlendirilmiş, Sfr, RRS+B 9- Yerinde beton kaplama, CCA Kazı Çeşidi ESR Tavsiye edilen ESR A Geçici kazı açıklığı ca.2-5 ca. 2-5 B Kalıcı kazı açıklıkları,hidrogüç için su tünelleri(yüksek basınçlı borular hariç), servis tünelleri, geniş kazılar için galeriler. 1.6 1.6-2.0 C Yeraltı atık boşuları, su dağıtım şebekeleri, tali yollar ve demiryolu tünelleri, denge odası, ulaşım tüneli. 1.3 0.9-1.1 (depo boşlukları 1.2-1.3) D Enerji santralleri, anayollar ve demiryolu tünelleri, sivil savunma odaları, portal geçişleri 1.0 Anayollar-demiryolu tünelleri 0.5 to 0.8 E Yeraltı nükleer güç santralleri, demiryolu istasyonları, kamu ve spor tesisleri,fabrikalar. 0.8 0.5-0.8 1993 yılında yayınlanan ESR tablosu, 1970 ve 1980 lerde düzeltildi. Fakat, dünya çapında ve Norveçte güvenlik istemi artmaktadır. Özellikle de, 1970 lerde küçük kayaparçalarının düşmesinin kabul edildiği tali yol tünellerini kapsayan ulaşım tünnelerinin daha güvenli olması beklenmektedir ve bugünlerde, artık herhangi bir kaya parçasının düşüşüne izin verilmemektedir ve ESR = 1 olarak kabul edilmektedir. Yeraltı atık boşluklarından daha önemli olan ve pahalı ekipmanları içeren su dağıtım şebekeleri için ise ESR = 0.9-1.1 alınması tavsiye edilmektedir. Anayolar ve demiryolları için, ESR = 0.5-0.8 kabul edilmektedir. Kaynak: NFF, 2014 den değiştirilmiştir. 24

Q SİSTEMİNE GÖRE ÇELİK LİFLE GÜÇLENDİRİLMİŞ PÜSKÜRTME BETON KALINLIĞI VE KAYA BULONLARI ARASINDAKİ YERLEŞİM MESAFESİ Püskürtme beton kalınlığı (Sfr), m Kaya Kütle Kalitesi artar Q, kaya kütle kalitesi faktöründeki artış, daha az kalınlıkta püskürtme beton ihtiyacını göstermektedir. Diğer bir deyişle, beklendiği gibi, kaya kütlesinin kalitesi düştükçe, daha kalın püskürtme beton, açık deyişle daha rijit kaplama gerekmektedir. Püskürtme beton alanında bulon aralığı, m Kaya Kütlesi Kalitesi Faktörü, Q Kaya Kütle Kalitesi artar Zayıf kaya kütlelerinde, bulonlar daha sık olarak düzenlenirken, kaya kütlesinin kalitesinin artması ile birlikte, diğer bir deyişle Q faktördeki artış ile, bulonlar daha seyrek olarak düzenlenmektedir. Kaynak: NFF, 2014 den değiştirilmiştir. Kaya Kütlesi Kalitesi Faktörü, Q 25

Q KAYA FAKTÖRÜNE GÖRE İKSA ÖN BOYUTLANDIRMASI Sınıf Kaya Kütle Kalitesi İyi Orta Zayıf Çok Zayıf Kaya Derecesi Orta Ağır Zon Boyutu Küçük Orta (x) Geniş (x) 1. KAYA GERİLME PROBLEMİ OLMAYAN KAYA KÜTLELERİ Ekstra Kaya Bulonları (nos/10 m 2 ) PÜSKÜRTME BETON (mm kalınlık ve % / m) BETON KAPLAMA Kavlama Duvar Tavan Duvar Tavan % / m (sa/atım) Yaklaşık Q değeri 2. PATLAMA VE DÖKÜLME PROBLEMLİ KAYA KÜTLELERİ 3. ZAYIFLIK ZONU VE FAYLAR (x) Orta Zayıflık Zonu : Kalınlık m; Geniş Zayıflık Zonu : kalınlık > m Zayıf kaya kütlesi kalitesindeki kaya iksası ile karşılaştırıldığında küçük zayıflık zonu (kalınlık < 1m) Tavan Uzunluğu = 14 m Çalışma Zamanı 2 vardiya/gün 10 sa/vardiya 10 vardiya/hafta Tünel Verisi 4.5 m kazılan delik uzunluğu 90% ilerleme/atım 1.5 atım/vardiya h duvar = 4 m Kesit Alanı = 75 m 2 İksa Kapasiteleri Ekstra Kavlama Lifli Püsk. Beton Kaya Bulonları 2 adam/vardiya 5 m 3 /vardiya arında yerleşen- (5 m 3 /saat -yerleştikten sonra-) 10 bulon/sa-arında montajlanan-(15 bulon/sa -montaj sonrası-) Açıklık = 10 m Beton Kaplama 0.15 m/sa -arında-(0.2 m/hour -montaj sonrası-) Kaynak: Palmström, 1996 dan değiştirilmiştir.. 26

ZAYIF KAYA KÜTLESİ DURUMUNDA TÜNEL KAZISI BOYUNCA KAYA İKSA TAHKİMATI ÖRNEĞİ-KARMSUND TÜNELİ - A. PATLATMADAN HEMEN SONRA B. PÜSKÜRTME BETON 1 Arın Pasa Beton Kaplama Kazı Makinesi Hazır beton makinesi D. PÜSKÜRTME BETON 2 C. PASANIN ÇIKARILMASI E. BİR SONRAKİ PATLATMA ÖNCESİ BETON KAPLAMA Karmsund Tüneli Formasyon: 200-300 m kalınlığında kumtaşı En derin noktada (180 m) kaya örtüsü kalınlığı = 50 m Kaynak:Palmström ve Naas dan değiştirilmiştir. 27

ÇELİK ÇUBUKLARLA GÜÇLENDİRİLMİŞ PÜSKÜRTME BETON Çelik Çubuklarla Güçlendirilmiş Püskürtme Beton Çelik Çubuklarla Güçlendirilmiş Püskürtme Beton National Theater railway station,oslo Çelik Donatı Şekil değiştirmiş donatılar Çelik Çubuk Donatılar Kaya bulonları 1. Tabaka Püskürtme Beton 2. Tabaka Püskürtme Beton 0.1 den daha küçük Q faktörü değerlerinde (aşırı derecede zayıf kaya kütlesi), fazla kazı, düşük bekleme süresi ve önemli derecede erken deformasyonlar meydana gelmesi muhtemeldir. Bu tip durumlarda, çelik setlerin kullanımından kaçınılmalıdır. Bunun nedeni, eğer hızlı bir şekilde bulonlama ve/veya püskürtme beton uygulaması gerçekleştirilmezse, göreceli olarak büyük kaya blokları zayıflayacak ve düşecektir. Ayrıca, tünel deformasyonları da etkin şekilde kontrol edilmektedir. Çelik çubuklar -donatılarile güçlendirilmiş püskürtme beton, bu tip problemlerin çözümü olarak geliştirilmiştir. Kaynak: Grimstad et al., Barton, 2013 ve Chudzikiewicz et al., 2003 den değiştirilmiştir. 28

TÜNELLERDE DÜŞEY/YATAY YERDEĞİŞTİRMELERİN KESTİRİMİ Tayvan tünel projelerinde elde edilen yerinde ölçmelerin sonucuna göre, düşey hareket ( ) basit olarak, AAAAAAA m Q, mm ile ifade edilmektedir (Chen ve Kuo, 1997). Data genellikle zayıf dayanımlı/ayrışmış kaya kütlelerini içermektedir. Barton, 1998, tünel içi düşey ( d ) /yanal ( y ) yer değiştirmeyi, aşağıdaki şekilde ifade etmektedir. d mm 0. 00 L t Q σ z σ b,lll 0.5 y mm 0. 00 H t Q σ y σ b,lll 0.5 Burada, L t ve H t, mm cinsinden tünel açıklığı ve yüksekliğini ifade eder. σ z ve σ y (MPa) ise yerinde düşey ve yatay gerilmelere karşı gelmektedir. σ b,lll (MPa) ise sağlam kayanın tek eksenli basınç dayanımıdır. Kaynak: Barton, 2002. 29

TÜNELLERDE DÜŞEY/YATAY YERDEĞİŞTİRMELERİN KESTİRİMİ Tünel cidarının mutlak düşey (D d ) ve yanal (D h ) yer değiştirmesi (Barton, 2002), D d mm 0. 00 L t Q D y mm 0. 00 H t Q 0.5 σ z σ yy 0.5 σ y σ yy Düşey basınç, σ z σ z = γγ, MMM γ=0.00265 kg/cm 3 alındığında; σ z = 0. 000000, MMM Yatay Basınç, σ y σ y = K σ z, MMM Gerilme Oranı, K Yerinde basınç dayanımı, σ yy Z= tünel aks derinliği, m γ=kaya kütlesi birim hacim ağırlığı, σ yb = kaya kütlesinin tek eksenli basınç dayanımı, MPa σ b,lab =sağlam kayanın tek eksenli basınç dayanımı, MPa Q= kaya kalitesi faktörü, Q c =Normalize edilmiş kaya kalitesi faktörü ve aşağıdaki gibi tanımlanır, Q c = Q σ b,lll 111 Kaynak: Barton, 2002. K = σ y σ z (K = 1 iii hhhhhhhhhhh bbbbbb, K 1 iii aaaaaaaaaaa bbbbbb) σ yy 55Q c 0.333 γ=2.65 t/m 3 alındığında; σ yy 5 2. 66 30 Q σ b,lll 111 0.333 σ yy 2.86 Q σ b,lll 0.333, MMM

TÜNELLERDE DÜŞEY/YATAY YERDEĞİŞTİRMELERİN KESTİRİMİ İÇİN SAYISAL ÖRNEK Verilenler: Tünel Çapı, D = 8 m Tünel aks derinliği, Z = 125 m Q faktörü, Q = 0.85 Tek eksenli basınç dayanımı laboratuvar - σ b,lll = 35 MPa Kaya kütlesi birim hacim ağırlığı, γ = 2.65 t/m 3 Düşey yer değiştirmeleri hesaplayınız. Çözüm Düşey gerilme, σ z = γ Z = 0. 0000 111 = 3. 3333 MMM Düşey Yer Değiştirme d mm 0. 00 8888 0. 88 3. 3333 33 0.5 22 mm 3. 0 cc Kaya kütlesinin tek eksenli basınç dayanımı σ yy 2.86 0. 88 33 0.333 8. 88 MMM Düşey Mutlak Yer Değiştirme D d mm 0. 00 8888 0. 88 3. 3333 8. 88 0.5 55. 6 mm 6. 0 cc Kaynak: Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015. 31

KAYA KÜTLESİNİN PERMEABİLİTE KATSAYISI KAYA KÜTLE ÖZELLİKLERİ ARASINDAKİ İLİŞKİ Genel: Barton, 2002 ye göre permeabilite katsayısı, 1 1 1 L = = Q σlab,b RQD J J σ c r w lab,b Q. x x 100 J J SRF 100 100.J.J.SRF n a -7 L =, Lugeon, 1 Lugeon 10 m / sn RQD.J. J. σ r w lab,b RQD= Kaya kütlesi göstergesi, % (0 < RQD < 100%) J n, J r, J a, J w = Çatlak seti sayısı, çatlak pürüzlülük durumu, çatlakların alternasyonu-ayrışması- ve su geliri/ basıncı ile ilintili faktör SRF= Gerilme azaltma faktörü n ( ) σ lab,b = Sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı, MPa. a İfadeden görüleceği üzere permeabilite değeri, kaya kütlesini tanımlayan temel özelliklerden J n, J a, SRF ile doğru orantılı RQD, J r, J w ve σ lab,b ile ters orantılıdır. L ve V p büyüklüklerinin basınç dayanımına indirgenmiş Q c faktörü ile değişimleri izleyen şekilde verilmiştir (Barton, 2002). (Şekilde yer alan semboller: V p = Basınç P dalgasının ortamda yayılma hızı, km/sn, E y = Yerinde elastik modül) Kaya permeabilite katsayısına bağlı olarak çatlak koşullarının değerlendirilmesi aşağıdaki çizelgede belirtilmiştir (Look, 2007). Lugeon Eğer GSI olarak kaya kütlesi tanımlanmış ise aşağıdaki istatistiksel ilişkiler yardımıyla Q ve Qc değerleri bulunabilir. Ve Barton, 2002 abağından kaya kütlesinin permeabilite katsayısı Lugeon cinsinden kestirilebilir. GSI= RMR 5 RMR= GSI + 5 RMR> 23 (Hoek vd. 1995) (Barton 1995; 2000) Çatlak koşulu <1 Kapalı veya çatlaksız 1 5 Küçük çatlak açıklıkları 5 50 Bazı açık çatlaklar > 50 Çok açık çatlak Q 11 RRR 55 11 Q 11 RRR 44 11 Q c 11 GGG 44 11 σ lll,b 111 σ lll,b < 111 MMM iii (σ lab,b = Sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı,mpa) Kaynak: Yapı Merkezi Ar Ge Bölümü, 2008. 32

KAYA KÜTLESİNİN SU GEÇİRGENLİĞİNİN LUGEON DEĞERİ İLE TANIMLANMASI V p Q c = Q σ cc 111 Not: 1Lugeon = 10-7 m/sn, Q=Q kaya kütle sınıflandırma sisteminde faktör Q c =Normalize edilmiş Q faktörü, σ ci =sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı, MPa Q c 1 Lugeon, 1 MPa (10 bar) lık basınç altındaki 1 metrelik sondaj logunun, dakikada litre cinsinden su kaybı olarak tanımlanmaktadır. Sol da verilen abak, Lugeon değeri, normalize Q faktör (Q c ) ve sismik P dalgası hızı arasındaki ilişkiyi vermektedir. Bu ilişkinin tanımlanmasında iki farklı düzeltme yapılması gerekebilir. Derinlik Düzeltmesi Bilindiği gibi, geçirgenlik, K, artan derinlikle azalmaktadır. Böylece, Lugeon değerlerinin tünel üzerindeki örtü tabakasının kalınlığına bağlı olarak düzeltilmesi gerekmektedir. Porozite düzeltmesi Kaya kütlesinin porositesi %1 den büyük ise, Lugeon değerine ve normalize Q faktörüne porosite düzeltmesi uygulanması gerekir. Kaynak: Barton, 2002 ve Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015. 33

KAYA KÜTLESİNİN PERMEABİLİTE KATSAYISININ BELİRLENMESİNDE DİĞER BİR AMPİRİK YAKLAŞIM Derinlikteki artış ile, kaya kütlesinin geçirgenliği azalmaktadır. Bu durum, su dolaşımını arttıran açık çatlakların yanal basınç etkisiyle kapanması açıklanabilir. Literatürde verilen belli başlı K=f(Derinlik) istatistiksel ilişkileri aşağıda topluca verilmiştir. Denklem K = az b llll = 8. 9 1. 6666666 34 Kaynak ve Açıklamalar Black (1987) a and b = regresyon sabitleri z= yeraltı suyu seviyesinden itibaren düşey derinlik, m Snow (1970) K = permeabilite katsayısı, ft 2 z = derinlik, ft K = 11 1.66666+4 Carlson and Olsson (1977) z = derinlik, m K = K s e AA llll = 5. 55 + 0. 3333333 0. 999 llll 2 + 0. 111 llll 3 Burgess (1977) Z = derinlik, m K = K i 1 Z 55 + 1. 000 K = permeabilite katsayısı Kaynak: Hsu et al., 2011 den değiştirilmiştir. Louis (1974) K s = yer yüzeyi yakınında permeabilite, m/sn H = derinlik, m A = hidrolik eğim 3 Wei et al. (1995) K i = yer yüzeyi yakınında permeabilite, m/sn Z = derinlik, m

KAYA KÜTLESİNİN PERMEABİLİTE KATSAYISININ BELİRLENMESİNDE DİĞER BİR AMPİRİK YAKLAŞIM Genel Bilgi Permeabilite katsayısı, K'nın Barton, 2002 tarafından önerilen Q sistemi ile ilişkisinin yanı sıra, diğer bir kaya kütle sınıflandırma sistemi olan "HC Sistemi" ne bağlı olarak da kestirmek mümkündür. Aşağıda HC faktörü ile permeabilite katsayısı K arasında türetilen iki ampirik ilişki verilmektedir. Permeabilite Katsayısı, K (m/sn) K = 2. 99 11 6 HH 1.333, R 2 = 0. 888 K = 2. 33 11 6 HH 1.333, R 2 = 0. 999 HC Faktörü HH = 1 RRR 111 DD 1 GGG LLL Kaya Kütle Kalitesi Tanımlama Faktörü, RQD Çatlak Dolgusu Tanımlama (Gouge Content Designation) İndeksi GCD Değeri RRR = R s R T %111 R G GGG = R T R S Derinlik Indeksi, DI DD = 1 L c L T LPI=Litoloji geçirgenlik indeksi (bknz. EK I) R s = sağlam numunenin yada 100 mm'den uzun karot parçalarının toplam uzunluğu, m R T =toplam karot uzunluğu, m R G =çatlak dolgusunun toplam uzunluğu, m L c =sondajda test aralığının orta derinliği, m L T =toplam sondaj uzunluğu, m Kaynak: Hsu et al., 2011 den değiştirilmiştir. 35

KAYA KÜTLESİNİN PERMEABİLİTE KATSAYISININ BELİRLENMESİNDE DİĞER BİR AMPİRİK YAKLAŞIM Kaya Kütlesi Hidrolik İletkenliği, K, m/sn 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 HB-94-01 HB-95-01 HB-95-02 K = 2. 99 11 6 HH 1.333, R 2 = 0. 888 K = 2. 33 11 6 HH 1.344, R 2 = 0. 999 Tüm verileri içerir. HC değerindeki artış ile kaya kütlesinin geçirgenliğinin arttığı anlaşılmaktadır. Mühendis, bulunan K değerini Q faktörüne dayandırılan yöntemin sonucu ile tahkik etmelidir. Sadece HB-94-01 verilerini içerir. 10-10 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 HC Değeri Kaynak: Hsu et al., 2011 den değiştirilmiştir. 36

TÜNELLERDE SU GELİRİNİN KESTİRİLMESİ SAYISAL ÖRNEK Verilenler Basınç yüksekliği, H= 100 m Kaya kütlesinin ortalama permeabilitesi, k = 4x10 5 m/sn Belirlenen 10 m tünel uzunluğu için beklenen su geliri, Q = 68 lt/sn YASS = Yer altı su seviyesi Kaynak: Marinos, 2005 den değiştirilmiştir. 37

NORVEÇ DENİZALTI TÜNELCİLİĞİNDE ÖRTÜ TABAKASININ SU GELİRİNE ETKİSİ Su Geliri (lt/min) Tünel inşaası tamalandığı anda su geliri Tünel inşaası tamalandıktan 2-9 yıl sonra su geliri En büyük eğim Zemin Örtüsü Deniz Tünel Minimum Kaya Örtüsü En büyük eğim Zayıflık Zonu No Proje Bitiş tarihi Anakaya Kesit, m 2 Toplam tünel uzunluğu, km Minimum kaya örtüsü, m Deniz altında maksimum derinlik, m 2 Ellingsøy 1987 Gnays 68 3,5 42 140 3 Valderøy 1987 Gnays 68 4,2 34 145 4 Kvalsund 1988 Gnays 43 1,6 23 56 5 Godøy 1989 Gnays 52 3,8 33 153 6 Hvaler 1989 Gnays 45 3,8 35 121 7 Flekkerøy 1989 Gnays 46 2,3 29 101 8 Nappstraumen 1990 Gnays 55 1,8 27 60 9 Fannefjord 1991 Gnays 54 2,7 28 100 10 Maursund 1991 Gnays 43 2,3 20 92 11 Byfjord 1992 Fillit 70 5,8 34 223 12 Mastrafjord 1992 Gnays 70 4,4 40 132 13 Freifjord 1992 Gnays 70 5,2 30 132 14 Hitra 1994 Gnays 70 5,6 38 264 15 Tromsøysund 1994 Gnays 60 a 3,4 45 101 a Çift tüp Kaynak: Modified from Nilsen et al., 2012. 38

GENİŞ BİR ZAYIFLIK/FAY ZONUNUN GEÇİLMESİ DURUMUNDA BEKLENEN GÖÇÜĞE MÜDAHALE TEKNİĞİ NORVEÇ SU ALTI TÜNEL TEKNİĞİ- Norveç denizaltı tünel pratiğinde kazı işleminde delme artı patlatma yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma şekli değişen jeolojik/hidrojeolojik koşullara, en etkin şekilde uyan yöntemdir. Kabul edilen 300 lt/dk.km tünel uzunluğu için kabul edilen su gelirini bu seviyeye getirmek için, ön sondajlar açılarak özel çimento enjeksiyonu uygulanır. Bu operasyonların bugünün enjeksiyon tekniğinde uygulanabilecek maksimum su basıncı 10 MPa mertebesindedir. (Eğer su geliri yukarıda belirtilen miktarın altında ise böyle tünel kesitlerinde enjeksiyon işlemi uygulanmaz. Gnays ~ +160 m Zemin Atlantik Okyanusu Kırıklı/Çatlaklı Gnays Radyal Bulonlar Enjeksiyon Püskürtme Beton Biriken malzeme Kaynak: Nilsen et al., 2012 den değiştirilmiştir. 39

TÜNELCİLİK PRATİĞİNDE KABUL EDİLEBİLİR MAKSİMUM SU GELİRLERİ Yerleşim bölgelerindeki tünellerde 100 m tünel uzunluğu için, kabul edilebilir su geliri limiti 2-10 litre/dakika dır. Denizaltı tünelleri ve yerleşim dışı bölgelerdeki tünellerde 100 m tünel uzunluğu için, kabul edilebilir su geliri limiti 10-30 litre/dakika dır. Herhangi bir özel şart içermeyen tünellerde 100 m tünel uzunluğu için, kabul edilebilir su geliri limiti 30 litre/dakika dır. Çeşitli kabuledilebilir limit değerleri, yeraltı suyu seviyesindeki değişimi nedeni ile tünelin farklı bölgeleri için uygulanabilir. Yukarıda belirtilen değerlerdeki su geliri ise tünel içi drenaj sistemi (boyutlandırılmış su kanalı/pompa hacimleri vs.) ile boşaltılır. Kaynak: GrØv, 2012 den değiştirilmiştir. 40

TÜNEL KULLANIMINA BAĞLI OLARAK İZİN VERİLEBİLİR SU SIZINTI MİKTARI Kaynak: Specification for tunnelling, BTS 2010 den değiştirilmiştir. 41

SU GEÇİRİMSİZLİĞİNİ SAĞLAMAK İÇİN DELME+PATLATMA TÜNELLERDE YAPILAN ÖN ENJEKSİYON UYGULAMALARI A) Tünel açılırken tünel arınının önünden açılan sondaj B) Genelde su geçirgen zon ile tünel arını arasında 8-12 m mesafe bırakılır. C) 15 m 20 m uzunluğunda enjeksiyon delgilerinin açılması D) Kaya kütlesinin birincil enjeksiyonu ve geçirimli zon E) Birincil enjeksiyonun kalite kontrolü için enjeksiyon deliklerinin denetlenmesi Genellikle su gelirini kontrol etmek veya kötü kaya kütle/zemin koşullarının tespiti amacıyla tünel arınının önünden ön sondajlar yapılmaktadır. (Delme+Patlatma) yöntemi ile açılan tünellerde, su geçirimsizliğini sağlamak amacıyla yapılacak olan ön enjeksiyon uygulaması başlıca 5 aşamadan oluşmaktadır. Şematik olarak solda görülen şekil, bu aşamaları özetlemektedir. Su gelirine neden olabilecek bir zonunun tespiti durumunda, ön enjeksiyon yapılması gereklidir. Bu durumda, ek enjeksiyon sondajlarıda yapılabilir. Enjeksiyon sonrası, birincil enjeksiyonunun kalite kontrolünün denetlenmesi, su gelirinin izin verilebilir düzeye indirilmesi için önem oluşturmaktadır. Kaynak: Palmström, A., Huang, Z., 2007. 42

ÖN TASARIM İÇİN ÖNERİLEN ENJEKSİYON DELİK ARALIĞI Kaynak: Boge ve Johansen, 1995 den Nilsen ve Palmström, 2000. 43

KAYA KÜTLESİNİN PERMEABİLİTESİ VE ÇİMENTO ENJEKSİYON UYGULAMA LİMİTLERİ Kaynak: Heuner, 1995. 44

ENJEKSİYON KARIŞIMINDA KULLANILAN ÇİMENTO TÜRÜ Enjeksiyon karışımında kullanılan çimentonun dane boyutuna bağlı olarak enjeksiyon çatlak açıklığı belirlenebilir. Yerleşim bölgelerindeki tünellerde, çatlaklar 0.02 mm ye kadar izin verilebilir. Ayrıca, sığ tünellerde enjeksiyon işlemi sırasında uygulanan basınç mutlaka "bina/zemin kabarması" açısından tahkik edilmelidir. Normal İnce Çimento Enjeksiyon çatlak açıklığı = 3 x Çimento dane boyutu Kaynak: GrØv, 2012 den değiştirilmiştir. Yerleşim bölgelerindeki tüneller için 0.02 mm lik çatlaklar 45 mm

NORVEÇ DENİZALTI TÜNELLERİNDE UYGULANAN KAZI DESTEK SİSTEMLERİ VE SU GELİRLERİ Tünel İlerlemesi (m/hafta) Kaynak: Nilsen, Palmstrom,?, http://geology.norconsult.no/papers/kyoto%202001%20stability%20and%20leakage.pdf 46

NORVEÇ TÜNEL PRATİĞİNDE BİRİM TÜNEL UZUNLUĞU İÇİN MALİYETLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ -FANNEFİORD TÜNEL ÖRNEĞİ- Fannefiord Tüneli (Tamamlanma Tarihi :1991) Kesit Alanı: 55 m 2 En büyük eğim: %8.5 Uzunluk:2743 m En derin nokta: 100 m 10000 Kazı Kaya bulonu Püskürtme Beton Beton kaplama Birim tünel uzunluğu için ortalama maliyet 8000 İncelemeSondajı ve enjeksiyon Su/Don yalıtımı Polietilen köpük Kaya iksası 6000 4000 USD/metre Su/Don yalıtımı Polietilen köpük yangın koruma (püskürtme beton) Su/Don yalıtımı cam lifi/alüminyum Su/Don yalıtımı hafif beton USD/metre 1000 NOK/metre 5000 10000 Kazı (Delme ve Patlatma) İncelemeSondajı ve enjeksiyon Su kalkanları Planlama, Araştırma ve Denetim 2000 3000 Yol temeli ve kaplama Elektrik ekipman ve havalandırma 15000 20000 Drenaj ve Pompa ekipmanı Not: Bu ülkeler için yıllık maliyetler %5 artış oranı ile 2014 yılına yaklaşık olarak getirilebilir. Kaya Kütlesi Kalitesi İyi Orta Zayıf 2000 0 Kaynak:Palmström ve Naas, 1993 den değiştirilmiştir. 47

NORVEÇ TÜNEL PRATİĞİNDE BİRİM TÜNEL UZUNLUĞU İÇİN MALİYETLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ Yılık bazda haftalık ilerleme ve maliyet analizleri, kazı alanı 60 m 2 olan 3 km uzunluğunda iki şeritli karayolu tünel için yapılmıştır. Haftalık ilerlemelerde, 2005 yılında, 1975 yılına göre %60 lık bir artış görülmektedir. Birim kazı maliyetlerinde, yıllara bağlı olarak göreceli olarak arttığı gözlenmektedir. (Örneğin, 2005 yılında, maliyetin, yaklaşık 10000 NOK/m). Haftalık İlerleme Hızı (m/hafta) Haftalık çalışma süresi 100 saat Kazı Maliyeti (NOK/m) Haftalık çalışma süresi değişken Yıllar Yıllar Not: Bu ülkeler için, yıllık maliyetler %4 artış oranı ile 2014 yılına kalibre edilebilir (2015 itibari ile 1 NOK 0.133 USD). Kaynak: Broch et al., 2008 den değiştirilmiştir.. 48

BAŞARILI BİR DENİZALTI TÜNEL ÖRNEĞİ: MELEN PROJESİ Yüklenici: STFA + Mosmetrostoy ve Türk ALKE Proje Bedeli: ~120 milyon US$ Tünel Uzunluğu: 5,5 km EPB-TBM Çapı: 6,15 m Proje Arın Basıncı: ~4 bar Minimum Kaya Örtüsü Derinliği: 35 m TBM Tünelin Mak. Derinliği: 135 m (65m-deniz) Formasyon: Dolayoba/Kartal formasyonu Avrupa Yakası Sarıyer Kaynak: Anagnostou (2010) ve Bakır ve diğ. (2011) Killi kireçtaşı, kalkerli şeyl, kumtaşı, GSI: 45-64 (deniz altı bölümü), Dayk (Andesit/diyabaz) kalınlığı: 1-70 m Beykoz Anadolu Yakası Ölçeksiz Alüvyon TÜNEL DELME MAKİNESİ İLE AÇILAN KISIM (3,4 km) DEL+PATLAT YÖNTEMİ İLE AÇILAN KISIM TBM tüneli en derin noktası Kaynak: Gerek ve diğ. (2010) 49

MELEN PROJESİ NDE ARIN BASINCININ "FAY / ZAYIFLIK ZONU" KALINLIĞI CİNSİNDEN HESAPLANMASI (en derin nokta) Kayma Mekanizması P arın Problem Tanımı Deniz Sağlam Şeyl Killi Fay Arın basıncı 0 olan koşullar çalışmadan bakılınca en derin nokta için, fay/zayıflık zonu kallınlığı 6 m olmaktadır. d Gereken Arın Basıncı, P arın (kpa) 600 500 400 300 200 100 0 P arın,max 500 kpa (5 bar) A B C P a =0 P a =0 P a =0 0 5 10 15 20 25 Fay/Zayıflık Zonu Kalınlığı, d (m) (Siltli killi fay dolgusunun drenajsız kayma dayanımı, s u, 40 kpa kabul edilmiştir.) Kaynak: Anagnostou (2010), sayfa 4, Şekil 7. 50

DENİZALTI PROJELERİNDE ÖNENJEKSİYON İŞLEMİNE KARAR VERME ADIMLARI:MELEN TÜNEL PROJESİ Darbeli sondaj için 2 inceleme sondajının (L=35 m) yürütülmesi Kuru Zemin? EVET 30 m için kazıya devam et HAYIR Zemin/Kaya özellikleri belirlemek için sondaj yapılması HAYIR 2 m kalınlığından daha az zayıf zon HAYIR Zayıf zon =Kırıklı/çatlaklı kaya? EVET Sondaj verisinin gösterdiği zayıf zon? EVET EVET HAYIR Kırıklı/çatlaklı kaya EVET Q > 25 lt/min? HAYIR HAYIR EVET Geçirimsiz Kil? EVET Q > 25 lt/min? EVET Enjeksiyon Uygulaması Enjeksiyon Uygulaması HAYIR HAYIR Stabilizasyon ve Geçirimsizlik için Enjeksiyon Kapalı Moda Geçiş Kaynak: Anagoustou et al., 2008 ve Anagoustou, 2010 dan değiştirilmiştir. 51

CEBELİTARIK DEMİRYOLU TÜNEL PROJESİ Havalandırma şaftı Plan Proje Özellikleri Ø7.5 m Kuzey Portalı 100 0-100 -200-300 -400-500 -600-700 0 Havalandırma şaftı Doğu Demiryolu Tüneli -2. Aşama- Fay/Zayıflık Zonu 400 Pompalama İstasyonu Fay/Zayıflık Zonu İki kıyı arası uzunluk: 27.75 m Şaftlar arası uzunluk: 28.1 m Toplam Tünel Uzunluğu : 38.67 m Servis/Güvenlik Tüneli Havalandırma şaftı Batı Demiryolu Tüneli -1. Aşama- Havalandırma şaftı Güney Portalı Boyuna Kesit 40 km Varış noktaları arası uzaklık : 42 km Toplam tünel uzunluğu : 38.7 km Denizaltı tünel uzunluğu: 27.7 km En derin noktadaki minimum örtü tabakası: 175 m Maksimum eğim: % 3 İki adet demiryolu tüneli, Ø7.5 m Bir basınçlı servis/güvenlik tüneli, Ø4.5 m Servis/güvenlik tüneli, 340 m lik Ø7.5 m bağlantılarla iki tane tünele bağlanır. Bağlantı tüneli ~ 340 m Kaynak: SNED SECEG, 2007 den değiştirilmiştir. 52 Enkesit

CEBELİTARIK BOĞAZ GEÇİŞİNDEKİ FAY BREŞ ZONLARI Derinlik (m) Cebelitarık Boğaz Geçişi İçin Muhtemel İki Güzergah Tünel Uzunluğu (m) D=63 mm Örnek Fay Breşi Sondaj No: KF-19 Numune No:Z10 Kaynak: Dong et al., 2013. Örnek Fay Breşi Sondaj No: KF-19 (48.30-52.08 m) Numune No:Z09 53

CEBELİTARIK BOĞAZ GEÇİŞİNDEKİ FAY BREŞ ZONLARININ TANE DAĞILIMI VE INDEKS ÖZELLİKLERİ Parametre Sayısal Değer Kütlece Yüzdesi (%) Numune No Toplam Birim Ağırlık (kn/m 3 ) 21,52 Su içeriği (%) 17 Kuru Birim Ağırlık (kn/m 3 ) 18,42 Katı Partiküllerin Birim Ağırlığı(kN/m 3 ) 27,30 Porozite(%) 32 KİL SİLT KUM ÇAKIL Doygunluk Derecesi (%) 95 Tane boyutu (mm) Cebelitarık Boğaz Geçişindeki Breşlerin Tane Dağılımı Breşler, genel olarak silt ve kum ile temsil edilebilir. Boşluk Oranı 0,48 Likit Limit, LL (%) 49 Plastik Limit, PL (%) 22 Plastiklik İndeksi, PI (%) 27 Aktivite 0,77 Kaynak: Dong et al., 2013. 54

CEBELİTARIK BOĞAZ GEÇİŞİ PROJESİNDEKİ BREŞ ZONLARININ EFEKTİF KAYMA PARAMETRELERİ Derinlik (m) Üst Zon Alt Zon Kohezyon, c' (MPa) Muhtemel İlişki Eğrisi c' =f(derinlik) Muhtemel eğri yaklaşımında ihmal edilmiştir. Tünel Uzunluğu (m) Derinlik (m) İçsel Sürtünme Açısı, ф' ( o ) Muhtemel İlişki Eğrisi, ϕ' =f(derinlik) Üst Zon Alt Zon Permeabilite Katsayısı,K (m/sn) Muhtemel İlişki Eğrisi K=f(Derinlik) Derinlik (m) Derinlik (m) Kaynak: Modified from Dong et al., 2013. 55

EK 1: LİTOLOJİYE BAĞLI OLARAK GEÇİRGENLİK KATSAYISININ BELİRLENMESİ Kaynak: Hsu et al., 2011 den değiştirilmiştir. 56

Hydraulic conductivity (m/s) Range of rating Suggested Lithology Reference1 Reference2 Reference3 Kaverage Rating Sandstone 10-6~10-9 10-7~10-9 10-7~10-9 10-7.5 0.8-1.0 1,00 Silty Sandstone - - - - 0.9-1.0 0,95 Argillaceous Sandstone - - - - 0.8-0.9 0,85 S.S. interbedded with some Sh. - - - - 0.7-0.8 0,75 Alternations of S.S & Sh. - - - - 0.6-0.7 0,65 Sh. interbedded with some S.S. - - - - 0.5-0.7 0,60 Alternations of S.S &Mudstone - - - - 0.5-0.6 0,55 Dolomite 10-6~10-10.5 10-7~10-10.5 10-9~10-10 10-8 0.6-0.8 0,70 Limestone 10-6~10-10.5 10-7~10-9 10-9~10-10 10-8 0.6-0.8 0,70 Shale 10-10~10-12 10-10~10-13 - 10-10.5 0.4-0.6 0,50 Sandy Shale - - - - 0.5-0.6 0,60 Siltstone 10-10~10-12 - - 10-11 0.2-0.4 0,30 Sandy Siltstone - - - - 0.3-0.4 0,40 Argillaceous Siltstone - - - 0.2-0.3 0,20 Claystone - 10-9~10-13 - 10-11 0.2-0.4 0,30 Mudstone - - - - 0.2-0.4 0,20 Sandy Mudstone - - - - 0.3-0.4 0,40 Silty Mudstone - - - - 0.2-0.3 0,30 Granite - - 10-11~10-12 10-11.5 0.1-0.2 0,15 Basalt 10-6~10-10.5 10-10~10-13 - 10-11.5 0.1-0.2 0,15 Kaynak: Hsu et al., 2011 den değiştirilmiştir. 57