YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Genişletilmiş 9. Bölüm (Permeabilite katsayısı,tünellerde su geliri ve hesaplanması, Suyun etkileri, Çimento enjeksiyonu, Su kanal kesit boyutları ve pompagücü hesapları) Prof. Dr. Müh. Yapı Merkezi AR&GE Bölümü 2010 1
AÇIKLAMA NOTU Bilgi föyünün hazırlanmasında ülkemizde tünel mühendisliği konusunda büyük bilgi birikimi ve deneyimleri olan Yapı Merkezi İnşaat A.Ş. nin arşivlerinden ve yayınlarından geniş ölçüde istifade edilmiştir. Bu akademik etkinliği destekleyen Yapı Merkezi Holding A.Ş. Onursal Başkanı Dr. Müh. Sayın Ersin ARIOĞLU ile Yönetim Kurulu Üyeleri ne teşekkür edilir. Çalışmanın dijital ortamda hazırlanmasında büyük emeği geçen Y. Müh. Gözde KURT, Y. Müh. Sanem KAYALI ve Y. Müh. Ali YÜKSEL e teşekkür edilir. Buçalışma kamusal yarar gözetilerek khazırlanmıştır. Çalışmada kullanılan bilgi föyleri, sunu malzemesi vs. kaynak gösterilmek kaydıyla kullanılabilir. Bilgii föyü kapsamında yapılan bütünçıkarımlar, değerlendirmelerğ di l ve görüşlerden sadece sorumludur. Çalıştığı kurumu bağlamaz. Bu ülkede, okumaya karşı istek artmadıkça, gaflet ve bu gafletten doğacak felaket azalmaz (Benjamin FRANKLIN) Tünelle ilgili çeşitli konularda daha geniş bilgi almak isteyenler Yapı Merkezi web sitesi olan www.yapimerkezi.com.tr adresi, Ar Ge Yayınları bölümünden temin edebilirler. 2
Prof. Dr. Müh. Kısa Özgeçmiş 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 16 adet ( 3 ü yabancı dilde İngilizce İspanyolca, Farsça) telif kitabı, ilgi alanlarında yayımlanmış 275 i aşkın makale, bildiri ve tartışma yazısı mevcuttur. Ayrıca 100 ün üzerinde ülke sorunları üzerinde çeşitli gazete/dergilerde yayınlanmış makale ve söyleşinin sahibidir. Sığ / derin yeraltı yapılarının stabilitesi, maden işletmelerinde dolgu kullanımı ve iksa boyutlandırılması, kaya mekaniği, kayaya gömülü kazık tasarımı, agrega/balast, püskürtme beton ve çok yüksek beton dayanımı konularında 300 ü aşkın bilimsel+teknik raporun yazarı/ortak yazarıdır. Ve 1970 ve 1980 yıllarında TÜBİTAK ça desteklenen araştırma raporlarının sahibidir. Prof. ARIOĞLU 3 kez Prefabrik Birliği nce Bilimsel Çalışma Ödülü ne layıkgörülmüştür. Yapı Merkezi 3000 kgf/cm 2 7 Günlük ÇokYüksekDayanımlı Beton Projesi nde proje koordinatörü olarak katılmıştır. ş 1994 2000 yıllarında TMMOB nin Maden Mühendisleri Odası İstanbul Şubesi Yönetim Kurulu Başkanlığını yürütmüştür. Şubat 2009 tarihinden itibaren YTÜ nde Tünel Dersi okutmaktadır. ergin.arioglu@ym.com.tr 3
Tünelde Su Gelirinin Olası Etkileri o Tünel arın/tavan stabilitesini bozarak göçük olasılığını arttırır. Sığ tünel durumunda göçük yeryüzüne kadar ilerleyerek ciddi stabilite sorunları yaratır. o İlerleme hızını etkileyerek tüneli durma noktasına getirir. o Tünelin tekrar ilerlemesi için yapılacak enjeksiyon işlemleri proje maliyetini olumsuz şekilde etkiler. Kaynak: Kaponig Tüneli, Avusturya, su geliri 300 l/sn, Riedmueller G., Schubert, W., 2001 den değiştirilerek. 4
Yeraltı Su Seviyesinin Tünel Su Gelirine Etkisi A Durumu Ayrışma zonu Tünel yer altı su seviyesinin üzerinde olduğundan su basıncı yoktur. A B Tünel Tünel YASS Daha derin açıldığından ğ kaya kütlesinin permeabilitesi daha düşüktür. Tünel geçkisi yer yüzeyine daha yakın açıldığından ğ ayrışma ş zonu nun etkisi altındadır. Yüzey / yağmur sularına maruzdur. B Durumu Tünel yer altı su seviyesinin basıncına maruzdur. Kaya kütlesinin permeabilitesi ve su basıncı yüksekliğine bağlı olarak tünel içinde su geliri beklenmelidir. Herhangi bir karstik oluşum olmadığı müddetçe permeabilite derinlikle azalmaktadır. 5
Fay Zonu / Su Gelirinin Neden Olduğu Aşırı Kazı ve Kaya Göçükleri Su geliri fay zonunun yerinde kohezyon değerini azaltır Tünel kemerleşme sınırı Su Karşılaşılan ya da beklenen fay fay zonları BOŞALMA RİSKLİ İ İ KÜTLE Kaya bulonu Süren Hasır çelik + kafes kiriş iksa + püskürtme beton Püskürtme beton + gerekirse hasır çelik ve sweilex bulon Su Su olması durumunda açılan drenaj delgileri ALTYARI (KAZILMAMIŞ) Kaynak: Biberoğlu ve Dalgıç, 1996. 6
İstanbul Metro Proje İnşası (Yenikapı) Sırasında 19 Eylül 2001 Tarihinde Meydana Gelen Göçük Yer altı suyu Yapay dolgu Kum, çakıl Kil Bilinmeyen bostan su kuyusu Kuyu çapı: 1,5 3 m (40 yıllık?) Kumtaşı, kiltaşı, silttaşı Arın çivileri L= 12 m o Göçük olayına ilişkin kimi bilgiler: Yaklaşık örtü kalınlığı: 14 m o Tünel açma metodu Klasik kazı yöntemi NATM o o o o Göçük olayı 04:30 da meydana gelmiştir. Göçen bina: 2 katlı/ workshop binalar Can kaybı: Binalarda oturan sakinler Göçük olayından önce meydana gelen anomaliler: Konverjans ölçümlerindeki artım hızı, tünel içi ve yerüstü deformasyonlarında artışlar, tünel aynasında göbekteki birim deformasyonlar, tünel içinde tavanda ıslanmalar, su geliri vb. İlgili kaynakta, yukarıda belirtilen anomalilerin alarm seviyesi nde gözlenmediği belirtilmektedir. Kaynak: Ayaydın, N., 2001. http://web.iku.edu.tr/courses/insaat/ce006/nejad%20ayaydin,%20istanbul%20metro%20collapse.pdf 7
İstanbul Metro Projesi İnşasında, Yenikapı (19 Eylül 2001) Meydana Gelen Göçme ve Göçme Sonrası Tünel Bilinmeyen bostan su kuyusu Kuyu çapı: 1,5 3 m (40 yıllık?) Arın akması Göçen binalar Tünel dolgusu Kaynak: Ayaydın, N.2001, http://web.iku.edu.tr/courses/insaat/ce006/nejad%20ayaydin,%20istanbul%20metro%20collapse.pdf 8
Karstik Yapının Altında Açılan 14.6 km Uzunluğundaki Tünelde Su Gelirine İlişkin Olası Senaryolar GIONA DAĞI Deniz Tünel Deniz Tünel A Genel durum B Derinde gelişmiş bir karstik kanalın yol açacağı durum Kireçtaşı kütlelerinin ana boşalımının kaynakları İkincil boşalımın kaynakları Yeraltı suyunun ana akışı İkincil yer altı suyu akım yönü Kireçtaşı Fliş Alüvyon Bindirme Karstlaşma zonu Kireçtaşı ince çatlaklı karstik yapı değil Karstlaşma zonunun tabanı 0 Yer altı su seviyesi (karstik veya ince çatlaklı ortam) Doygun zonda akış yönü İletim zonunda akış ş yönü Kaynak: Marinos, 2001 den değiştirilerek http://users.ntua.gr/marinos/downloads/kentucky_paper.pdf 9
Karstik Erime Boşluklarının Bir Tünelde Yol Açtığı Problem Küçük karstik boşluk Yeryüzüne kadar ulaşmış karstik baca göçüğü (Kısmen kil/silt ile dolmuş) (Tünel derinliği 110 m) Kaynak: Marinos, 2001 http://users.ntua.gr/marinos/downloads/kentucky_paper.pdf 10
NATM Uygulanan Münih Metrosunda Meydana Gelen Göçük Kriterinin Yeryüzündeki Hasar Görünümleri Göçük kriteri Kaynak: Ibel, R, London Bridge Associates, 2010. 11
Ön Hidrojeolojik Etüdlerle Araştırılmış Eski Bir Dere Yatağından Beslenen Su Geliri Örneği: Atina Metrosu Tünel Kazısı Kifissos mecvut dere güzergahı Tünel güzergahı Kifissos eski dere yatağı Kot (m) Kifissos eski dere yatağı Prophet Daniel deresi Çalışma alanı Kaynak: Marinos, vd., 2006. http://www.iaeg.info/iaeg2006/papers/iaeg_310.pdf Güzergah (m) k = 1.0E 5 1.2E 4 m/sn Su seviyesi (01/2003) kazıdan önce k = 1.0E 6 1.0E 5 m/sn Su seviyesi (10/2005) kazıdan sonra k = 1.0E 7 1.0E 6 m/sn Pompa kuyusunun yeri k = 1.8E 9 1.0E 7 m/sn Prophet Daniel deresi Tünel Kazılan tünel Şaft İstasyont Değerlendirme notu: Eski dere yatağında yerinde kuyu deneyleriyle ölçülen permeabilite, k değerleri hem düşeyde hem de yatay doğrultuda olağanüstü değişkendir (k = 1.0E 9 1.0E 4 m/sn). Bu durum dere yatağındaki çökel malzemesi nin tipik yapısından kaynaklanmaktadır (Bkz. Bir sonraki slayt Fotoğraflar ). 12
Ön Hidrojeolojik Etüdlerle Araştırılmış Eski Bir Dere Yatağından Beslenen Su Geliri Örneği: Atina Metrosu Tünel Kazısı (devam) Su geliri Eski dere yatağı alanındakitünelarınında yer alan; 1 Uyumlu konglomera çimentolaşma killi marnlı yapıda 2 İyi çimentolanmış konglomera çimentolaşma kalkerli yapıda Eski dere yatağı alanındaki tünel arınında yer alan konglomera boyunca yerel su geliri Kaynak: Marinos, vd., 2006. http://www.iaeg.info/iaeg2006/papers/iaeg_310.pdf 13
Mevhibe İnönü Tüneli Jeolojik Boy Kesiti ve Tipik Ayna Kesitleri TÜNEL LEJAND KİL KİL KİREÇTAŞI KUM SİLTLİ KİL MARN DOĞU BATI Kireçtaşı Su Geliri Kil Kum Marn Siltli Su Geliri Kil Siltli kil Siltli kil kil Su Geliri Yok Su Geliri Siltli kil Fay zonu Su Geliri Km: 6+300 Km: 6+800 Km: 7+000 Km: 7+140 Kaynak: Yapı Merkezi arşivi, Arıoğlu, B., Yüksel, A. ve Arıoğlu Ergin, 1995. 14
Mevhibe İnönü Tünelinde Su Geliri ve Günlük İlerleme Hızları 800 700 Debi (l/dak) 600 500 400 300 200 100 0 6100 Batı tüneli toplam su geliri (Portal) Doğu tüneli toplam su geliri (Portal) Batı tüneli ayna su geliri 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000 7100 7200 7300 7400 7500 7600 eme hızı ün) Günlük ilerl (m/gü 4.5 4.0 3.5 3.0 25 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 6100 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000 Bahçeli ievler istasyo onu 7100 7200 7300 7400 7500 7600 Güzergah, km Kaynak: Yapı Merkezi arşivi, Arıoğlu, B., Yüksel, A. ve Arıoğlu Ergin, 1995. 15
Himalaya da 750 m derinlikte TBM ile açılan bir tünelde basınçlı akiferden kaynaklanan su geliri Maksimum debi 67 m 3 /dakika Su geliri lokasyonu Basınçlı akifer liri, m 3 /dakika Su ge Su patlamasından ötürü makine 280 gün olduğu yerde kalmıştır. Gün Çatlaklardan sızan su TBM Kesici kafa Maksimum debide 1 günlük su geliri: Su patlağı 3 3 m dakika saat m 67 x60 x24 = 96480 dakika saat gün gün Pillit Kuvarsit Kayma zonları Sızıntı Artesiyen akışı Kaynak: Reva, 1994 den alıntılayan Barton, 2006. 16
Fay Zonlarında Derinlik ve Su Gelirinin TBM İlerlemesine Etkisi Derinlik < 50 m 50 200 m > 200 m aşırı sıkışma olmaksızın Kaya kütle türü Bloklu kil Diğerleri Bloklu kil Diğerleri Bloklu kil Diğerleri Arından su geliri, Kuru < 0.1 > 0.1 Kuru < 0.1 > 0.1 Kuru < 0.1 > 0.1 lt/dak/m 2(x) Ortalama günlük TBM ilerlemesi, m/gün (x) m 2 birim kazı arınınınalanıdır. Kaynak: Bieniawski et al, 2009 an basitleştirilerek. Değerlendirme notu: 10 1515 5 15 1 5 5 15 1 1010 1 5 5 10 1 5 <1 Derinlik ve arındaki su geliri miktarı fay zonunda TBM ilerlemesini olumsuz etkilemektedir. Fay malzemesinin sıkı kil olması arını kuru ortam yapmakta ve ilerleme daha yüksek olmaktadır. Verilen bir derinlikte artan arın su geliriyle TBM ilerlemesi önemli ölçüde azalmaktadır.örneğin derinlik, H > 200 m de arında su geliri > 0.1 lt/dak/m 2 ise TBM nin ilerlemesi 1 m/gün den küçük olmaktadır. Bu düşük ilerleme hızı birim (kazı+iksa) giderinin çok yüksek olması demektir. Ayrıca, derin tünellerde düşük ilerleme hızının TBM nin sıkışma riski ni arttırdığı unutulmamalıdır. 17
Denizaltı Tünellerin Güzergahını Belirleyen Temel Parametreler Çökel Minimum kaya kalınlığı Minimum kaya kalınlığı o Karayolunun proje eğimi o Su gelirini önleme ve tünel stabilitesini sağlamak için gerekli en az kaya kalınlığı Kaynak: Palmström, A., 2002. http://www.rockmass.net/misc/norw/sub sea_tunnels.pdf. 18
Fay Zonundan Geçen Denizaltı Tünelinde Kaya Formasyonunun Birim Metresindeki Çatlak Sayısı Değişimi BATI DOĞU o Fay zonunda çatlak sıklığı diğer bölgelerdeki sıklığa kıyasla daha yüksektir. Dolayısı ile hidrolik bir basınç altında bu çatlaklardan su gelmesi yüksek olasılıktadır. o Çatlak sıklığının yüksek Kaya Gevşek dolgu Kaya olmasından dolayı bu zondaki dki basınç ve kayma dalgalarının yayılma hızları ana kaya kütlesine göre çok düşüktür. Hızdaki bu belirgin anomali, bu kritik zonların önceden Eğik açılmış delgiler belirlenmesinde önem taşır. Kaynak: Palmström, A., Huang, Z., 2007 den değiştirilerek. http://www.rockmass.net/misc/paper/norwegian_exp_in_xiamen.pdf 19
Tünel Derinliğinin Zayıf Ayrışmış Zon Geçişlerine Etkisi Fay zonu Kaynak: Palström, A., Nilsen, B,? den değiştirilerek. Sığ tünel Derin tünel A Durumu: Tünel geniş zayıflık zonundan geçer. Bu nedenle gerek delme patlatma gerekse TBM ile yapılan kazılarda ciddi stabilite problemleri sözkonusudur. Ayrıca, zemin/ kaya iyileştirmelerine yönelik olarak yapılacak enjeksiyon masrafları da fazladır. B Durumu: daha A durumuna kıyasla daha sınırlı bir zayıflık zonu genişliği sözkonusu olacağından stabilite ve su sızıntıları problemleri göreceli olarak daha azdır. (Artan derinlikle birlikte kemerleşme daha iyi oluşacağından iksa basınçları açısından da avantajlıdır. Ayrıca permeabilite katsayısı da artan derinlikle azalabilir). 20
Su Derinliğinin Minimum Kaya Örtü Kalınlığı ile Değişimi Tünel Zayıf kaya formasyonu: o Yerinde basınç dayanımı düşük o İçsel sürtünme açısı: 15 30 o Jeolojik dayanım indeksi GSI =10 30 o Yerinde taşıma kapasitesi düşük iği, m Su Derinl İyi kaya formasyonu: o Yerinde kaya basınç dayanımı yüksek o İçsel sürtünme açısı: 30 45 o Jeolojik dayanım indeksi GSI= 60 90 o Yerinde taşıma kapasitesi yüksek Minimum kaya kalınlığı, m Örnek: Su derinliği 100 m olan karayolu tünelinde stabilite açısından minimum kaya örtü kalınlığı iyi ve zayıf kaya formasyonunda sırası ile 35 m ve 52 m olmaktadır. Kaynak: Palmström, A., 2002 den değiştirilerek 21
Norveç ç te Açılan Çeşitli ş Denizaltı Tünellerinde Bırakılan Minimum Kaya Topuğu ğ Kalınlığığ m Kaya Örtü Kalınlığı, h k, 75 Açıklama Karayolu tüneli Boru hattı tüneli Su tüneli Stabil olmayan örnekler (*) Temel tasarım ölçütü: Denizden su gelirini önlemek açısından kaya topuğunun kalınlığı 50 kesinlikle yeterli olmalıdır. 25 Zemin Kaya Örneğin 50 m (su+zemin katmanı) olan bir karayolu tünelinde kaya topuğunun kalınlığı en az 30 m olmalıdır. h su h z h k Tünel 0 0 50 100 150 200 Temel Kaya Yüzeyine Kadar olan Derinlik, (h su +h z ), m (*) Zayıflık zonlarında oluşan göçükler Kaynak: Nielsen, 1994 22
Denizaltı Tünellerinde Zayıflık ZonlarınınGöçme Analizi 0 I 0 D= Tünel yüksekliği Deniz b = Tünel genişliği Kaya yüzeyi Fay / zayıflık zonu Zemin A= Tünelin kesit alanı L= Zayıflık zonunun genişliği H k = Kaya örtüsü kalınlığı Göçük H= Olası göçük yüksekliği H k H D α 1 L 90 I α 2 α 2 b I I KESİTİ α 1 = Göçük yığınının yatayla yaptığı açı α 2 =Ezik zonun kayma açısı, Norveç denizaltı tünellerindeki gözlemlere göre tipik değeri 40 dir. ρ 1,ρ 2 = Sırasıyla göçük öncesi ve sonrası zemin birim hacim ağırlıkları ( ) H+D V 1 =L H+D. +b +A.L=Göçük oluşmadan önceki hacim yerinde hacim tgα2 2 2D + H D D V 2 =L.H. +b + L.D+. +b =Göçükten sonra zemin/kaya kütlesinin hacmi tgα2 2tgα1 tgα2 Olası göçüğün yüksekliği aşağıdaki hacim koşulundan hareketle bulunabilir: V.ρ =V.ρ 1 1 2 2 ρ V =.V =u.v 1 V2 V1 V1 ρ2 ρ1 u =, u = Zeminin hacimsel kabarma katsayısı, u 1 = 1,2 1,5, Genellikle u 1 = 1,3 ρ2 Kaynak: Nilsen, 1994 23
Üç Şeritli Karayolu Tünelinde (Kesit alanı, A= 68 m 2 ) Potansiyel Göçmenin Maksimum Yüksekliğinin, Zayıflık Zonu Genişliği, L, ve α 1 ve α 2 (α 2 =40 ) ile Değişimleri Göçük Yükse ekliği H, m α 1 =35 u=1,2 u=1,3 Göçük Yükse ekliği H, m u=1,3 L= 2 m L= 4 m Olası u=1,5 Olası L, m Göçük yığınının yatayla yaptığı açı, α 1, Kaynak: Nielsen, 1994. Değerlendirme Notu: Verilen geometrik koşullar için bulunan olası göçük yüksekliği, H kaya örtü kalınlığı ndan, H k daima küçük olmalıdır (H < H k ). 24
Kuru ve Suya Doygun Numunelerin Basınç Dayanımları Arasındaki İstatistiksel İlişkiler mı suya, s, MPa i basınç dayanım numune,σ lab, Tek eksenli doygun n (σ ab, k ), % lab, s /σ la 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 σ = 0,353.σ 2,41 lab,s lab,k n=31, r= 0,888 0 20 40 60 80 100 120 140 160 X =% 27,43 Silttaşı Çamurtaşı Marn Tüf Tek eksenli basınç dayanımı kuru numune,σ lab,k, MPa σ lab,s σ lab,k =0,127.σ + 20,31 lab,k n=31, r= 0,423 Kuru numunenin tek eksenli basınç mukavemeti arttıkça suya doygun numunenin basınç dayanımı da artmaktadır. Bu artış lineer bir istatistik modelle temsil edilebilir. Suya doygun numunenin kuru numuneye basınç dayanımı oranı ile, kuru numunenin tek eksenli basınç dayanımı 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 şiddetlidir. Bu nedenle bu tür kayaçlar içinde açılacak tünellerde suyun etkisi özenle gözetilmelidir. 60 ( X = Aritmetik ortalama, n=data sayısı, r= Regresyon katsayısı). 70 Kaynak: Yapı Merkezi / Ar Ge Bölümü, 2008. 25
Çamurtaşı ve Silttaşı Kaya Numunelerinde Ergüler ve Ulusay, 2008 e Göre Basınç Dayanımlarının (σ) Su İçeriği (ω)ile Değişimleri Bas sınç dayanım mı, σ, MPa 70 60 50 40 30 20 10 Kuru numune basınç dayanımı a1.ω σ( ω ) =z 1.e Çamurtaşı Kaya Numune Kuru Birim Hacim Ağırlık, γ k, Silttaşı kn/m 3 z 1 a 1 Çamurtaşı 21,6 30 0,125 Silttaşı 24 65 0,25 Çamurtaşı 0,125.ω σ( ω ) = 30.e, MPa Silttaşı 0,25.ω σ( ω ) = 65.e, MPa Bileşiminde kil minerali bulunan sedimenter kayaçlarda basınç dayanımı hassas bir şekilde su içeriği ile değişmektedir. Artan su içeriği ile basınç dayanımları çok büyük ölçüde düşmektedir. Özellikle bu düşüş silttaşlarında daha belirgindir. Suya doygun numune basınç dayanımı ω=ω 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Su içeriği ω,% Kaynak: Yapı Merkezi / Ar Ge Bölümü, 2008 26
Kuru ve Suya Doygun Numunelerin Yarma Çekme Dayanımları Arasındaki İstatistiksel İlişkiler Yarma çekme dayanımı suya doygun numun ne,σ yç,s, MPa (σ yç,,s /σ yçk ), % 8 7 6 5 4 3 2 1 0 10 20 30 40 50 60 σ yç,s = 0,46.σyç,k 0,64 Silttaşı Çamurtaşı n=30, r= 0,818 Marn Tüf 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Yarma çekme dayanımı kuru numune,σ yç,k, MPa X =% 27,2222 σ yç,s σ yç,k yç,k n=30, r= 0,545 Basınç dayanımı ve elastik modülde olduğu gibi kuru ve suya doygun numunelerin yarma çekme dayanımı arasında anlamlı bir istatistiksel ilişki mevcuttur. =2,96.σ +10,24 Suya doygun numunenin, kuru numunenin yarma çekme dayanımı oranı ile kuru numunenin yarma çekme dayanımı arasında zayıf lineer bir analitik 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. 70 80 90 ( X = Aritmetik ortalama, n=data sayısı, r= Regresyon katsayısı). Kaynak: Yapı Merkezi / Ar Ge Bölümü, 2008. 27
Kuru ve Suya Doygun Numunelerin Elastik Modülleri Arasındaki İstatistiksel İlişkiler doygun Pa Modül, suya umune, E s, MP Elastik nu 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 10 E = 0,46.E 260,99 s k n=25, r= 0,812 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Silttaşı Çamurtaşı Marn Tüf Elastik Modül kuru numune,e k, MPa Basınç dayanımında olduğu gibi kuru ve suya doygun numunelerin elastik modülleri 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). k), % (E,s /E 20 30 40 50 X = %34,83 E s E k = 0,002.E + 25,11 k n=25, r= 0,420 60 70 80 90 ( X = Aritmetik ortalama, n=data sayısı, r= Regresyon katsayısı). Kaynak: Yapı Merkezi / Ar Ge Bölümü, 2008. 28
Q Sisteminde Kaya Kütlesinin Kohezyon, İçsel Sürtünme Açısı ve Su Gelirinin Olası Etkileri Kohezyon: RQD 1 σlab,b c= x x, MPa (Barton, 2002) J SRF 100 n [σ lab,b MPa] İçsel sürtünme açısı: J φ =tg 1 r xj w, (Barton,2002) Ja o Değerlendirme Notu: Su gelirinin kohezyon üzerine etkisi büyük ölçüde σ lab,b değerinin artan su içeriği ile azalması ve özellikle zayıflık zonları nda ise artan gerilme azaltma faktörü SRF ile etkili olabilir. Bu durumda kohezyon değeri önemli ölçüde azalmaktadır. o İçsel sürtünme açısı üzerindeki etkisi de artan su geliri/ basınç ile su azaltma faktörü J w inbelirginölçüde azalmasıyla ilintilidir. Genel olarak su gelirinin φ değeri üzerindeki etkisi limitlidir. 29
RMR ve Q Kaya Kütle Sınıflandırma Sistemlerinde Su Geliri Tanımları Cidar tanımı Su geliri (10 m tünel uzunluğu ğ için) lt/sn Su basıncı kgf/cm 2 Tamamen kuru <1 Nemli <10 1 2,5 Islak 10 25 2,5 10 Damlama 25 125 2,5 10 Akış >125 >10 Kaynak: Alıntılayan Palmström, 2009. http://www.rockmass.net/class/combining_rmr Q RMi.pdf Örneğin; tünel cidarı ıslak olarak tanımlanıyorsa 10 metrelik tünel uzunluğunda beklenebilecek su geliri Q= 10 25 lt/sn mertebesindedir. 500 metrelik bir tünel uzunluğundağ ki debi Q= 500 1250 lt/sn (0,5 1,250 m 3 /sn) olarak dikkate alınacaktır. 30
RMR Kaya Kütle Sınıflandırma Sisteminde Su Geliri Puanının Kaya Permeabilite Değerine Göre Takdiri Cidar tanımı Tamamen kuru Nemli Islak Damlama Akış Permeabilite, k (cm/sn) < 10 6 10 6 10 5 10 5 10 4 10 4 10 3 > 10 3 RMR Puanı 15 10 7 4 0 Kaynak: Raymer ve Klecan, 2003. 31
Kaya Kütlesinin Permeabilite Katsayısı Kaya Kütle Özellikleri Arasındaki İlişki Barton, 2002 ye göre permeabilite katsayısı: 1 1 1 L = = Q σ c lab,bb σ Q. RQD Jr Jw lab,b b x x 100 Jn Ja SRF 100 100.J n.j a.srf 7 L =, Lugeon, 1 Lugeon 10 m / sn RQD.J. J. σ r w lab,b ( ) Burada, RQD= Kaya kütlesi göstergesi, % J n =Çatlaksetisayısı ile ilintili faktör (Bkz kaya kütleleri Q sınıflama sistemi ek okuma parçalarına) J r = Çatlak pürüzlülük durumu ile ilgili J a= Çatlakların alternasyonu ayrışması ş ile ilintili faktör J w = Su geliri/ basıncı ile ilintili faktör SRF= Gerilme azaltma faktörü σ lab,b = Sağlam numunenin tek eksenli libasınç dayanımı, MPa. İfadeden görüleceği üzere permeabilite değeri, kaya kütlesini tanımlayan temel özelliklerden J n,j a,srfiledoğru 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) 32
Kaya Kütlesinin Permeabilite Katsayısı Kaya Kütle Özellikleri Arasındaki İlişki (devam) Kaya permeabilite katsayısına bağlı olarak çatlak koşullarının değerlendirilmesi aşağıdaki çizelgede belirtilmiştir (Look, 2007). Lugeon Çatlak koşulu <1 Kapalı veya çatlaksız 1 5 Küçük çatlak açıklıkları 5 50 Bazı açık çatlaklar > 50 Çok açık çatlak 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. (Hoek vd. 1995) GSI= RMR 5 RMR= GSI + 5 RMR> 23 Barton 1995; 2000) RMR 50 RMR 45 15 15 Q 10 Q 10 GSI 45 15 σlab,b Q c =10. 100 (σ lab,b =Sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı,mpa 33
Kaya Kütlesinin Permeabilite Katsayısı Kaya Kütle Özellikleri Arasındaki İlişki (devam) Sayısal Örnek Soru: 25 mderinlikte bir tünelde jeolojik dayanım indisi GSI= 20 ile tanımlanan bir düşey zayıflık zonu geçilecektir. Kaya numunesinin tek eksenli basınç dayanımı kestiriniz. σ lab,b = 10 MPa ve porozitesi %2 dir. bu zonun permeabilitesini Çözüm: Sınıflamasistemleri arasındaki çevrimler o RMR= GSI + 5= 20 + 5= 25, RMR= 25>23 o o RMR 50 25 50 15 15 Q = 10 = 10 = 0,0215 σlab,b 10 Q c = Q. = 0,0215. = 0,00215 100 100 o Barton 2002 abağından hareketle hesaplanan Q c =2,15.10 3 ve verilen derinlik H= 25 m ve porozite n=%2 değerlerine karşı gelen permeabilite katsayısı L 1000 Lugeon bulunur. Böyle geçirimliliği yüksek bir zondan su geliri beklenmesi yüksek bir olasılıktır. 34
Kaya Kütlesinin Permeabilite Katsayısı Kaya Kütle Özellikleri Arasındaki İlişki (devam) Yaklaşık derinlik, H, m Ana fay Küçük fay Sert gözenekli Sert çatlaklı Sert masif E y E y 1 E y Porozite,n Olağanüstü zayıf Aşırı zayıf Çok zayıf Zayıf Ortalama İyi Çok iyi Aşırı iyi Olağanüstü iyi Şekil Kaya kütlesi permeabilitesinin Q sisteminde belirlenmesi Kaynak: Barton, 2002. 35
Tünellerde Su Gelirinin Hesaplanması Genel Tünellerde su gelirinin hesaplanması yönelik teorik modelleri n kurulması oldukça zordur. Bu zorluk problemin yapısından kaynaklanmaktadır. Özellikle kaya kütlesinin çatlaklılık geometrisini ve hidrolik parametreleri geçirimlilik, su akım çizgilerinin yörüngesi, su basıncının dağılımı vb. tam olarak ortaya koyulması zordur. Aşağıda verilen modelle kestirilen su gelir lerinin sadece mühendise bir ön fikir verdiği unutulmamalıdır. o Dengeli rejimde su gelirinin bulunması (Heuer, 1995; Dumlu, 2005). o Düşey boşaltım modeli (Bkz Şekil a): Bu modelde geçirgen serbest akifer veya sabit hidrolik basıncı sağlayan deniz, göl gibi su kaynağı mevcuttur. Kaya kütlesi içinde açılan dairesel kesitli bir tünelde sözkonusu sınır koşullarındaki su geliri 2π 6,28.kH q su = kh= Z Z ln 2 ln 2 r r ile belirlenebilir. Burada q su = Birim tünel uzunluğu başına su debisi, Z= Tünelin aks örtü kalınlığı. Bir anlamda serbest akiferde suya doygun kalınlıktır. r= Tünel kazı yarıçapı,h=h su +Z, H su =Deniz,göldekisukalınlığı,k=Kaya kütlesinin ortalama geçirimlilik katsayısı. 36
Tünellerde Su Gelirinin Hesaplanması (devam) H su Z H H r r Tünel a Düşey rejim b Radyal rejim Şekil Tünellerde su gelirinin hesaplanması o Radyal akım (Bkz Şekil b): Sonsuz kaya kütlesi içinde açılmış bir tünelde su geliri radyal yönde gelişir. Akiferin etki yarıçapı R o a bağlı olarak su geliri 2π kh q su = kh = 6,28. Ro Ro ln ln r r şeklinde yazılabilir. Burada H yer altı su seviyesinin tünel aksı ile arasındaki dik mesafeyi tanımlar. 37
Tünellerde Su Gelirinin Hesaplanması (devam) Etki yarıçapı R o akifer kalınlığı bilinen serbest akiferde R o =2Z alınabilir. Basınçlı akiferdeki etki yarıçapı serbest akiferdekine oranla enaz 10 defa büyükük olarak kabul edilebilir (Dumlu, 2005). Bu durumda radyal rejimde birim tünel uzunluğu başına gelen su debisi daha küçük olacağı açıktır. o Tünel arınından sızan su geliri: q arın = F. q ile hesaplanabilir. Unutulmamalıdır ki bu ifadeden hesaplanan su geliri yaklaşıktır. F faktörü amprik olup, büyük ölçüde kaya kütlesinin çatlaklılık durumuna bağlıdır. Projelerde F 1 ila 5 arasında değer alır (Heuer, 1995). Örneğin çok az çatlak bulunmasında F= 1 alınabilir. Çatlaklı bir kaya kütlesinde kaya permeabilitesine bağlı olarak F= 1 2 arasında değer alır. Sözgelimi k= 10 Lugeon için F= 1,5 kabul edilebilir. k> 30 Lugeon durumunda ise F= 3 5 arasındadır (Heuer, 1995). 38
Kaya Kütlesinin Permeabilitesi ve Çimento Enjeksiyon Uygulama Limitleri Jeolojik yorumlama Kaya malzemesi Birkaç çatlak Tipik çatlak koşulları Yapısal bozulma etkisi Sıkı Geçirimsiz Düşük ş su geliri Belirgin su geliri Yüksek su geliri Yaklaşık Lugeondeğerleri 1 3 10 30 Tünel arınına su geliri faktörü, F 1 1.2 1.5 2 3 4 5 h Yoğun enjeksiyon ile başarılı olabilme aralığı Normal çimento enjeksiyon uygulaması Efektif değil Kimyasal enjeksiyon veya ince çimento kullanımı Kaynak: Heuner, 1995. Uygulama limitleri Yerindeki koşullara bağlı Normal olarak efektif 39
Tünelde Su Gelirinin Kestirilmesi ÖRNEK: 10 m uzunlu uğunda tünele e gelen su gelir ri, Q (lt/sn) H YASS Verilenler Basınç yüksekliği, H = 100 m Kaya kütlesinin ortalama Tünel permeabilitesi, (Tünel çapı, d= 10 m kabul edilmiştir) k = 4E 005 (=4x10 5 ) m/sn Hidrolik basınç, H Belirlenen 10 m tünel uzunluğu için beklenen su geliri, Q = 68 lt/sn Zemin /Kaya kütlesinin permeabilite katsayısı, k (m/sn) Kaynak: Marinos, 2005 den değiştirilerek. http://www.iaeg.info/portals/0/content/freecontent/tunnelling_through_karstic_rocks.pdf 40
Atina Metrosunda Hesaplanan ve Yerinde Ölçülen Su Gelirleri Zon 1 2 3 4 Hidrojeolojik zonda tünel kesiti Aghios Savvas alanı (2+200 2+350 km) Prophet Daniel şaftı (2+680 2+950 km) Geoponiki şaftı (2+950 3+450 km) Agricultural University (3+450 3+600 km) Kazı arınında ve arının 15 20 m arkasındaki su geliri Kazı arınında (m 3 /saat) ölçülen Hesaplanan maksimum Maksimum su geliri (2) (m 3 /saat) Birim kazı alanı başına su geliri arından (x) (lt/m 2 /dak) (2) / (1) x 100 (%) 15 50 40 15 3.2 37.5 100 300 140 45 9.5 32 15 60 50 15 3.2 30 2 10 10 3 0.6 30 (x) Eşdeğer kazı çapı 10 m alınmıştır. Kaynak: Marinos, vd., 2006 dan değiştirilerek. http://www.iaeg.info/iaeg2006/papers/iaeg_310.pdf 41
Sayısal Örnek Soru: Basınçlı su deney sonuçlarına göre kaya kütlesinin permeabilitesi k= 2,5.10 4 cm/sn bulunmuştur. Tünele su girişinin iii i düşey rejimde olacağı ğ öngörülmektedir. ö Hidrolik yüksekliğin kliği H= 30 molduğuna ğ göre olası su gelirini i i hesaplayınız. Çözüm: Birim tünel uzunluğu başına su geliri 2π 6,28 6 4 3 q = kh =. ( 2,5.10 ) x30 = 1,95.10 m / sn / 1m 2Z 20 ln ln 2x r 3,6 q= 11,74 lt/dakika/1 metre tünel uzunluğu mertebesindedir.arından gelecek su ise ortalama F= 3 değeriğ için q arın = F. q = 3 x 11,74 = 35,2 lt/dak 1 metre tünel uzunluğuiçin Yukarıdaki ifadeden açıkça görüldüğü gibi tüneldeki su geliri q, q arın büyük ölçüde kaya kütlesinin permeabilitesine k ve akiferin hidrolik yüksekliğine H bağlıdır. Tünel mühendisi fay, zayıflık zonlarında kaya kütlesinin permeabilite katsayısının olağanüstü artacağını, daha açık anlatımla bu tür zonların geçişinde su gelir inin sürpriz boyutlarda olacağını hiçbir zaman unutmamalıdır. Ve bu zonları geçmeden önce gereken teknik önlemlerin l (enjeksiyon yapılması, iksa sıklığını ğ arttırmak, püskürtme üküt bt beton kl kalınlığınıl ğ arttırmak, su ihraç tesislerinin kurulu güçünü yükseltmek vb.) alınmasını sağlamalıdır. 42
Su Gelirinin Çatlak Parametrelerine Bağlı Olarak Kestirimi Panti, 2006 ve Panti ve Nilsen, 2008 e göre tünelde su geliri, J n Jr Qsu f H s, lt/dak/m tunel J dir. a Burada, f = Permeabilite bl fk faktörü, lt/dak/m 2 tünel, 0.05 0.12 arasında değişir. ğ Küçük değerler ğ kaya kütlesinde çatlakların kapalı ve çatlak dolgu malzemesinin geçirimsiz olma durumuna karşı gelir. Büyük değer ise çatlakların büyük kısmının açık ve dolgu malzemesinin geçirimli olmalarını işaret eder. J n = çatlak takımı sayısı ile ilgili faktör J r = Pürüzlülük ile ilgili faktör J a = Ayrışma derecesini ifade eden faktör (J n, J r, J a faktörleri Q sisteminden alınacaktır) H s = Statik basınç, m 43
Tünel Kullanımına Bağlı Olarak İzin Verilebilir Su Sızıntı Miktarı Sınıf Islaklık derecesi Tipik tünel kullanımı İzin verilebilir su sızıntısı (x), lt/m 2 /gün 10 m iç çapında 10 m tünel uzunluğu ğ için izin verilebilir su sızıntısı, lt/gün 1 Tamamen kuru Depolama açıklıkları 0.01 3.14 2 Kuru 3 Kapiler ıslaklık Don tehlikesi olan karayolu tünelleri Karayolu/Demiryolu tünelleri 0.05 15.7 0.1 31.4 4 Az miktarda damlama 0.2 62.8 5 Damlama Drenaj ve kanalizasyon tünelleri 0.5 157 () (x) 1 m 2 tünel yüzey kaplama alanı cinsinden Kaynak: Specification for tunnelling, BTS 2010 den değiştirilerek. 44
Tünellerde Enjeksiyon İşlemiyle Su Gelirinin Kontrol Edilmesi Enjeksiyonsuz durum Sığ derinlik Derin tünel Q= 2 πk(h 0.5D) 4H ln + ξ D Q= 2 πkh 4H ln + ξ D Enjeksiyonlu tünel durumu Sığ derinlik Derin tünel 2 πk e (H 0.5D) 2 πke H Q= Q= 0.5D + L e ke 0.5D + L e ke 2H ke ln + ξ ln 0.5D k + ln + ξ 0.5D k 0.5D + Le k Q = Tünelde su geliri, m 3 /sn 1 m tünel su uzunluğu için, k = Kaya kütlesinin ortalama permeabilitesi, m/sn, H = Tünel aksındaki su basınç yüksekliği, m, D = Tünel kazı çapı, m, ξ = Yük faktörü, 3 5, k e = Enjeksiyon yapılan kaya kütlesinin permeabilitesi, m/sn, L e = Enjeksiyon etki uzunluğu Kaynak: Dalmalm, 2004. 45
Çimento Enjeksiyon Kalınlığının ve Permeabilitesinin Su Gelirine Etkisi Sığ Tünel Derin Tünel H = 10 m, D = 10 m, k = 1x10 6 6 m/s H = 100 m, D = 10 m, k = 1x10 6 6 m/s k/100 m) geliri, Q (l/da k e =1.0 10 8 m/s k =5.0x10 8 e m/s k e =1.0x10 7 m/s k e =1.5x10 7 m/s k/100 m) geliri, Q (l/da k e =1.0 10 8 m/s k =5.0x10 8 e m/s k e =1.0x10 7 m/s k e =1.5x10 7 m/s Su Su Enjeksiyon kalınlığı, L e (m) H = Tünel aksında su basınç yüksekliği D = Tünel kazı çapı k = Kaya kütlesinin permeabilitesi k e = Enjekte edilen kaya kütlesinin permeabilitesi Enjeksiyon kalınlığı, L e (m) Değerlendirme notu: Verilen su basınç yüksekliği ve enjeksiyon kalınlığında artan enjeksiyon geçirimsizliğiyle su geliri önemli ölçüde azalmaktadır. Kaynak: Dalmalm, 2004. kth.diva portal.org/smash/get/diva2:9644/fulltext01 46
Sayısal Örnek Soru: Derin bir tünelde (D = 10 m) H = 50 m su basıncında kaya kütlesinin permeabilitesi, k = 2x10 7 m/sn dir. Enjeksiyonsuz durumda 100 m tünel uzunluğunda beklenen su gelirini bulunuz (Genellikle cidar faktörü ξ =3 alınır). Eğer tünelde çimento enjeksiyonu ile 5 lt/dak/100 m su geliri sağlanıyorsa enjeksiyonun başarı oranı nedir? Çözüm: Enjeksiyonsuz durum 7 2 πkh 2 3.14 2 10 100 6 3 Q = = = 18.777 10 m /sn 4H 4 100 ln + ξ ln + 3 D 10 1 m tünel uzunluğu için 6 3 3 Q = 18.777 10 (m /sn/m) 100 (m) 60 (sn/dak) = 0.1126 m /dak = 112.6 lt/dak 100 m tünel uzunluğu Su azaltım oranı Q Q e 112.6 5 η e = 100= 100 %95.5 Q 112.6 47
Su Geçirimsizliğini Sağlamak için Delme+Patlatma Tünellerde Yapılan Ön Enjeksiyon Uygulamaları Arın Tünel Geçirimli zon Zayıf zon A) Tünel açılırken tünel arınının önünden açılan sondaj Arın B) Genelde su geçirgen zon tünel arınının 8 m 12 m ye kadar tünel açımı yapılır. Arın Enjeksiyon delgisi C) 15 m 20 m uzunluğunda enjeksiyon delgilerinin açılması Arın Enjekte edilen zon D) Kaya kütlesinin birincil enjeksiyonu ve geçirimli zon Arın Kaynak: Palmström, A., Huang, Z., 2007. E) Birincil enjeksiyonun kalite kontrolü için enjeksiyon deliklerinin denetlenmesi 48
Norveç Denizaltı Tünellerinde Uygulanan Kazı Destek Sistemleri ve Su Gelirleri Tünel Kazı oranı m/hafta Tavan saplaması, Saplama/m tünel Püskürtme beton Tünel m 3 /m tünel uzunluğunun % si Beton segment, Tünel uzunluğunun % i Ön enjeksiyon, kg/m tünel % si tünel Tünel açılışında su sızıntısı, l/dak/km tü l İşletme boyunca, l/dak/km tünel VardØ 17 6,9 0,95 >50 21 31,7 460 * Karmsund 34 1,5 0,72 65 15 13,4 * * EllingsØy 28 6,4 0,48 20 3 99,1 300 130 Kvalsund 56 4,0 0,31 * 0 0 320 180 GodØy * * 0,40 * 0 265 300 90 Freifjord 45 5,3 1,44 * 2,1 13,7 500 280 Hitra 46 4,2 1,44 * 0,2 11,4 60 * FrØya 37 5 2,9 ** 5 197 8,5 * BØmlafjord 55 3,8 1,9 ** 0 36 <50 * Oslofjord 47 4,0 1,7 ** 1 165 150 * North Cape 18/56*** 3,4 4 ** 34 10 60 * (*) Data mevcut değildir. (**) Tünel boyunca tavana püskürtme beton uygulaması yapılmıştır. (***) Şist, kumtaşı, mikaşist parçaları Kaynak: Nilsen, Palmstrom,?, http://geology.norconsult.no/papers/kyoto%202001%20stability%20and%20leakage.pdf 49
Ön Tasarım İçin Önerilen Enjeksiyon Delik Aralığı Kaya kütlesi çatlak durumu Enjeksiyon delik düzeni Sık aralıklı Orta Aralıklı düzen Az çatlaklı, kısmen açık çatlaklar 3 5 m 4 8 m 8 10 m Orta çatlaklı 2 4 m 3 6 m 6 8 m Çok çatlaklı, çatlak açıklıkları silt veya killi malzeme ile dolmuş 1 3 m 3 4 m 5 6 m Kaynak: Boge ve Johansen, 1995 den Nilsen ve Palmström, 2000. 50
Enjeksiyon Karışımının Ön Seçimi Çatlak türü ve çatlak açıklığı Tipik Lugeon değerleri, L Önerilen enjeksiyon karışımı Açık kanallar / karstik boşluk 50 Kum/çakıllı çimento karışımı Önemli çatlaklar, açıklık 1 cm 10 50 Ara çatlaklar, açıklık 0.3 1 cm 3 15 Çatlaklar, açıklık 0.01 001 01cm 0.1 1 5 Açıklık 0.01 cm < 1 Bentonit veya akışkanlaştırıcı katkı içeren çimento karışımı Süper akışkanlaştırıcı k ktki katkı içeren çimento karışımı Süper akışkanlaştırıcı katkılı mikro çimento karışımı Ultra ince mikro çimento + süper akışkanlaştırıcı katkı ve/veya silikat, acryle, epoksi, poliüretan gibi kimyasal esaslı karışımlar Kaynak: Boge ve Johansen, 1995 den Nilsen ve Palmström, 2000. 51
Normal Çimento ile Hazırlanan Tünel Enjeksiyon Karışım Örneği Karışım bileşenleri Normal Portland Çimento, kg Karışım (Su/çimento) oranı=1,2 (Su/çimento) oranı=0,8 127,5 170 Açıklama notu Su, litre 153 136 Enjeksiyon katkısı olarak Enjeksiyon katkısı, litre 37,33 36,33 mikro silikalı bulamaç karışım yapılmıştır Akışkanlaştırıcı katkı, litre 2,5 3,1 Hacim, litre 233,5 230 Kaynak: Palmström, A., Huang, Z., 2007. Süper akınlaştırıcı katkı, SP40 52
Mevhibe İnönü Tünel Kazısında Yeraltı Suyu Gelirine Karşı Alınan Bazı Mühendislik Önlemleri Delikli PVC boru Seyyar dalgıç pompa p Püskürtme beton Dolgu Drenaj kanalı Drenaj borusu Mıcır A Dolgu φ80 Püskürtme beton A Su ihraç borusu φ=5φ o Dalgıç pompa Su toplama çukuru Su toplama çukuru Mıcır Drenaj deliği (φ=45 mm) (l=3 m) A DETAYI Çelik kafes iksa Püskürtme beton A A KESİTİ Kaynak: Yapı Merkezi arşivi, Arıoğlu, B., Yüksel, A. ve Arıoğlu Ergin, 1995. 53
TBM kapalı mod ile Yapılan Sığ Tünel Kazılarında Tavan Kemerinin Çimento Enjeksiyonu ile İyileştirmesi Yararları: Limit denge durumunda taşıma kapasitesi: Enjeksiyon yapılan zeminin tek eksenli basınç dayanımı, σ b Limit it denge durumunda d taşıma kapasitesi, q* Güvenlik katsayısı, GK h d q* = 8 σb b 2 q* GK = q Orijinal zemin Tavan basıncı rijit bir kemerle taşındığından göçük olasılığı ğ etkin şekilde azaltılmıştır. ş Yeryüzü tasman ve deformasyonları büyük ölçüde azaltılmıştır. Basınç altında çalışan TBM de kazı odası nda tamir+bakım çalışmaları için güvenli ortam sağlanmıştır. Proje zamanında sapma lar önlenmiştir. Tavanı enjeksiyon ile iyileştirilmiş Kaynak: Kovari and Ramoni, 2006 dan değiştirilerek. http://www.ita aites.org/fileadmin/filemounts/general/pdf/itaassociation/organisation/members/membernations/malaysia/kn02.pdf 54
Drenaj Rejimine Bağlı Olarak Dairesel Kesitli Tünelde Tavan Basıncının Hesaplanması o Drenajsız durum: c cosφφ γ '. r 1 sinφ P=h + γ h +h h2 sinφ 1+. r 1 sinφφ ( ) 2 su 1 2 h 1 h 2 o Drenajlı durum: c cosφ γ'. r 1 sinφ h 1 +h2 P=h 2 + γ su h2 sinφ h2 sinφ 1+. 1+. r 1 sinφ r 1 sinφ Sembollerin anlamları: op= Tavan basıncı od= Tünel kazı çapı or= Tünel kazı yarıçapı oh 1 = Deniz/ göl su derinliği Segment Hidrolik eğim : h +h i = h 1 2 2 oh 2 = Örtü kalınlığı oγ = Zemin/ kaya kütlesinin su altındaki birim ağırlığı, γ =γ s γ su oγ s = Suya doygun zeminin birim hacim ağırlığı oγ su = Suyun birim hacim ağırlığı oc= Kohezyon oφ= İçsel sürtünme açısı Kaynak: Kolymbas, D., Wagner, P., 2007; Kolymbas, 2008. 55
Tünel Drenaj Örneği Drenaj kanalı Püskürtme beton kaplama Geomembran Geospacer Kaynaklı Geomembran Geospacer Kablo kanalı Kuru dolgu Geomembran Delikli boru Beton yatak Taban Kaynak: Kolymbas, 2008. 56
Geri Çözümleme ile Bulunan Çeşitli Tünel Kaplamalarının Permeabilite Aralığı Düşük permeabilite* Ortalama permeabilite Yüksek permeabilite Püskürtme beton Saplamalı l dökme demir+beton (Celestino, 2001) Saplamalı dökme demir Saplamalı beton Püskürtme beton (Ölçülen değerler, Dimmock, 2010) Bugünün püskürtme beton teknolojisiyle sağlanan dayanıklılık 1E 16 1E 15 1E 14 1E 13 1E 12 1E 11 1E 10 1E 09 1E 08 Düşük permeabilite Ortalama permeabilite Yüksek permeabilite Permeabilite, k (m/sec) *Pemeabilite sınıflandırması Beton Birliği Teknik Raporu, No.31, 1998 den alınmıştır. Kaynak: Celestino, 2001 ve Dimmock, 2010 dan değiştirilerek, Yapı Merkezi / Ar Ge Bölümü, 2010. http://www.ita aites.org/fileadmin/filemounts/general/pdf/itaassociation/productandpublication/training/trainingcourses/sp1_2005.pdf 57
Arın / Tavan Stabilitesini Arttırmak Suretiyle Varolan Risk in Etkin Şekilde Azaltılması O 1 R = O x Z R Risk O Gözlenen olasılık Z Zarar 1 1 2 1 2 3 İyileştirilen arın iksası Enjeksiyon yapılan zemin Yll Yolların kapatılması, tl binaların boşaltılması 3 Arında göçük Yeryüzü tasmanı, göçüğü Kalıntı risk 0 %100 Z Kaynak: Kovari and Ramoni, 2006. http://www.ita aites.org/fileadmin/filemounts/general/pdf/itaassociation/organisation/members/membernations/malaysia/kn02.pdf 58
Riskli Oluşumun Gözlenme Olasılığı 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 k Hemen hemen kesin > 90 Kaynak: Tunnel Design Guide, BTS, London, 2004. 59
Risk Yönetiminde Etki Açılımı Etki Düzey Maliyet Zaman Saygınlık kaybı 1 Çok düşük İhmal edilebilir 2 Düşük Belirgin 3 Orta Ciddi 4 Yüksek 5 Çok yüksek Projenin geleceğine etkili / İşveren ilişkilerinde hukuksal sorunların başlaması Projeyi ciddi ölçüde tehdit etmesi İhmal edilebilir Proje süresine etkisi yok Yok İşyeri güvenliği ve sağlığı İhmal edilebilir Çevresel İhmal edilebilir > 1% Proje > 5% Proje Düşük düzeyde Minor Minor çevresel maliyeti süresi kayıp yaralanma hasar > 5% Proje maliyeti > 10% Proje maliyeti > 50% Proje maliyeti Kaynak: Tunnel Design Guide, BTS, London, 2004. > 10% Proje süresi > 25% Proje süresi > 50% Proje süresi Lokal basın / iş ilişkilerinde etkili Ulusal basında projenin tartışmaya açılması /iş ilişkilerine büyük ölçüde etkimesi Ulusal boyutta firmanın saygınlık kaybı / iş ilişkilerinde ciddi sarsılmalar Önemli yaralanma Can kaybı Çoklu can kaybı Çevresel hasar yöntemi gerekli Önleyici tedbirlerin alınması Kamusal sağlık açısından veya ulusal kaynak korumasında geri dönülmez etkiler 60
Tünel projelerinde Risk Skor Matrisi Oluşumun olasılığı Çok düşük 1 Düşük 2 Etki derecesi Orta 3 Yüksek 4 Çok yüksek 5 Çok düşükş 1 İ İ İ İ T Düşük 2 İ İ T T B Orta 3 İ T T B B Yüksek 4 İ T B B TE Çok yüksek 5 İ B B TE TE Açıklamalar: İ İhmal edilebilir T Tolere edilebilir B Belirgin risk 10 14 TE Tolere edilemez risk 15 25 Risk = Riskli oluşumun olasılığı x Etki Kaynak: Tunnel Design Guide, BTS, London, 2004. 61
SU KANALLARI VE POMPALARI o Genel Tünel kazı ve işletmesi isırasında çatlaklardan lkl sızan suların kanal aracılıyla l su havuz di dairesinde id toplanıp, su ihraç pompa sistemiyle yerüstüne tahliye edilmesi gerekmektedir. Su ihraç projesinde en önemli parametrelerden biri su debisinin kestirilmesidir. Bu büyüklük tünelin geoteknik çalışmasında yapılan hidrojeolojik etütlerden elde edilir. Ön proje yaklaşımında ise su debisi kaya sınıflama sistemlerinde rapor edilen değerlerden yararlanabilir. Örneğin; RMR kaya sınıflama sisteminde olası su gelirleri aşağıdakiş ğ mertebelerdedir. (Daha ayrıntılı bilgi için Palmström, 2009 a http://www.rockmass.net/class/combining_rmr Q RMi.pdf bakılmalıdır). 62
Devamıdır Cidar tanımı Su geliri (10 m tünel uzunluğu ğ için) lt/sn Su basıncı kgf/cm 2 Tamamen kuru <1 Nemli <10 1 2,5 Islak 10 25 2,5 10 Damlama 25 125 2,5 10 Akış >125 >10 Kaynak: Alıntılayan Palmström, 2009; http://www.rockmass.net/class/combining_rmr Q RMi.pdf Örneğin; tünel cidarı ıslak olarak tanımlanıyorsa 10 metrelik tünel uzunluğunda beklenebilecek su geliri Q= 10 25 lt/sn mertebesindedir. 500 metrelik bir tünel uzunluğundağ ki debi Q= 500 1250 lt/sn (0,5 1,250 m 3 /sn) olarak dikkate alınacaktır. 63
Devamıdır En verimli su kanal boyutlarından geçirebilecek akış debisi süreklilik ifadesine göre debi Q Q= V. A dir. Manning formülüne göre kanalda akış hızı V 1 V =.R.I n 2 1 3 2 n n= Kanal pürüzlülüğünü ifade eden amprik faktör (Bkz Çizelge) R n = Kanalınhidrolikyarıçapı, AIan A R n = = Islak çevre Ç I= Kanal eğimi. ğ Genellikle I= 0,001 0,004 olarak verilmektedir. (Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz,2001). Çizelge Manning n faktörünün deneysel değerleri ve ortalama pürüz yüksekliği Yapay kanal cidarları n ε, mm Çıplak beton Perdahlı beton Kaba taş duvar Kazılmış toprak kesit 0,014 ±0,002 0,012±0,002 0,025±0,005 Temiz 0,022±0,004022±0 004 37 Çakıllı yüzey 0,022±0,005 80 Taşlı 0,035±0,010 500 Kaynak: Wright, 1999, (Çevirenler: Kırkköprü ve Aydar, 2004). 2,4 1,0 80 64
Devamıdır Örneğin, trapez kesitli libirsukanalındaenverimli i liboyutları (*) dikkate alarak akış debisi i 1 0,66 0,50 3 Q = A..R h.i, m /sn n a+b A=.h, m 2 a = 1,756. A b=0,878. A h = 0,76. A Ç= 2,63. A = 3b A h R h = =0,38. A = Ç 2 2 α=60 a b h şeklinde yazılabilir. (Çeçen 1982 den alıntılayan Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz,2001). (*) Verilen akış kesitinde debinin maksimum olması için hidrolik yarıçapın R h minimum olması gerekir. Bu koşulu sağlayan su kanalları en verimli olmaktadır. 65
Devamıdır Su kanalının rejim türütahkik edilmelidir. lidi Eğerğ kanalda h<hh k ise sel rejimi i sözkonusudur. Kanaldaki su seviyesinin, h daima kritik su yüksekliğinden h k büyük olması sağlanmalıdır. Kritik su yüksekliği ise 2 Q h 3 k =, m 2 b.g dir (Çeçen, 1982). (Q m 3 /sn, b m ve yerçekimi ivmesi g= 9,81 m/sn 2 olarak alınacaktır). Ayrıca; kanaldaki ortalama akış hızı V su içindeki sürüntü maddelerinin kanalda çökmemesi için kritik hız dan büyük olmalıdır. (Örneğin sürüntü maddelerin çapı d= 0,05 mm ise kritik hız V k =0,20 m/sn mertebesindedir). 66
Sayısal Örnek: Aşağıda geometrik boyutları belirtilen kayada (n=0,045) açılan su kanalının geçebileceği debiyi hesaplayınız. 0,30 m 0,60m Kanal eğimi I= 0,002 I Çözüm: Manning bağıntısından akış debisi 1 n 0,66 0,5 3 Q = A.V = A..R h.i, m/sn Hidrolik yarıçap: Alan 0,30x0,60 R h = = = 0,15 m Islak çevre 2x0,30 + 0,60 1 0,66 0,5 3 Q = 0, 60x0,30x x ( 0,15) x ( 0, 002 ) = 0, 051 m /sn 0045 0,045 Q= 184 m 3 /saat 67
SU KANALLARINDA DEBİ ÖLÇÜMLERİNDE KULLANILAN İNCE LEVHALI SAVAKLAR Tam genişliklidikdörtgen: Su debisi: plaka a h su b h su Q 0,564 + 0,0846.a.g.b b a= Kanal genişliği b= Plaka yüksekliği h su =Savaktaki suyüksekliği g= Yerçekimi ivmesi 0,5 1,5 VÜçgen çentik savak: θ h su Su debisi: θ Q 0,44 tg.g.h 2 0,5 2,5 su İnce plaka θ= Çentik açısı b 20 < θ < 100 Kaynak: Wright, 1999, (Çevirenler: Kırkköprü ve Aydar, 2004). 68
POMPA GÜCÜ ve KARAKTERİSTİK EĞRİLER Pompa Gücü: Pompa gücü Q. H N=. 75.η γ ile bellidir. Burada: N= Motor gücü, üüps Q= Su debisi, m 3 /sn ΣH= Toplam monometrikyükseklik, m γ= Suyunyoğunluğu, kg/m 3. Su içinde sürüntü malzemesi mevcut ise sürüntü malzemesinin hacimsel konsantrasyonu dikkate alınarak karışımın yoğunluğu hesaplanmalıdır. Bu durumda γ> 1000 kg/m 3 olduğu unutulmamalıdır. η= Genel verim, η= 0,50 0,75 arasındadır. 69
Devamıdır H=Δh+JL+Lokal kayıplar ( kesit değişimi, dirsekler vb. ) Δh= Kot farkı, m. Su seviyeleri arasındaki geometrik kot farkını ifade eder. J= Birim boru sürtünme kaybı,m/m L= Boru geometrik uzunluğu, m Darcy Weisback e göre birim yük kaybı: 2 V J = λ 2gD λ=boru sürtünme katsayısı.örneğin tam pürüzlü rejimde Reynolds sayısınınetkisiyoktur.ve ε 1 0,5 = 2,0.log D λ 3,7 formülünden hesaplanabilir. ( ) ε D borunun bağıl pürüzlülüğünü gösterir. ε= Boru malzemesinin pürüzlük yüksekliği, D= Boru iç çapı. 70
Devamıdır Örneğin; çelik su borusunun pürüzlük yüksekliği ε= 0,046 mm dir. Boruçapı D= 0,10 m ise, tam pürüzlü rejimde boru sürtünme katsayısı yukarıdaki amprik bağıntıdan λ 0,016 olarak hesaplanır. V= Ortalama su akış hızı,m/sn g= Yerçekimi ivmesi, g= 9,81 m/sn 2 D= Boru iç çapı, m Boru iç çapının D seçimi pompa sisteminin enerji masrafları açısından önemlidir. literatürde Bresse ifadesi olarak bilinen amprik formülden ekonomik optimal çap hesaplanabilir: D=1,5. Q, m Q= Debi, m 3 /sn (Özgür, 1985 den alıntılayan Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz, 2001). 71
Devamıdır Lokal kayıpları dikkate almak için geometrik boru uzunluğunu 1,10 olarak arttırmak yeterli olabilir. Bu takdirde turbanslı rejimde (λ 0,02 için) çalışan bir su ihraç tesisinde pompa gücü kafi yaklaşımla N 22,2.Δh.Q + 9,29.10 3.L.Q 0,5 Toplam mo onometrik yükseklik, ΣH H, m bağıntısından hesaplanabilir. (Bu bağıntıda D = 1,5. Q ve η= 0,60 kabul edilmiştir). Pompanın çalışma noktası aşağıdakiğ şekilde gösterilmiştir. i i (Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz, 2001). ΣH ç Pompa karakteristiği H p =f(q) (Devir sabit) Q ç Artan L Pompa çalışma noktası Akış Debisi, Q, m 3 /sn Boru sisteminin tanımladığı eğri H boru = f(q, L) Pompa Δh= Geometrik kot farkı Şekil Pompa ve su boru ihraç sistemine ait karakteristik eğriler ve pompanınçalışma noktası (Q ç, ΣH ç ),artanborugeometrik uzunluğunun, L etkisi (Enerji masraflarının aşağıya çekilmesi açısından pompa çalışma noktası, aynı zamanda verilen devir sayısında pompanın maksimum verimnoktası civarında olmalıdır). Yerüstü Δh 72
POMPA SİSTEMİNDE DİKKAT EDİLECEK TEMEL HUSUSLAR Pompa gücü, olası su debi ve boru geometrisinde ki artışları karşılayacak büyüklükte tasarlanmalıdır. Su kanal geometrik boyutları verimli rejim için tasarlanmalıdır. n pürüzlülük değerlerinin seçiminde özen gösterilmelidir. Tünel geçkisinde özellikle zayıflık/ fay zonlarının varlığı dikkate alınarak, ani ve büyük su boşaltmalarına karşı hemen çalıştırılabilecek yedek pompa daima mevcut olmalıdır. Ayrıca, su gelirini azaltmakaltmak amacıyla tünel makine parkında enjeksiyon ekipmanı bulunmalıdır. Başarl Başarılı enjeksiyonda kullanılacak karışımın teknik özellikleri yanı sıra uygulanacak basınç seviyesi de önemlidir. Pompa tasarımında su ihracında tüketilen enerjinin daima optimalde olmasına özen gösterilmelidir. Uzun tünellerde su ihracı masrafının önemli bir gider olduğu unutulmamalıdır. TBM ile yapılan kazılarda arın önünden gelen sürekli ve büyük debili sular tünel ilerleme hızını olumsuz etkiler. Özellikle su geliri yumuşak/ karışık kaya kütlelerinde arın stabilitesi açısından da ciddi bir tehdit unsurudur. 73
Sonuçlandırıcı Düşünceler Yerinde su sızıntı Lugeon deney sonuçlarının kaya kütlesinin çatlak parametreleri (RQD, çatlak sayısı, çatlak açıklığı, ğ dolgu malzemetürü, ayrışma ş derecesi, vb.) ile ilişkilerininş araştırılmasış Permeabilite katsayısının derinlik, gerilme koşullarıyla ilişkilerinin kaya türü, ayrışma derecesi bazında incelenmesi 2002 Q formatında yer alan Q Lugeon Derinlik abağının ulusal tünel proje verileriyle irdelenerek geliştirilmesi Kullanılan su geliri kestirim modellerinin kaya mekaniği disiplinindeki gelişmelerinin paralelinde gözden geçirilerek kestirim kapasiteleri nin iyileştirilmesi TBM makine seçiminde ve TBM ilerleme/penetrasyon kestirim modellerinde su geliri faktörünün göz önünde tutulması Bu konuda TBM üretici firmalarının ellerindeki bilgi birikimi nin üniversiteler ve tünel firmaları tarafından hazırlanan araştırmaraporlarıyla değerlendirilmesi 74
Sonuçlandırıcı Düşünceler (devam) Çimento / kimyasal enjeksiyon ve dondurma yöntemi konusunda ulusal bilgi birikimi ni derinleştirmek amacıyla, enjeksiyon / tünel firmaları doktora tezi seviyesinde uzun süreli araştırma projelerini desteklemeli Risk matrisinin sağlıklı verilerle oluşturulması açısından tünel yüklenici firmalarının su geliri nden kaynaklanan göçük olgularının teknik analiz ve değerlendirme raporlarını mühendislik kamuoyunda tartışmaya açması (Kuşkusuz tünel projelerinde önemli gecikmeler e neden olan diğer hususlar da bildiri/makaleler ile teknik literatüre yoğun şekilde kazandırılmalıdır). Proje gerçekleştirme şeklinden bağımsız olarak proje sahibi kamu kuruluşu proje sahasında gerekli sayıda jeofizik, jeolojik ve geoteknik araştırmaları (sondaj açılımı, laboratuar çalışmaları, vb.) yaptırmalı, elde edilen sonuçlara göre olası riskleri ikl i ve bunların en aza indirilmesi il i yönünde alınması gereken önlemleri l göstermeli. Projeyi teknik ve mali yönden başarılı kılacak tüm ileri teknoloji kullanımları, keza kamu kuruluşutarafından gösterilmeli Lifle kuvvetlendirilmiş püskürtme betonun tünellerde birincil kaplama olarak kullanımına yönelik dayanıklılık ve dayanım performans çalışmalarına ş ağırlıkğ verilmeli ve tünel firmaları bu yönde yüreklendirilmeli. Bu bağlamda lifli/lifsiz püskürtme betonların çok uzun süreli performansları bilimsel çalışmalarla çıkartılmalı 75