Derleme www.tunelteknolojisi.com Yeni Avusturya Tünel Metodu (NATM) Gelişen teknoloji ile birlikte tünellerin inşalarında yenilikler kullanılmaya başlansa da günümüzde oldukça sık kullanılan kazı yöntemlerinin başında klasik bir tünel açma yöntemi olan Yeni Avusturya Tünel Metodu (NATM) gelmektedir. Tünel ve benzeri yapılara günden güne artan ihtiyaç, nüfus oranlarının artmasına paralel, yerleşim yerlerinde kontrolsüz büyüme ve teknik gelişmeleri de beraberinde getiriyor. Bu sebeple de tünellere ihtiyaç arttığı gibi tünel açma yöntemlerinde teknolojik gelişmelerde de önemli ilerlemeler meydana geliyor. Tünellere ihtiyaç tarihte çok öncelerden beri var olan bir olgu. Hatta tünelcilik faaliyetlerinin başlangıcı da binlerce yıl önce insanların doğal mağaraları genişletme çalışmaları ile başlamıştır. Babil de bundan 3 bin yıl önce kesiti 16 metre olan bir su tünelinin açıldığı bilinmektedir. Tünel inşaları 19. yüzyıla kadar daha çok savaşlardan korunma ya da surlar altından açılan tünellerden sur içine sızmak amacıyla açılmıştır. Avrupa da ilk trafik amaçlı açılan tünel ise 1765 1774 yıllarında Avusturya nın Slazburg şehrinde açılan Neutor tünelidir. 19. yüzyılda tünel yöntemleri kullanıldıkları ülkeye göre isimlendirilirdi. Bunlara örnek olarak Alman, İngiliz, Eski Avusturya, Belçika ve İtalya yöntemleri gösterilebilir. Bu yöntemlerin hepsi, tünel kesitini birçok küçük ara kazı kademesine ayırarak ilerlemekte, geçici tahkimat ahşap olarak yapılmakta ve daimi kaplama (iksa) olarak da kalın örme taş duvarlı kemerlerden yararlanmaktaydılar. Gelişen teknoloji ile birlikte tünellerin inşalarında yenilikler kullanılmaya başlansa da günümüzde oldukça sık kullanılan kazı yöntemlerinin başında klasik bir tünel açma yöntemi olan Yeni Avusturya Tünel Metodu (NATM) gelmektedir. İlk kez Prof. L.v. Rabcewicz tarafından ortaya atılan Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi (New Austrian Tunneling Method NATM) dünyada ve Türkiye de yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir. NATM gerçekte, orijinal Almanca açılımı ile Neue Österreichische Tunnelbauweise olup bu isimlendirme bir inşa yönteminden çok tünelcilik kavramıdır. Halen kullanılan tünel açma yöntemi Almanca dan İngilizce ye çeviri sırasında ortaya çıkmıştır. Prof. L.v. Rabcewicz 1948 yılında patent için başvurduğunda NATM için şu tanımlamayı yapmıştır: İnce geçici bir destekleme yerleştirmek ve deformasyonlara izin vermek yoluyla kaya basıncının düşürülmesi ve bu basıncın çevreleyen kayaya dağıtılmasıdır. Böylece son destekleme daha az yüklenecek ve sonrasında daha da ince bir yapı halinde son destekleme yerleştirilebilecektir. Deformasyonlar ölçümler ile gözlenmeli ve sonuçlar yapısal analiz ve tasarımı ile birlikte değerlendirilmelidir. Bu tanım her ne kadar bugüne kadar geçerliliğini koruyan NATM nin temellerini ortaya atmış olsa da, bundan sonra başka tanımlamalar da ortaya çıkmıştır. Örneğin, G. Sauer Yer altında bir boşluk yaratılması ve boşluğun duraylılığının (stabilitesinin) sağlanması için kaya veya zeminin kendi kendini taşıyabilme kapasitesini 30 Mayıs 2015
maksimuma ulaştırmak amacı ile eldeki tüm olanakların kullanılması tanımını yaparken, bir diğer tanım da Avusturya Mühendisler ve Mimarlar Odası nın dağıttığı bir broşürde yer almakta olup bu tanıma göre; Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi, bir tüneli çevreleyen kaya ve zemin oluşumlarının, halka şekilli bir destekleme yapısı bütünlüğü içerisinde birleştirildiği bir yöntemdir. Böylelikle bu oluşumlar kendi başlarına bu destekleme yapısının bir parçası olacaklardır. Değişik tanımların ortaya çıkması, zaman içinde NATM nin değişik ülke ve projelerde uygulanması sonucudur. NATM nin ilk temelleri 1948 yılında Prof. L.v. Rabcewicz in patent başvurusu üzerine ortaya çıkmış olsa da asıl yayılımını 1964 yılının Kasım, Aralık ve 1965 yılının Ocak aylarındaki Water Power dergisinde yine Prof. L.v. Rabcewicz tarafından yayınlanan üç bölümlük makalelerinden sonra yapmıştır. Bu makaleler Prof. L.v. Rabcewicz tarafından Salzburg Avusturya da 1962 yılının Ekim ayında düzenlenen 13. Jeomekanik Kolokyumunda sunulan bildirilerden alınmıştır. Sauer, NATM nin Prof. L.v. Rabcewicz tarafından bulunduğu savlanan çiftli destekleme sisteminin (ön ve son destekleme) aslında Schmid tarafından 1926 yılında uygulanan, Engesser in 1881 yılındaki teorik araştırmalarına dayandığını belirtmektedir. Çiftli destekleme sistemi kavramının temelini oluşturan son destekleme yerleştirilmeden önce kayanın deforme olmasına izin verilmesi ve böylelikle yüklerin azaltılması Engesser in teorik araştırmalarının sonuçlarıdır. Püskürtme beton Chicago da Carl E. Akeley tarafından dinazor iskeletlerinin korunması için bulunmuş ve bunun tünellerdeki ilk uygulaması 1920 li yılların başlarında ABD de olmuştur. Sauer e göre Rabcewicz, Leopold Müller ve diğer Avusturyalıların bu yönteme asıl katkıları sistematik bulonlama ve yerinde ölçüm olmuştur. NATM hakkında tarihçe ve tanım olarak değişik görüşler bulunsa da kabul edilen başlıca prensipleri halen değişmeden geçerliliğini korumaktadır. Bu prensipler kısaca; ΩΩTüneli çevreleyen kaya veya zeminin iç dayanımı korunmalı ve mümkün olduğunca maksimuma ulaştırılmalıdır. ΩΩZeminin veya kayanın tüm dayanımına güvenli şekilde ulaşması için kontrollü deformasyon gerekmektedir. Ancak, dayanım kaybına veya kabul edilmeyecek oturmalara neden olabilecek aşırı deformasyonlar engellenmelidir. ΩΩBu koşullar sistematik bulonlama, ince - yarı esnek püskürtme beton kaplaması ile sağlanabilir. Ancak hangi destekleme kullanılırsa kullanılsın bu destekleme sistemi tüneli çevreleyen zemin veya kaya kütlesi ile tam temasta olmalı ve onunla birlikte deforme olmalıdır. ΩΩDesteklemenin ve ön püskürtme beton halkasının kapatılma zamanlaması deformasyonların kontrolü açısından büyük önem taşımaktadır. ΩΩİlk destekleme, gereken tüm desteklemenin bir kısmını veya tamamını temsil edebilir. İkincil (son) desteklemenin boyutlandırılması ilk destekleme elemanlarındaki gerilmelerin ve tüneli deformasyonlarının ölçülmesi (gözlenmesi) ile yapılır. ΩΩYapım sırasında tünelin desteklenmeden bırakılmış kısmının uzunluğu mümkün olduğunca az olmalıdır. ΩΩProjenin tasarım ve yapım aşamalarında bulunan tüm taraflar (projeci, kontrol elemanları, müteahhit elemanları vb.) NATM nin yaklaşımını ve prensiplerini iyi anlamış olmalılar ve karar verme ve sorun çözülmesi aşamalarında birlikte davranmalıdırlar. Yeni Avusturya Tünel Açma Yönteminin Uygulanma Biçimi Yeni Avusturya Yöntemi; Tünel adı altında yer altında oluşturulan iki ucu açık, boyu eninden fazla, eğimi 30 den az, kalınlığı boşluk duvarından etkilenme sınırına kadar ulaşan ve ana malzemesi kaya olan çok kalın cidarlı, silindirik bir yer altı kaya yapısını tanımlamaktadır. Bu tünel açma yönteminde ana ilke; en uygun kazı Mayıs 2015 31
ve sağlamlaştırma yöntemlerinin seçilerek kazı sonrasında oluşan ikincil gerilme ve deformasyonların, kaya yapısının stabilitesini bozmayacak şekilde denetlenmesi, yönlendirilmesi ve kayaçların ilk sağlamlığını olabildiğince koruyarak boşluğu çevreleyen bölgenin kendi kendisini tutan ve taşıyan bir statik sistem oluşturmasını sağlamaktadır. Yöntemin amacı, kazı sonrasında oluşan dağ basıncına, mutlak rijit sistemlerin tepkime kuvvetleri ile karşı koymak değildir. Bu nedenle, rijit tahkimat elemanları ve kalın kaplamalar kullanmak istenmez. Bunlar ancak, yöntemin yeterli hız ve titizlikle uygulanamadığı ve dolayısıyla, kayanın taşıma niteliklerinin tümüyle yitirildiği veya aşırı derinliklerdeki ya da yüksek tektonik gerilmelerin etkili olduğu plastik ortamlarda zorunlu olarak devreye girer. Açım sırasında ikincil deformasyon ve gerilmelerin yeterli ölçüm ve gözlemlerle izlenerek açım çalışmalarının denetlenmesi ve yönlendirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmalar sırasında: ΩΩDavranışı önceden bilinen ve tahmin edilen kayanın ideal yenilme koşulu (Mohr Zarfı) Yer altı suyunun drenajı, Aşırı örselenmeyi engelleme (patlayıcıdan olabildiğince kaçınma) Gevşemeleri ve sökülmeleri önleme, Zamanı yetirince kısa tutma gibi önlemlerle korunmalıdır. ΩΩKazı sonrasında oluşan ikincil gerilme durumu Gerilme yoğunlaşmalarını engelleyecek (yuvarlatılmış kazı yüzeyleri) Tek eksenli gerilme ortamını yaratmayacak püskürtme beton ve ankraj, Kaya yapısında çekme gerilmeleri oluşmayacak şekilde uygun kesit şekli (ön konsolidasyon) denetlemelidir. Ω Ω İkincil deformasyonlar Gevşemelere izin vermeyecek kadar küçük, Tünel cidarını plastikleştirecek ve gerilme kemerini dağın içerisine kaydıracak kadar büyük Zamanla sünümlenecek kadar kontrollü tutulmalıdır. Yeni Avusturya Yönteminin Uygulanmasında Başlıca Görüşler Tünel çevresinde oluşan ikincil gerilme şiddeti, tünelin duraylılığını belirleyen ana etmendir. Yeni Avusturya yönteminin uygulanması sırasında iki farklı görüşten yararlanmak mümkündür. Bunlar: ΩΩYüzey oturmalarını ve tünel içi deformasyonlarını (konverjans ı) olabildiğince küçük tutabilmek için deformasyon önleyici açım. ΩΩDeformasyonlara olanak tanıyarak dağ içinde koruyucu zon oluşumunu sağlayan plastikleştirici açım türleridir. Birinci görüş; kazı ve sağlamlaştırma işlemlerinin çok hızlı yürütülmesini ve en kıza zamanda arının hemen gerisinde (en fazla 15-30 metre) radyenin kapanmasını sağlayacak şekilde çok iyi organize edilmiş olarak çalışılmasını gerektirir. Düşük dayanımlı kayaçlarda, örtü kalınlığının 3-4 metreden daha az olduğu, yerleşim bölgelerinin altından geçen tünellerde, tünellerin portallerinde ve girişten itibaren ilk 50-100 metrelik kesimlerinde, metrolarda, kaplama arkasından su akımı olasılığı bulunan enerji tünelleri, cebri tüneller (şaftlar), denge bacaları, su alma yapıları, derivasyon tünelleri ve barajların enjeksiyon perdesi gerisindeki kontrol ve drenaj galerilerinde özellikle uygulanır. Deformasyonları durdurmak için seçilen sağlamlaştırma kuvvetleri (ankrajlardaki ön gergi kuvvetleri) büyük, püskürtme beton kalitesi yüksek (B 300 ve daha fazla) çelik hasır dokusu (< 10 cm) dur. Çelik iksa rijittir ve çoğunlukla yakın aralıklarla (< 100 cm) yerleştirilir. Açını sırasında genellikle üst yarı (kalot), orta kesim (üst stros) ve taban (alt stros) olmak üzere üç kademeli kazı yapılır. Kazı profilleri en kesitlerde ve boy kesitte köşesizdir. Uygulanan sağlamlaştırma önlemleri ve kullanılan duraylık süreleri için kabul edilen kaya kalitesi, gerçek durumdan en az bir kaya kalitesi sınıfı kadar daha düşüktür. İkinci görüş; deformasyonları durdurmak yerinde, denetleyerek ikincil gerilmelerin şiddetini azaltmayı ve tüneli çevreleyen kesime psödoplastik özellikler kazandırarak, gerilme yoğunlaşmalarını dağın içine doğru kaydırmayı amaçlamaktadır. Böylece sağlamlaştırma giderlerinde önemli ölçüde azalma sağlanabilmektedir. Bu anlayışla açılan tünellerin üzerinde ve yüzeyinde önemli, fakat zararsız çökmeler ve 32 Mayıs 2015
tünel çapında büyük ölçüde azalmalar gözlenirse de aşırı gevşemelere izin verilmediği için kaya dokusu, yöntemin ilkelerine ters düşecek oranda bozulmaz. Sağlamlaştırma öğeleri ince ve sünektir. Püskürtme beton kalınlığı çoğunlukla 3-5 cm ve kalitesi B 200 dür. Hasır dokusu gevşek (10-20 cm) ve çelik bağlar eğilmeksizin çalışacak özelliktedir. Bağ aralıkları genellikle 1,5-3 metre arasında seçilir. Yöntem, örtü kalınlığının fazla, yüzey oturmalarının (tasman) önemsiz olduğu boş araziden geçen ve su sirkülasyonunun bulunmadığı yerlerdeki, özellikle demiryolu ve karayolu ulaşım tünellerinde başarıyla kullanılmaktadır. Kuşkusuz; en doğru olan tünel anlayışı, yerine göre ilk veya ikinci görüşü ağırlıklı olarak kullanabilen anlayıştır. Buna karar verebilmek için deformasyonun hızlarının ve gerilme değişimlerinin ölçülmesi ve denetlenmesi kaçınılmazdır. Yeni Avusturya anlayışında bu nedenle, arazi deneyleri, ölçüm ve gözlemleri yöntemin en önemli belirteçleri arasında bulunmaktadır. Yeni Avusturya Tünel Açma Yönteminin Avantajları ve Dezavantajları NATM n in avantajları şu şekildedir: ΩΩ Değişen jeoteknik durumlara çabuk ve ekonomik bir şekilde adapte olabilmesi. Son yıllarda bu yöntemin uygulanması imkânsız gibi görünen çok zayıf zeminlerde, bazı yardımcı yöntemlerden faydalanarak (enjeksiyon, basınçlı hava, dondurma vs. gibi) büyük başarılar elde edilmiştir. ΩΩ Değişen kesitlerde (10 m2 1500 m2) çalışmalar yapılabilmesi. Bilhassa metro tünellerinde kısa mesafelerde değişen kesitlere (tek raylı, çift raylı, istasyon, birleşme - ayrılma kısımları, 34 Mayıs 2015 üst üste binmiş tek raylı kesitler vs.) problemsiz adapte olunabilir. ΩΩ Yeryüzüne yakın tünellerde yeryüzündeki oturmaların minimum olması. Yani tasmanın minimum seviyede kalması. ΩΩ Mekanizenin, ondan dolayı da yatırımın az oluşu. ΩΩ Güvenli ve ekonomik oluşu. Bunlara karşılık dezavantajları ise şu şekildedir: ΩΩ Mekanik tünel açma ve otomatize edilmiş kaplama yöntemlerine karşı daha yavaş olması. ΩΩ İnşaat kontrolünün ve jeoteknik ölçümlerin daha yoğun olması. Sonuç Dünyada, gelişen teknolojik imkânlar, artan nüfus yoğunluğu ve nüfus yoğunluğuna paralel olarak artan araç sayıları, ulaşım konusunda ve zamandan tasarruf sağlanması amacıyla tünellere olan ihtiyacı her geçen gün biraz daha arttırıyor. Bundan çok da uzak olmayan yıllar öncesine kadar geçilmesi zor gelen doğa koşulları (kayalıklar, dağlar vs.) yeni açılan tüneller sayesinde eziyet olmaktan çıkıyor. Zorlu doğa şartları en son teknoloji ile üretilmiş makine ve ekipmanlarla delinerek ülkeleri ve şehirleri birbirine bağlıyor. Keşfi ve uygulaması onlarca yıl önce yapılmış kazı teknikleri bugün halen kazı teknolojilerinin omurgasını oluştururken gelecek yıllarda da bu teknolojilerin kullanılacağı aşikâr. Bu sebeple de bugün olduğu gibi gelecek yıllarda da Yeni Avusturya Tünel Açma Metodunu (NATM) nun adını duymaya ve bu yöntemle doğayı yer altında şekillendirmeye devam edeceğiz. Kaynaklar: 1. Prof. Dr. L.v. RABCEWICZ, Çeviri: Meran Pakel, Yeni Avusturya Yöntemi İle Tünel Açımında Tahkimat Sisteminin Boyutlandırma Esasları, Water Power Dergisi, Mart 1973. 2. Haldun Kahyaoğlu, TAG Otoyolu Özelinde Tünel İşleri ve Yeni Avusturya Tünel Açma Metodu. 3. Eyüp Çakır, Yeni Avusturya Tünel Metodunun Türkiye deki Genel Uygulamaları, 2001. 4. Nejat Ayaydın, Tünel Açma Yöntemlerinin Karşılaştırılması, Salzburg, Avusturya. Volkan Okyay Tünel Teknolojisi Dergisi volkan@tunelteknolojisi.com