Raylı Sistemlerin Temelleri 8. Tüneller ve Tünel Açma Hasan Hüseyin Erkaya Kaynak: C.F. Bonnett, Practical Railway Engineering, 2nd Ed., London: Imperial College Press, 2005 Eskişehir Osmangazi Üniversitesi 2016
8.1 Tünel Açmanın Tarihi 8.2 Kes ve Kapat Tüneller 8.3 İlk Tünel İlerleme Siperi 8.4 Modern Tünel Siperleri 8.5 Farklı Zemin Şartları 8.6 Yapım Yöntemleri 8.7 Tünel Kaplaması 8.8 Düşey ve Eğimli Kazılar (Kuyu ve Bacalar) 8.9 Tünellerin Denetlenmesi ve Bakımı
Demiryolunun olabildiğince az bir eğimle dağları, vadileri, nehirleri, karayolunu ve başka engelleri aşması gerekiyor. Dağları tünelle geçmek gerek. Yeraltına alınan raylar da tünel ister.
8.1 Tünel Açmanın Tarihi Antik çağda, insanoğlu mağara ve tüneller açmış: barınma, tehlikeli düşmanlarından korunma ve avladıkları besinlerini saklamak için çakmaktaşından kürekli aletlerle önceleri kemik, boynuz, çakmaktaşı, ağaç; teknolojinin gelişmesi ile birlikte de ahşap, bronz ve demir malzemelerle İlk tünelin M.Ö. 4000 lerde yeryüzünde Babil yakınlarında, Fırat nehrinin altında 3.5x4.5 m kesitli ve 1 km uzunluğunda M.Ö. 3500 de ilk metal madeni çıkartma kazısı, Karadeniz kıyısında bulunan Cavcasia da yapılmıştır. M.Ö. 1000 lerde değerli metallerin araştırılması amacıyla, Babilliler ve Aztekler tarafından Hindistan, Mısır ve Mezopotamya da. Kaynak: H. İ. Ayış, YL Tezi, Yıldız Teknik Ün. 2010
8.1 Tünel Açmanın Tarihi M.Ö. 687 de Helen uygarlığı döneminde ilk tünelin, Sakız adasında 1600 m uzunlukta ve 0.6 m2 kesitinde açıldığı bilinmektedir. M.Ö 6.yy da tünelin sert kayada 9 m/yıl hızla ve elle açıldığı tahmin edilmektedir. 17.yy da gelişmeye başlayan kanal nakliyesi, tünelcilikte önemli gelişmelere neden olmuştur. 1679-1681 yılları arasında Fransa da Languedoc kanalını geçirmek amacıyla Mal-Passe tüneli inşa edilmiştir. Bu tünel 160 m uzunluk, 7 m genişlik ve 8 m yükseklikte olup tüflü zeminde inşa edilmiştir. 1761 de İngiltere de James Brodley, inşa ettiği kanalı Rossley dağının altından geçirebilmek için 1 mil uzunluğunda tünel açmıştır. Kaynak: H. İ. Ayış, YL Tezi, Yıldız Teknik Ün. 2010
8.1 Tünel Açmanın Tarihi 1799 yılında kanal tünellerin toplam uzunluğu 40 mil i bulmuştur. 1803-1810 yılları arasında Fransa da Saint-Quentin kanalı için ilk taş kemerli Tronguay-en Bony tüneli ve 1824 yılında Bourgogne kanalı için Poulli tüneli (Şekil 2.5) inşa edilmiştir. 1818 yılında Pennsylvania, Schuylkill kanalı üzerinde tünel: 5.49 m x 6.1 m kesit ve 250 m uzunluk 1800 lerin başlarına dek sert kayadaki tüneller, arında (ayna, kaya yüzeyi) ateş yakılarak kaya ısıtıldıktan sonra, oluşan sıcak yüzeye su ve sirke püskürtülmesi ile kazılmaktaydı. 1811 yılında Fransız mühendis Brunel, Bukliye (bouclier, kalkan, siper) yöntemini geliştirmiş ve patentini almıştır. 1823-1843 Brunel yöntemiyle ilk tünel: Londra da Thames nehri altında, halen faal. Kaynak: H. İ. Ayış, YL Tezi, Yıldız Teknik Ün. 2010
8.1 Tünel Açmanın Tarihi 1826 da ilk demiryolu tüneli Fransa da St.Etienne ve Lyon şehirleri arasında Terre Noire hattında Fransa yı İtalya ya bağlayan, 12.2 km ve kotu 1600 m olup, ilk etapta elle açılmaya başlanmış, daha sonra basınçlı hava yardımıyla çalışan aletler kullanılmıştır. 1830 yılında Lord Cohrane; sulu zeminlerde basınçlı havanın kullanıldığı bir kuyu ve galeri açma yöntemi geliştirmiş 1846 da İtalya da Maus tarafından tam cephe kazı yapmak üzere ilk kazı makinesi (TBM Tunnel Boring Machine) geliştirilmiştir 1863 yılında dünyanın ilk metrosu Londra da hizmete açılmıştır. Kes-kapat yöntemi, 6 km Londra Metrosu, bugün 12 hat ve 455 kilometrelik bir ağ üzerinde çalışan 457 metro treni ile günde 3 milyon yolcu taşımaktadır. Kaynak: H. İ. Ayış, YL Tezi, Yıldız Teknik Ün. 2010
8.1 Tünel Açmanın Tarihi 1868 yılında New York Metrosu Amerika kıtasının ilk yeraltı demiryolu ulaşım sistemi New York Metrosu, her yıl 1 milyardan fazla yolcuyu taşıyan ve 24 saat hizmet veren 23 hattıyla dünyanın en yoğun metrosudur. Bu metroda, 220.5 km si yeraltında, 150.6 km si yerüstünde olmak üzere toplam 371 km lik hatta 456 istasyon bulunmaktadır. 1872 de tünellerde ahşap destek yerine çelik destek elemanları kullanılmıştır. 1872-1880 İtalya ile İsviçre yi birleştiren Saint-Gothard çift hat demiryolu tüneli 15 km 1898 de İtalya yı İsviçre ye bağlayan dünyanın en uzun tüneli Simplon-I: 19825 m 1892-1924 Chicago, Budapeşte, Boston, Berlin, Philadelphia, Hamburg, Buenos, Aires, Madrid ve Barcelona Metroları
8.1 Tünel Açmanın Tarihi 1925-1929 yılları arasında Washington Skykomish de inşa edilen New Cascade tüneli, 12.5 km 1934 de Apennine Tüneli, Direttissima hattını Floransa ve Bologna ya bağlar 1936 da Utah tüneli (East Rim Road, California, ABD) 1720 m karayolu 1950 de Avusturyalı Stini ve Rabcewicz, sonraları Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi (NATM) olarak isimlendirilecek ve yaygın şekilde tüm dünyada kabul görecek olan yeni tünel açma yöntemini tanıtmıştır. 1960 lı yıllarda lifli betonlar üzerine ilk çalışmalar beton içerisine cam liflerin katılmasıyla başlamıştır. 1970 li yıllardan sonra ise püskürtme beton uygulamalarında çelik lifler, hasır donatının yerini almaya başlamıştır.
8.1 Tünel Açmanın Tarihi 1987-1993 Manş denizinin demiryolu tüneli ile geçilmesi: 37.7 km deniz altında toplam 50.5 km, deniz yüzeyinden 100 m, deniz tabanından ise 40 m derinlikte 1988 Japonya da Seikan tüneli: zamanının en uzun demiryolu tüneli, 53.85 km, deniz altında ilk demiryolu tüneli 1988-2016 Avrupanın güneyini kuzeyine bağlayan San Gottardo tüneli: 56 dünyanın en uzun ve en derin tüneli Türkiye de 1871 de Türkiye de demiryolu ağı ve tüneller 1875 yılında Türkiye de ilk yeraltı metrosu (dünyanın en eski 2. metrosu) Galata Pera (Beyoğlu) Tünel 1982 Mersin de Kadıncık-I tüneli 7127 m. 2000 İzmir-Aydın Otoyolu tüneli 3048 m 2006 Ordu Nefise Akçelik (Hapan) karayolu tüneli 3825 m.
8.1 Tünel Açmanın Tarihi Türkiye de 2007 Bolu dağı tüneli 3140 m (çelik lifli püskürtme beton) 2004-2013 Marmaray 13500 m (denizaltında beton tüp) 2011-2016 Avrasya tüneli 5.4 km
http://www.bbc.com/news/world-europe-36423250 (June 1, 2016)
8.1 Tünel Açmanın Tarihi Yöntemler kanal tünelleri açma yöntemine dayanıyordu Kanal tünelleri de madencilik kazı esaslarına dayanıyordu. Yavaş, zor, tehlikeli ve insanı şaşırtan şartlarda kazı Elle, kazma ve kürekle, gerektiğinde sert kayalarda dinamitleyip yarmayla Kazılan yerde kalın kerestelerle sağlamlaştırma Tünelin içine bir içduvar (lining, kaplama) örülüp örülmeyeceği, yerinde kararlaştırılıyordu. Pek çok yanlış karar sonucu göçükler ve ölümler Bu ilk tünel kazıcılar ciddi ölçüde beceri ve cesarete sahiptiler Karanlıkta çalışıyorlardı ve birikmiş yer altı suyunun üstlerine gelmesi her an mümkündü.
8.2 Kes ve Kapat Tüneller Yüzeye yakın metro istasyonlarında Kenarlara beton kazıklar veya duvarlar yerleştirilir Arası yüzeyden kazılarak boşaltılır Tünel tavanı oluşturulur (betonarme) Tavan üzerine toprak doldurulur. İlk Londra metrosu böyle yapılmıştır. Yüzeydeki trafiği çok etkiler Düşük maliyetli bir yöntemdir "Aç-kapat" yöntemi olarak da bilinir (cut-and-cover) Alltan yukarıya veya yukarıdan aşağıya yapılır
8.2 Kes ve Kapat Tüneller Londra da ilk kes ve kapat yöntemiyle tünel yapımı.
8.2 Kes ve Kapat Tüneller Londra da ilk kes ve kapat yöntemiyle tünel yapımı temsili model.
8.2 Kes ve Kapat Tüneller Kes ve kapat tünel desteği olarak kullanılan beton kazıklar
8.3 İlk Tünel İlerleme Siperi Tünel kazıcıları korumak gerekiyordu 1818 de Marc Brunel, dikdörtgen kesitli bir tünel siperinin patentini aldı.
8.3 İlk Tünel İlerleme Siperi 1870 Peter Barlow Dairesel tünel siperi James Greathead bu siperi geliştirdi
8.4 Modern Tünel Siperleri Yumuşak zeminde Greathead siperindeki esasları kullanırlar. Hidrolik krikolar ve kollar: koruma duvarının kolay konumlandırılması İlave kazıcı ve delici uçlar Modern yumuşak zemin tünel siperi
Kanal İstanbul Tünel Kazma Başlığı 8. Tüneller ve Tünel Açma 8.4 Modern Tünel Siperleri
Model of a tunnel boring machine. On display at Gotthard Base Tunnel exhibition. 8. Tüneller ve Tünel Açma 8.4 Modern Tünel Siperleri
8.4 Modern Tünel Siperleri
8.5 Farklı Zemin Şartları Tünel kazma yöntemi ve tünel iç yapısı zemin özelliklerine bağlıdır. Kazı öncesi jeolojik ve su özelliklerini belirlemek için dikkatli ve detaylı bir zemin analizi yapılmalıdır. Zemin tünel için uygun değilse, güzergah ve seviyede ayarlamalar yapılabilir. Nerelerde zemin sağlamlaştırması yapılacağı ve sıkıştırılmış hava ile çalışılacağı gibi özel önlemler planlanır.
8.6 Yapım Yöntemleri Belirleyici etmenler: Tünelin geçeceği muhtemel malzeme, malzeme özelliklerindeki muhtemel farklılıklar. Yer katmalarındaki cepler veya kırıklar, muhtemel basınçlı su altında olan yerler. Yer altı su seviyesi, su içeren yapışmayan malzeme (akıcı kum gibi) ihtimali. Orijinal zeminde oluşmuş bozulmalar ve stabilizasyon için yapılmış olan müdahaleler. Bu durum mevcut tünelin yanına ikinci bir tünel açma durumunda veya mevcut yapılara (temel, bodrum katı, kanalizasyon hattı) yakın yerden tünel geçirildiğinde ortaya çıkabilir. Zeminde düşey veya yatay doğrultuda oluşan basınçta önemli ölçüde farklılıklar. Bu basınç önerilen tünelin üstünde veya hemen yanında bulunan binalarca oluşturulabilir. Önerilen tünelin uzunluğu ve hangi hızda yapılacağı. Tünel yapım hızları genellikle düşüktür, ama uzun mesafeler delinecekse, daha gelişmiş ekipmana yatırım yaparak yapım hızını arttırmak uygun olabilir.
8.6 Yapım Yöntemleri Tünel kazmada da güvenlik çok önemlidir ve maliyet ve hız gibi hususlar hiçbir zaman güvenliğin önüne geçmemelidir. Yapım işlemi başlamadan belirlenecekler: hangi yöntemin kullanılacağı vardiyalar arasında çalışmanın ne zaman durdurulacağı, hafta sonlarında ne gibi çalışma yapılacağı, tünelin üstündeki yer hareketlerinin nasıl gözleneceği gibi detaylar
8.6 Yapım Yöntemleri Tünel yapımından önce, yapım sırasında ve yapımdan sonra çok hassas ölçümlerin yapılması gerekir. Yapım sırasında oluşabilecek küçük sapmalar ölçümler sonucu hemen düzeltilir. Raylı araçlar genellikle uzun olduğundan tünel içinde genellikle sıkı toleranslarla hareket ederler. Tünel yapımında ortaya çıkacak sapmaları rayları kaydırarak düzeltmek mümkün değildir veya çok zordur. Bazen yapımda ortaya çıkan küçük sapmaları düzeltmek için tünelin bir kısmını yeniden yapmak gerekebilir. Bütün bunlar arzu edilmeyen durumlardır ve olmaması için önlemler alınmalıdır.
8.6 Yapım Yöntemleri Aç - Kapa Yöntemi Delme - Patlatma Yöntemi Yeni Avusturya Tünel Yöntemi (NATM) Tünel Delme Makinesi Yöntemi (TBM) Zemin Basınç Dengeleme Makinesi Yöntemi (EPBM)
8.6 Yapım Yöntemleri Delme - Patlatma Yöntemi Yeraltı kazılarında uzun süreden beri kullanılan bir yöntem, Kayaç zeminde tünel çeperine zarar vermeden, açılacak yerdeki kayaçları, hızlı ve ekonomik şekilde çıkarmayı amaçlar Dinamit yerleştirmek için delikler açılır Deliklere yerleştirilen dinamit patlatılarak kayaç parçalanır Olumlu yönleri: Büyük miktarda ilk yatırım maliyeti gerektirmez. Piyasadan temin edilmesi hızlı ve kolaydır. Makine ile kazıdaki gibi enerji ve güç teminine ihtiyaç yoktur. Olumsuz yönleri: Duraklamalı ve yavaş ilerleme İşyeri emniyeti açısından risklidir. Metan tehlikesi olan yerde kullanılamaz. Galeride önemli çatlak ve kırıklar geliştiğinden iyi bir tahkimata gerek vardır. Yerleşim bölgelerindeki kullanımı sakıncalıdır.
8.6 Yapım Yöntemleri Delme - Patlatma Yöntemi Tam kesit (full-face) patlatma şeması (H.İ. Ayış, YL Tezi)
8.6 Yapım Yöntemleri Delme - Patlatma Yöntemi Kalot-Stross tünel açma yöntemi (H.İ. Ayış, YL Tezi)
8.6 Yapım Yöntemleri Delme - Patlatma Yöntemi Çok galeri yöntemi (H.İ. Ayış, YL Tezi)
8.6 Yapım Yöntemleri Yeni Avusturya Tünel Yöntemi (NATM) İnce (15 cm) ve esneyebilir birincil destek (hasır çelik takviyeli püskürtme beton) Deformasyonlara belirli ölçüde izin var Tünel içine doğru gelişen kaya basıncı azaltılmış Yükler kazı çevresindeki kayaya dağıtılmış Böylelikle son destekleme daha az yüklenecek, Öncelikle üst yarı kısmında kazı destekleme işlemi Belli bir mesafe aralığında alt yarının kazı destekleme işlemi
8.6 Yapım Yöntemleri NATM uygulama aşamaları Uygun açıklık aralığında kazı yapılması, Hasır çelik donatısının yerleştirilmesi, Çelik iksanın (destek) yerleştirilmesi, İlk kademe püskürtme betonun atılması İkinci kat çelik hasır donatısının yerleştirilmesi, Püskürtme betonun projede belirtilen nihai kalınlığının tamamlanması, Püskürtme betonun priz almasının ardından tünel cidarına kaya bulonu çakılması.
8.6 Yapım Yöntemleri NATM
8.6 Yapım Yöntemleri (H.İ. Ayış, YL Tezi)
8.6 Yapım Yöntemleri Tünel Delme Makinesi Yöntemi (TBM) Uzun ve zor tünellerin açılmasında kullanılan Çok kapsamlı bir sistem Pahalı bir sistem Tam otomasyonlu Tek yöne gidebilen
8.6 Yapım Yöntemleri Tünel Delme Makinesi Yöntemi (TBM) (H.İ. Ayış, YL Tezi)
8.6 Yapım Yöntemleri TBM Başlıkları (H.İ. Ayış, YL Tezi)
8.6 Yapım Yöntemleri Zemin Basınç Dengeleme Makinesi Yöntemi (EPBM) TBM nin özel bir çeşidi Kesici başlık ve ayna boşluğu kapalı bir hacim halinde ve basınç altında Akıcı formasyon, döner kafadaki keskiler tarafından kazılır. EPB makineleri çalışma prensiplerine bağlı olarak çeşitli isimler alır: Malzeme Hapsedici Şiltleri (Soil Confinement Shields), Su Basıncını Destekleme Şiltleri (Water Pressure Balance Shields), Yüksek Yoğunluktaki Çamur Şiltleri (High Density Slurry Shields) Çamur Şiltleri (Mud Shields).
8.6 Yapım Yöntemleri Zemin Basınç Dengeleme Makinesi Yöntemi (EPBM) (H.İ. Ayış, YL Tezi)
8.7 Tünel Kaplaması Tünellerin iç kısımları sabit ve kalıcı bir şekilde destek amacıyla kaplanır. Sağlam, kendi kendini destekleyebilecek kayaç kısımlarda kaplama gerekmeyebilir. Yumuşak zeminde kaplama taş duvar, tuğla duvar, dökme demir, prefabrik beton bloklar veya yerinde beton dökme şeklinde yapılabilir. Cıvatalarla bağlı dökme demir veya beton bloklarla kaplama durumunda, kaplamanın ardına basınçla beton enjeksiyonu yapılarak boşluklar doldurulur. Bazı prefabrik takviyeli beton bloklar da toprağa karşı itilerek yerleştirilir. Birbirine geçmeli olarak yapıldıklarından arkalarına beton enjeksiyonu gerekmez.
8.7 Tünel Kaplaması Püskürtme beton Islak: Shotcrete = wet mix Kuru: Gunit = dry mix Kalıp gerektirmez Hızlı prizlendirici katkı kullanılabilir Tünel, baraj, şev stabilitesi, bina güçlendirilmesi, havuz gibi yerlerde
8.7 Tünel Kaplaması
8.7 Tünel Kaplaması Püskürtme betonla havuz yapımı
8.7 Tünel Kaplaması
8.8 Düşey ve Eğimli Kazılar (Kuyu ve Bacalar) Demiryolu tünellerinde bacalar bulunur: Çok kısa tüneller hariç, yapım için gerekli Daha sonra havalandırma amacıyla kullanılır Bu tür baca veya kuyular yukarıdan aşağıya doğru yapılırlar. Kuyunun içine halka şeklinde bir koruma duvarı Arkasına beton enjeksiyonu bir alt katmanın kazılması su veya akıcı kuma rastlandığında özel önlemler ve sağlamlaştırma Tünellere yüzeyden erişim için sabit veya yürüyen merdivenler genelde yatayla 30 derece açılı eğimli kazılar normal tünellere benzer şekilde yüzeye yakın, su birikmesi veya dolgu zemin olan yerlerde önemli sorunlar yaşanabilir. drenaj ve kurutma işlemleri, basınçlı beton enjeksiyonu, kimyasal beton enjeksiyonu, zemin dondurma veya başka zemin iyileştirmesi gerekebilir.
8.8 Düşey ve Eğimli Kazılar (Kuyu ve Bacalar) Beton kaplamalı düşey kuyu
8.9 Tünellerin Denetlenmesi ve Bakımı İyi yapılmış tüneller, özellikle kuru bir zemin üzerindeyse çok az bakım gerektirirler. Yine de tüm tüneller düzenli olarak detaylı denetlenmeli ve bu amaçla erişim sağlanmalıdır. Denetim sıklığı tünelin genel durumu, yapıldığı malzeme ve zeminde bulunan su miktarına bağlıdır. Tüm denetim, bakım ve tamir çalışmalarına ilişkin kayıtların tutulması, içine sızan suyun miktarının kaydedilmesi gerekir. Tuğla koruma duvarlı tünellerde tuğlalar arasındaki derzlerin periyodik olarak tamiri gerekirken, dökme demir veya beton kaplamalı tünellerde böyle bir şey gerekmez.
TBM Tünel açma video: https://youtu.be/qx_ejmllgqy Mega Tünel Kazma Makineleri https://youtu.be/v014jkv22gs https://youtu.be/-bpnvrwax1g hızlı tren çalışması için Bilecik, Bozüyük bölgesinde montajı yapılan TBM: https://youtu.be/tdocnq0drzy
İlginiz için teşekkür ederim. Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Ekim 2016 53