YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 2. Bölüm (Jeolojik ve tektonik yapı, Kaya kütlesi Özellikleri ve Sondaj Yoğunluğu) Prof. Dr. Müh. Yapı Merkezi AR&GE Bölümü 2009 1
Uzun bir tünel projesinde karşılaşılabilecek jeolojik ortamlara örnekler Ezilme zonu Büyük fay Talk şist katmanı Bindirme zonu Granit Şist Şist Deniz Gnays Tünel 100 150 200 250 300 350 400 İki nokta arası mesafe I II III IV V VI VII Çatlaklı granit Büyük fay sistemi Zayıf kaya katmanı Çatlaklı şist Bindirme zonu Minör fay sistemi Çatlaklı gnays (blok yapılı) (zayıflık zonu) (zayıflık zonu) (bloklu yapı) (zayıflık zonu) (zayıflık zonu) (blok yapılı) Kaynak: Stille ve Palmström, 2008. 2
Devamıdır Uzun bir tünel projesinde karşılaşılabilecek jeolojik ortamlara örnekler I) Çatlaklı Granit (blok yapılı) Tamcephelimakinelikazı durumunda, gerekiksa gereksekazı ilerlemeleribakımındanherhangibirtekniksıkıntı sözkonusu değildir. Granitin bileşimi içinde aşındırıcılık özelliğine sahip olan kuvars, feldspat gibi minerallerin kimyasal bileşimde bulunma miktarlarına bağlı olarak disk keski aşınır. Disk keskileri değiştirme giderlerini azaltmak için geçilen formasyonların aşındırıcılık bakımından kritik olan mineralleri, petrografik analizlerle önceden belirlenmelidir. II) Büyük fay sistemi (zayıflık zonu) Tam cepheli delme makinelerinin (TBM) kullanıldığı tünellerde fay geçişlerinde gerek stabilite açısından, gerekse ilerleme hızı açısından önemli teknik problemler gözlenir. Diğer kelimelerle tünelin ilerleme hızları, normal koşullardaki ilerleme hızının belirgin şekilde altında olacaktır. Özellikle buzonlarınyumuşakolmasından dolayı,kazı makinelerindeyancidarlaragömülmeleroluşur. Buradakiproblemlerinbüyüklüğü fay sistemininyataydakikalınlığına ve fay breş malzemesinin yerindemekanik büyüklüklerinebağlıdır. III) Zayıfkayakatmanı(zayıflık zonu) II. zonda belirtilen hususlar, III zonda da geçerlidir. Bu zonda oluşacak bir tavan boşalmasında, tünelin su geliri artabilir. IV) Çatlaklı şist (bloklu yapı) III. zon için söylenenler bu zon için de geçerlidir. V) Bindirme Zonu III. zon için söylenenler bu zon için de geçerlidir. Beklenen su gelir artışları için tedbirler alınması gerekir. VI) Minör fay sistemi Bu bölgede beklenen problemler II. zon için sıralanan sorunlardan daha az şiddette gözlenecektir. VII) Çatlaklı gnays (bloklu yapı) Bu bölgedeki ilerleme hızları ve iksaya ilişkin problemler hemen hemen sorunsuzdur. Ancak artan derinlik durumlarında radyal yerdeğiştirme/kazı yarı çapı büyüklüğündeartışlarsözkonusuüklüğü l k olabilir. Kaynak: Saille ve Palmström, 2008 den değiştirilerek. 3
Kaya kütlelerinin yerinde mekanik büyüklüklerini (basınç dayanımı, çekme dayanımı, elastik modül, kohezyon) belirleyen süreksizlikler/pürüzlülük Pürüzlülüğün Kalitatif Olarak Belirlenmesi I Pürüzlü Ölçüm hattı Dolgu Süreksizlik aralığı Blok boyutu Devamlılık Su sızıntısı Sondaj deliği Pürüzlülük Eğim ve eğim yönü (yönelim) II III IV V VI VII VIII IX Düz Kaygan Pürüzlü Düz Kaygan Pürüzlü Düz Kaygan BASAMAKLI DALGALI DÜZLEMSEL KAY YMA DAYA ANIMI ARTA AR Süreksizlik takımlarının sayısı ve ortalama aralıkları kayanın yerinde dayanım büyüklüklerini etkiler. Artan süreksizlik sayısı ve azalan aralıklar, kaya kütlesinin tüm mekanik büyüklüklerini azaltır. Tünel kazı açıklığı/çatlakaralığı karakteristik oranı, tünelin verilen gerilme koşulları altında davranışını belirler. Kaynak: Hodson, 1989 dan alıntılayan, Ulusay ve Sönmez, 2007. 4
Kaya ortamında süreksizliklerin ölçülmesi Ölçüm hattı uzunluğu (L) Süreksizlikler Kesişim Ölçüm hattı Görünür aralık, x Süreksizlikler Şerit metre Kaynak: Ulusay ve Sönmez, 2007. 5
Kaya kütlesinin mekanik olarak tanımlanması Basınç Gerilmesi, σ OLİT MON YENİ İLME ÖNC CESİ Özürsüz TEK CİSİM Çatlaklı TEK CİSİM 2 1 KONTİNUUM (SÜREKLİ ORTAM) Basınç dayanımı PO LİLİT YEN NİLME SON NRASI Tekil süreksizlik ÇOK CİSİM Düzenli çatlaklı ÇOK CİSİM Düzenli parçalanmış ş ÇOK CİSİM Bi rim Kısalma a, ε 5 4 3 DİSKONTİNUUM (SÜREKSİZ ORTAM) Düzensiz parçalanmış ÇOK CİSİM 6 Ufalanmış ezilmiş ÇOK CİSİM 7 KUVAZİ KONTİNUUM (SANKİ SÜREKLİ ORTAM) Kalıntı basınç dayanımı Örnek: Çatlaksız bir kaya Ø50x100 karot numunesinde basınç dayanım düzeyinin %50 sine kadar davranışı özürsüz tek cisim iken, yenilme noktasına geldiğinde numune çatlaklı tek cisim özelliği sergiler. Yenilme noktasından sonra aynı numunede çatlak sayıları artarak devam eder. Artan süreksizlik nedeniyle ortamın basınç dayanımı, sağlam numuneye ait basınç dayanımından daha küçüktür. Kalıntı dayanım düzeyine ulaşıldığında birim kısalmanın çok büyük değerler alması durumu numune, içinde bir çok çatlakla sınırlandırılmış ufalanmış, ezilmiş çok cisim şekline dönüşür. Daha açık anlatımı ile bu durumdaki numune doğadaki çok çatlaklı ezilmiş bir zonun tüm fiziksel ve mekanik özelliklerini ifade eder. Böyle bir ortamda açılmış tünel sürekli ortam mekaniğiyle modellenebilir. Kaynak: Vardar, 2005. 6
Kaya kütlesi süreksizliklerdeki (çatlaklardaki) suyun yeraltı kazılarına etkileri c a b Tünel açıklığı a) Çatlaklardaki su geliri, çatlağın/kaya kütlesinin yerindeki mekanik büyüklüklerini önemli ölçüde değiştirir. Özellikle yerinde basınç dayanımı,σ b,y, yerinde elastik modül, E y, kohezyon, c y değerlerindekiğ d azalma çok dramatik boyutta olabilir. Ilkd Islak durumdakid içsel sürtünme ü açısı, Ø, kuru duruma göre birkaç derece 2 ila 5 daha düşük olabilir. b) Süreksizlik yüzeyleri arasında dolaşan suyun basıncı yüksekse, çatlak düzeyine dik olarak etki eden normal gerilmenin büyüklüğünü önemli ölçüde azaltarak, kaya kütlesinin yenilme zarf eğrisine ait karakteristik büyüklükleri (kohezyon ve içsel sürtünme açısı)azaltır. c) Çokyükseknormalgerilmealtında bulunan süreksizliklerde ise dolgusuz çatlaklar kapanarak, ortamın drenaj özelliklerini azaltır. Su drene olamadığından dolayı tünel kazısı etrafındaki su basıncı artar. Kaynak: Hodson, 1989 dan alıntılayan Ulusay ve Sönmez, 2007 den değiştirilerek. 7
İstanbult b l Trakya Formasyonunda ölçülen (tabaka kl kalınlığı çatlakl ğ k sıklığı)arasındaki ilişkileri Ortalama Tabaka kalınlığı 23 cm Ortalama Çatlak sıklığı 12 ad/ m Kaynak: Eriş, 1999 8
Zayıflık Zonları ve Tünel Projelerine Olası Etkileri Ezilmiş kaya Kil yok veya çok az killi Ezilmiş zon Biraz ayrışma Ezilmiş zon Biraz kil Yoğun ezilmiş zon Kil Karmaşık ezilmiş zon Kil damarları a b c d e Çatlaklı yapısı a daki durum b maddesinde söylenenler c maddesinde Bu tür zonlarda tünel nedeni ile kaya geçerlidir. Bozunma geçerlidir. söylenenler deformasyonlarına (radyal kütlesinin yerinde zonlarının varlığı Kil mineralinin cinsine ve geçerlidir. cidar yerdeğiştirmesi/kazı mekanik nedeni ile yerinde zon içerisindeki kapsadığı yarı çapı) bağlı olarak çok büyüklükleri daha dayanımlar daha da alana bağlı olarak, tünel ciddi stabilite sorunları küçüktür. azalır. cidar kapanmaları daha yaşanır. Killi kesim bütün Çatlak dolgusunun Bu zonların içinde şiddetlidir. Bu hareketler ayrışma zonunu olup, olmama yapılan kazılarda zaman boyutuna bağlı kapsadığından dolayı yer altı durumuna göre su radyal olarak artar (bu tür suyunun drenajı tam olarak geliri sözkonusudur. yerdeğiştirme/kapa ortamlardaki deformasyon sağlanamaz. Bu nedenle nma hareketleri özellikleri sünme tünel iksa sistemine ek belirgindir. özelliğindedir). olarak büyük boyutta su basıncı etkir. Kaynak: Stille ve Palmström, 2008 den değiştirilerek. 9
Kaya kütlelerinin bozunma derecesiyle ilgili sınıflama (ISRM, 1981) Tanım Tanımlama Ölçütü Bozunma Derecesi Bozunmamış (taze) Az Bozunmuş Orta Derecede Bozunmuş Tamamen Bozunmuş Artık Zemin Değerlendirme Kayanın bozunduğuna ilişkin gözle ayırt edilebilir bir belirti olmamakla birlikte, ana süreksizlik yüzeylerinde önemsiz bir renk değişimi gözlenebilir. Kaya malzemesinde ve süreksizlik yüzeylerinde renk değişimi gözlenir. Bozunma nedeniyle tüm kayacın rengi değişmiş ve kaya taze halinden daha zayıf olabilir. Kayanın yarısından az bir kısmı toprak zemine dönüşerek ayrışmış ve/veya parçalanmıştır. Kaya; taze, ya da renk değişimine uğramış olup, sürekli bir kütle veya çekirdek taşı hliddi halindedir. Kayanın tümütoprakzeminedönüşerek ayrışmış ve/veya parçalanmıştır. Ancak, orijinal kaya kütlesinin yapısı halen korunmaktadır. Kayanım tümüü toprak zemine dönüşmüştür. ü Kaya W5 kütlesinin yapısı ve dokusu kaybolmuştur. Hacim olarak büyük bir değişiklik olmakla birlikte, zemin taşınmamıştır. Fizikseliksel ve kimyasal şekilde arşan ayrışan kayaa kütlelerinin, tüm fiziksel iksel (birim hacim ağırlık, porozite, su emme, sesin yayılma hızı vs.) ve mekanik W1 W2 W3 W4 (basınç dayanımı, çekme dayanımı, elastik modül, kohezyon ve içsel sürtünme açısı) büyüklükleri artan bozunma derecesi ile azalır. Özellikle sığ tünel projelerinde 3D, ayrışma zonları ve bu zonların bozunma derecelerinin sayısal bir şekilde belirlenmesi, tünel stabilitesi ve kazı işlemlerinin etkinliği açısından çok önemlidir. (D= Tünel kazı açıklığı) Kaynak: Ulusay ve Sönmez, 2007. 10
İLAVE GÖSTERİM Karot tanımlaması: Genellikle malzeme tanımlaması yapılır. Küçük numune Mühendislik yapısı (şev, tünel aynası vb.) boyutları Zon sınırları: Martin ve Hencher, 1986 kriterine göre Kaynak: Shirlaw vd., 2001 Bölgesel tanımlama: Kütle boyutu Kütleyi oluşturan farklı malzemeleri içeren tanım Aralarındaki ilişkiler Çatlaklar Yapısal jeoloji: Yapraklanma, daykve çatlaklar rapor edilecektir 11
İLAVE GÖSTERİM Ayrışmış Kaya Kütleleri: IV derece bozunma IV derece bozunma II derece bozunma IV derece bozunma Üniform bozunma granit Bozunma Derecesi: IV Derece (IV Derece bozunma: Kayanın tümütoprakzemine dönüşerek ayrışmış ve/veya parçalanmıştır). Düzensiz bozunma granit Bozunma derecesi: Ortada II Derece, kenarlarda IV Derece (II Derece bozunma: Kaya malzemesinde ve süreksizlik ü l i d k d ği i i öl i) dö ü k / l t ) yüzeylerinde renk değişimi gözlenir). Kaynak: Shirlaw vd., 2001 12
Büyük süreksizlik yapıları yp olan faylar,,geometrik ve gerilme özellikleri Normal Fay Doğrultu atımlı fay Ters fay Kırılma hattı Kırılma hattı Kırılma hattı φ α =45 + 2 A Atım miktarı A φ α =45 + 2 A Gerilme Durumu: σ z > σ y > σ x σ z Gerilme Durumu: σ y > σ x > σ z Gerilme Durumu: σx > σ y > σ z Kırılma hattı boyunca bir blok diğer blok üzerinde düşey yönde hareket etmiştir. Bu yer değiştirmede düşey asal gerilme temel bileşendir. Ege Bölgesi nde M= 5,0 6,5 büyüklüğünde deprem üreten fay sistemleri normal atımlı fay lardır. Kırılma hattı boyunca bir blok diğer blok üzerinde yatay yönde hareket etmiştir. Bu yer değiştirmede σ y hakim gerilmedir. Ülkemizde sismik yönden en hareketli ve yıkıcı depremleri M= 5,0 7,9 oluşturan Kuzey Anadolu Fay sistemi, doğrultu atımlı fay sistemine örnektir. α kırılma açısıyla tanımlanan kırılma hattı boyunca bir blok diğer blok üzerine çıkmıştır (Ø= Formasyonun içsel sürtünme açısı). Bu yer değiştirmede σ x hakim gerilmedir. Güney Anadolu Bölgesi ndeki yıkıcı depremleri üreten Bitlis Fay sistemi tipik bir bindirme fay dır. Kaynak: Whittaker ve Frith, 1990 den değiştirilerek. 13
Bolu Tüneli nin Kuzey Anadolu Fay Hattına göre Pozisyonu: BOLU BOLU Kaynak: Dalgıç, S, 2002 14
Bolu Tünel Geçkisinin Jeolojik Kesiti K ASARSUYU BÖLÜMÜ ELMALIK BÖLÜMÜ G Asarsuyu bindirme zonu Ana tünel kazı yönü Kazılmış Pilot tünel yönü Kestirim Pilot tünel yönü Ana tünel kazı yönü Kazılmış Yedigöller İkizoluk Atyayla Elmalık Fındıcak Asarsuyu Formasyonu Formasyonu Formasyonu Formasyonu Formasyonu Formasyonu Amfibolit Kireçtaşı Breşik mermer Granit Kumtaşı, çamurtaşı Siltli kil, kil PREKAMBRİYEN DEVONİYEN ÜST KRETASE ALT EOSEN PLİYOESEN Kaynak: Dalgıç, S., 2002. 15
Marmara Denizi Fay Sistemi Source: http://wwz.ifremer.fr/esonet_emso/content/download/33356/278218/file/marmara observatory.pdf 16
Antiklinal yapı Tünel ekseni antiklinal eksenine dik Çekme çatlakları Arazi basıncı açısından tünelin açıldığı bölgede doğal kemerlenmeden dolayı basınç azdır. Buna karşın portal tünel 2 Tünel 1 çıkışına doğru olan kesimlerde ise derinlik basıncı göreceli olarak daha fazladır(p 0,1 <P 0,2 ). Kesit Su geçirgenlik katsayısı fazla olan kaya kütlesi/zemin koşullarında çekme çatlaklarınınvarlığından dolayı su geliri sözkonusudur. Senklinal yapı Tünel ekseni sentiklinal eksenine dik Yukarıda belirtilen hususun tam tersi durum gözlenir. Diğer 2 Tünel 1 kelimelerle tünel açıldığı kesimdeki arazi basıncı doğal jeolojik yapıdan dolayı diğer kesimlere nazaran daha fazladır(p 0,1 >P 0,2 ). Çekme çatlakları Basınçlı akifer durumunda tabandaki çekme çatlaklarının su geliri beklenmelidir. Kesit Kaynak: Whittaker ve Frith, 1990. 17
Devamıdır YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Kayma ve çekme çatlakları Tünel ekseni antiklinal eksenine paralel Gerilme büyüklüğüne ve çatlak geometrisine bağlı olarak tavanda kaya bloklarının düşme olasılığı yüksektir. Bu nedenle tavan stabilitesini arttırmak bakımından uygulanacak püskürtme betonun kalınlığı arttırılmalıdır. Çekme çatlakları Tünel ekseni sentiklinal eksenine paralel Gerilme büyüklüğüne ve çatlak geometrisine bağlı olarak tünelin yan cidarlarında d blokların düşme olasılığı l ğ yüksektir. kti Bu nedenle yancidarın stabilitesini arttırmak bakımından uygulanan saplamanın uzunluğu ve yoğunluğuarttırılmalıdır. Şariyaj bindirme jeolojil yapısı içinde açılan Bu kompleks yapıda hem tavan, hem yan cidarlar önemli boyutta sıkışma hareketine maruzdur. Bu durumlarda beklenen tavan, yan cidar ve taban hareketlerin düzeyi, normal jeolojik koşullardakinden daha dramatikolduğu ğ di daima akılda tutulmalıdır. t ld Kaynak: Whittaker ve Frith, 1990. 18
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ TYPE OF ROCKMASS COMPOSITION SPECIAL MATERIALS CONTINUOUS / bulky DISCONTINUOUS CONTINUOUS / intact E Soft or weak materials D Highly jointed, crushed or soil like materials C Jointed rocks intersected by weak layers or by seams (filled joints) B Rocks intersected by joints and partings A Weak to strong rocks intersected by few joints as material in weakness zone (type) Alternating soft and hard layers (as clay schist sandstone clay schist) Rock fragments in a matrix of soft (clayish) material Soft or weak materials with plastic properties (mudstone, clay like materials) Highly jointed rocks with clay seams or shears Highly jointed or crushed rocks (sugarcube etc.),little clay Soil like material with friction properties (loose cemented sandstones, crushed and disintegrated materials in some faults) Occurrence of seams (filled joints) Prominent weathering along joints Occurrence of weak bedding layers (mainly in some sedimentary sequences) Jointed homogeneous, foliated, and bedded rocks Jointed, schistose rocks Layered and bedded rocks with frequent partings (slate, flagstone, some shales) Brittle homogeneous and foliatedrocks (granite, gneiss,quartzite, etc.) Schistose (deformable) rocks with high content of platy minerals Plastic /deformable rocks (soapstone, rocksalt, some clayish rocks) INFLUENCED/TRIGGERED BY: INITIAL BEHAVIOUR (without appropriate support) NOTE: Water influenced behaviour occurs simultaneously to the stress induced; example: cave in may take place at the same time as swelling, block falls, together with water inburst, etc 1) Will take place porous materials and where there are channels (open joints) 2) Requires materials with swelling minerals (smectite, anhydrite) 3) Requires content of swelling clay in seams and clay zones 4) The process requires content of materials susceptible to moisture I V E2 I III V E1 E3 IVD1 IVD2 V D3 C1 C2 C3 B1 B2 B3 A1 A2 A3 cave in block falls; cave in block falls; cave in block falls Stable block falls cave in running ground block falls, cave in; plastic deformation (initial) running ground low moderate overstressed block falls block falls; buckling low moderate high WATER Slabbing; bursting plastic deformations (initial) low moderate overstressed STRESSES water inflow 1) ; water inburst 1) WATER water inflow 1) ; water inburst 1) flowing ground 1) WATER LONG TERM BEHAVIOUR (without appropriate support) cave in cave in block falls; cave in running ground block falls; cave in low moderate overstressed block falls low moderate high WATER Stable block fall(s) block falls, cave in; squeezing block falls block falls; buckling Squeezing Rupturing low moderate overstressed STRESSES flowing flowing Swelling 2) 1) 3) ground 1) ground ravelling Swelling 3) Swelling 3) (fromslaking) WATER Swelling 3) Swelling 3) ravelling 4) Swelling 3) (fromslaking) Swelling 2) ravelling 4) Swelling 2) (fromslaking) WATER Necessary initial support is performed and possible water inflow, water ingress or flowing ground is sealed 19 Kaynak: Stille ve Palmström, 2008 den değiştirilerek.
Önerilen Sondaj Yoğunluğunun (ABD de tamamlanmış 100 adet tünel projesi) Tünel Projesi Bazında Değişimi Sondaj Yoğunluğu o Medyan ortalama Değeri :~0,35 m/m İyi sonuçlar için 1,5 m/m ye kadar artırılabilir. Geoteknik ikaraştırmaların ; (Toplam Maliyet / Proje Bütçesi) oranı ortalama %1,6 İyi sonuçlar için % 3 e kadar artırılabilir. (1) Birim geoteknik araştırma yatırımı proje maliyetinde (15) birim kazanım sağlayabilmektedir. Kaynak: Geotechnical Site İnvestigations For Underground Projects, Amerikan Tünel Teknolojileri Komitesi USNCTT, 1984. Kontrak ktörün Proje Bedeli (tamam mlanmış proje maliyeti cinsin nden), % 36, Medyan değer, genel 42 yaygın uygulama Seçilmiş proje çalışmaları, 1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 m tünel uzunluğu için açılan sondaj uzunluğu, m/m 20
Denizaltı Tünel Projelerinde Geoteknik Araştırmaların (Mühendislik jeolojisi ve jeofizik araştırmalar, sondajların açılması ve laboratuar çalışması vs) Giderleri eri, % Araştırma Gid % 100 % 10 % 1 A B C C Denizaltı tünelleri TBM (Tam cepheli tünel açma) A B C D % 0 0,1 1 10 100 Tünel Uzunluğu, km Şekil Norveç delme + patlatma tünel açma pratiğinde önerilen araştırma gideri kazı masrafı= Delme + patlatma + iksa, cinsinden ve tünel uzunluğu (A, B, C, D açıklamaları izleyen çizelgede belirtilmiştir.) ş Kaynak: LindstrØmve Kveen, Norwegan Tunneling Society, Publication No: 15, p 75 74, 2005. 21
Devamıdır Araştırma Sınıfının Tanımı b. Tünel projesine ilişkin istekler AÇIKLAMALAR: a 1 Düşük Zorluk Derecesi a 2 Orta a 3 Yüksek b 1 A A B Düşük b 2 A B C Orta b 3 Yüksek B C D 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 yazılar vb. anılan faktör içinde düşünülmelidir. (Düşük, orta ve yüksek zorluk derecesi içinde değerlendirilebilir). Projej İstemleri: t l i Bu öğe, doğrudanğ d doğruyağ tünel kazısı sırasındaki dkigenel stabilite, ve bununla ilintili olarak olası riskleri içerir. Keza, üç sınıf düşük, orta, yüksek ile ifade edilmeye çalışılır. Kaynak: LindstrØmve Kveen, Norwegan Tunneling Society, Publication No: 15, p 75 74, 2005. 22
Tünel Projelerinde Sondaj Geometrilerine Ait Değerlendirmeler Sondaj uzunluğu Ls Sondaj Yoğunluğu: n s = = Mühendislik yapısının tünel uzunluğu L t m m o Projenin genel özelliklerine ve içerdiği risk durumuna bağlı olarak sondaj yoğunluğu n s = 0,2 1,5 arasında değişir. o Büyük projelerde bu değer en az n s =1 olmalıdır. L s =n s.l t = 1 x L t Sondaj Derinliği: Bu geometrik büyüklük en az s ö ö ( ) H =H +D+αD=H + 1+α D H ö = Örtü kalınlığı, m D= Açılacak tünel çapı, m α= Tünel tabanıyla ilintili derinlik faktörü. Taban kabarması, şişmesibeklenmeyendurumlarda α=0,5, 5 şişme potansiyeli olan formasyonlarda (aktivitesi yüksek kil) ise α=1 1,5 alınabilir. Sondaj Ekibi: N.H s s Ls n.l geometrik koşulundan hareketle s t N Ortalama Sondaj Aralığı: s Ls n s.lt = H H + 1+α D bulunur. Bu ifade, H ö değerinde çok önemli bir değişiklik olmama s ö ( ) ( ) L H t ö + 1+α D l s = N n s s durumunda geçerlidir. 23
Türkiye deki Raylı Sistem Projelerinde Geoteknik Araştırmalara ilişkin veriler Proje Hat Uzunl. (m) Sondaj Adedi Sondaj Uzunl. (m) Ortala. Sondaj Aralığı (m) Sondaj Yoğunl. (m/m) Yapı Tipleri Geçilen Hakim Zemin Kaya Cinsi İzmir Metrosu, 1. Aşama 11.328 157 4.286 72,2 0,38 Derin Tünel, Aç kapa, Alüvyon, Kiltaşı (1), (2), (3) (Üçyol Bornova) (T) (*) Viyadük, Hemzemin Kumtaşı, Andezit İzmir Metrosu, 2. Aşama (F.Altay Üçyol) 5.460 (D) İstanbul LRTS 2. Aşama (İncirli Tüneli) 1.477 (T) İstanbul Hafif Raylı Sistemi, 3. Aşama (Otogar Bağcılar) İstanbul Metrosu, 2. Aşama (Taksim Yenikapı) 3.600 (D) 5.705 (D) 53 1.668 103,0 0,31 Derin Tünel, Aç Kapa Aluvyonel, Fliş, Kiltaşı Kumtaşı, Andezit 21 576 70,3 0,39 Derin Tünel Marn Kil (5) 57 1.689 63,2 0,47 Derin Tünel, Aç Kapa Silt Kil (6) 132 3.543 43,2 0,62 Derin Tünel, Aç Kapa Grovak, Aluvyonel Zemin İstanbul Metrosu, 3. Aşama (4 Levent 5.500 62 1.720 88,7 0,31 Derin Tünel, Aç Kapa Grovak (7) Ayazağa) (D) Taksim Kabataş Füniküler Sistemi 643 (T) Marmaray Projesi (Yedikule 9.080 Söğütlüçeşme) (Boğaz GeçişiHariç) (***) (D) Ankara Metrosu, (M4,Tandoğan Keçirören Hattı) Hat Uzunluğuna göre Ağırlıklı ORTALAMA Kaynaklar (**) : (1) Yüksel, Arıoğlu, Obay, Alper, 1993 (2) Yapı Merkezi, 1998 (3) Arıoğlu, B., Yüksel, Arıoğlu, E., 2002a (4) Yıldız, 2005 10.582 (D) 18 480 35,7 0,75 Derin Tünel, Aç Kapa Grovak, Aluvyonel Zemin 80 3.862 113,5 0,43 Derin Tünel, Aç Kapa Grovak, Alüvyonel Zemin 77 2.300 137,4 0,22 Derin Tünel, Aç Kapa Tünel 92 0,38 (5) Yoldaş, 1992 (6) STFA, 2000 (7) Aydemir, 2006 (8) Yoldaş, 2003 (*) (T) : Tamamlanmış Proje, (D): Devam eden proje (**) Bazı projelere ait verilere ulaşılamadığından ilgili projelerde görev almış kişilere başvurulmuştur. (***) jj Andezit, Alüvyonel Zemin (9) DLH, 2003 (10) Şimşek, k 2005 (11) Şimşek ve ark. 2005 (12) Nuray, 2005 Kaynak (1), (2), (3), (4) (7) (8) (9), (10) (11) (12) VIII Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu, 2006, İstanbul Teknik Üniversitesi, Maden Fakültesi, İSTANBUL Kaynak: Yüksel, A., Yeşilçimen, Ö., Çavuşoğlu, M, 2006. 24
BAZI TÜNEL JEOLOJİK, İ GEOTEKNİK ARAŞTIRMA ÖRNEKLERİ 25
Tünel geçkisinin stabilitesini kontrol eden bir örnek: Şevin yenilme yüzeylerinden geçen tünel Gelişen çekme çatlakları Şev yenilme yüzeyleri Nehir Tünel Kütle hareket vektörü Kaynak: Whittaker ve Frith, 1990. 26
Vadi etkisinin H.tgα/h ölçülen ve teorik gerilme değerlerinin oranına etkisi 10 9 8 7 H h α>25 σ 1 /σ 3 6 5 4 3 2 İzotrop gerilme durumu 1 Teorik gerilme değeri Ölçülen gerilme değeri 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Değerlendirme H.tgα/h Artan vadi etkisiyle tünelin maruz kaldığı gerilmelerde aniztropi de büyük ölçüde artmaktadır. (σ 1 /σ 3 = 1 izotrop gerilme durumunu ifade eder). Kaynak: Shrestha ve Broch, 2008 den değiştirilerek. 27
Norveç, Avusturya ve İtalya da kimi tünellerde ölçülen asal gerilme değerleri ve Vadi Etkisi No 1 2 Proje Heggura kara yolu tüneli, İstasyon 6020, Norveç Felbertal, Avusturya (Şist, tungsten madenleri) H (m) h (m) Eğim (x) tgα H. tgα/h d (m) σ 1 σ 3 σ 1 /σ 3 Kaynak 1290 670 53 1,33 2,56 505 24,8 6,6 3,76 Broch ve Sorheim, 1984 1250 70 40 0,84 14,98 83 25 5 5,00 Kohlbeck vd., 1980 3 Entracque a, İtalya 1500 380 38 0,78 3,08 486 15,1 5,5 2,75 Martinetti ve Ribacchi, 1980 4 Entracque b, İtalya 1500 160 38 0,78 7,32 205 6,1 2,3 2,65 Martinetti ve Ribacchi, 1980 5 Entracque c, İtalya 1500 480 38 0,78 2,44 614 10,1 2,9 3,48 Martinetti ve Ribacchi, 1980 6 Piedilago, İtalya 1600 390 40 0,84 3,44 465 8,3 2,5 3,32 Martinetti ve Ribacchi, 1980 7 Roncovalgrande, İtalya 1000 210 37 0,75 3,59 279 24,2 6,2 3,90 Martinetti ve Ribacchi, 1980 8 Fiorano, İtalyay 1800 240 25 0,47 3,50 515 14,7 3,7 3,97 Martinetti ve Ribacchi, 1980 9 Edolo, İtalya 1700 250 25 0,47 3,17 536 35,6 14 2,54 Martinetti ve Ribacchi, 1980 10 Pelos, İtalya 350 120 15 0,27 0,78 448 8,5 4,8 1,77 Martinetti ve Ribacchi, 1980 11 Salafossa, İtalya 1200 280 27 0,51 2,18 550 8,3 4,2 1,98 Martinetti ve Ribacchi, 1980 12 Raibl, İtalya 590 400 47 1,07 1,58 373 56 17,7 3,16 Martinetti ve Ribacchi, 1980 13 Piani di Ruschio, İtalya 750 100 29 0,55 4,16 180 5,6 3,3 1,70 Martinetti ve Ribacchi, 1980 14 Timpagrande, İtalya 300 120 32 0,62 1,56 192 3,4 1,1 3,09 Martinetti ve Ribacchi, 1980 15 Taloro, İtalya 550 240 25 0,47 1,07 515 10,6 7,8 1,36 Martinetti ve Ribacchi, 1980 H= Vadi yüksekliği, h= Tünel örtü kalınlığı, α= Vadinin ortalama eğimi,, d= Tünelin vadi tabanından itibaren yatay uzaklığı, σ 1, σ 3 =Ölçülen asal gerilmeler. Kaynak: Shrestha ve Broch, 2008. 28
Mevhibe İnönü Tüneli Jeolojik Kesiti (İstanbul Hafif Raylı Sistemi, 2. Aşama) Dr. Rıfat YOLDAŞ Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A. Arıoğlu, Ergin.,V. Ulusal Kaya Mekaniği Sempozyumu, 2000, Isparta. 29
Ümmühan Ana Tüneli Geoteknik Boy Kesiti (Yapı Merkezi İnşaat A.Ş.) Ş Kaynak: Yapı Merkezi Mühendislik ve Tasarım Grubu, 1996, Çamlıca, İstanbul 30
Ümmühan Ana Tüneli Tipik Zemin Profili ve Ortalama Geoteknik Büyüklükler (Yapı Merkezi İnşaat A.Ş.) Kaynak: Arıoğlu, Ergin, Arıoğlu, B., Yüksel, A., 2002. 31
Tünel ayna jeolojik kesiti, km 0 068,88 (Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi Nenehatun Tüneli) Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin.,ECAS2002 Uluslararası Yapı ve Deprem Mühendisliği Sempozyumu, 14 Ekim 2002, Orta Doğu Teknik Üniversitesi 32
Tünelde kaya ortamı davranışının ş belirlenmesi (Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi Nenehatun Tüneli) 8,60 m km 0+680 deki Jeolojik Kesit Çakıltaşı 9,70 m Kazı Alanı : A = 69 m 2 Kiltaşı Çakıltaşı Kili Kumtaşı Kiltaşı Zemin Tanımı : Kırmızı renkli Kiltaşı, sarı yeşil renkli Killi kumtaşı, Çakıltaşı ardalanması Kiltaşı Tek Eksenli Laboratuvar Basınç Dayanımı: (Tablodan) σ b,lab = 165 kgf/cm 2 =1650 t/m 2 Birim Hacim Ağırlık: (Tablodan) γ= 2,2 t/m 3 Kaya Kalite Derecesi: (Sondaj Çalışmalarından) RQD ort = %15 Çatlak Takım Saysı Katsayısı (Sondaj Çalışmalarından) Jn = 15 (Üç çatlak takımı) Çatlak Pürüzlülük Katsayısı (Sondaj Çalışmalarından) Jr = 1 (Düzlemsel) Çatlak Pürüzlülük Katsayısı Ja = 9 (Kil Bantları) Değiştirilmiş ğ ş ş Qdfaktörü; RQD Jr 15 1 Q d = = =0,11 Jn Ja 15 9 Jeolojik Dayanım İndeksi GSI ; GSI = 9 ln (Q d) + 44 = 9 ln (0,11) + 44 = 24 20 Yerinde Basınç Dayanımı (Hoek,1999) bağıntısı ile b,y b,lab Stabilite sayısı N; H=50 m için: 2 t/m σb,y 85 N= = =0,77 3 γ H t/m m 2,2 50 (0,05 GSI) (0,05 20) 2 σ = 0,019 σ e = 0,019 165 e = 8,5 kgf/cm Zayıf Sıkışma ECAS2002 Uluslararası Yapı ve Deprem Mühendisliği Sempozyumu, 14 Ekim 2002, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin, 2002. 33
Geometrik Bilgiler Kazı Alanı (m 2 ) 36.43 Üst Yarı Alan (m 2 ) 18.81 Alt Yarı Alan (m 2 ) 17.62 Ortalama Kazı Genişliği(m) 635 6.35 Örtü Kalınlığı (m) 32.00 Aks Derinliği(m) 35.30 Geoteknik Bilgiler ÖrtüKalınlığı Boyunca 6 (0 40) RQD (%) Aks Derinliği Boyunca 6 (0 40) GSI 17 Formasyonun GenelTanımı Az orta derecede ayrışmış, çok sıkçatlaklı, orta dayanımlı, kiltaşı arabantlı kumtaşı, az ayrışmış, sıkçatlaklı ve parçalı, orta iyi dayanımlı andezit Laboratuvar Mekanik Büyüklükleri Kiltaşı arabantlı Kumtaşı Andezit Yoğunluk (gr/cm 3 ) 2.64 (2.57 2.71) 2.74 (2.72 2.76) Nokta Yükleme İndisi (kgf/cm 2 ) Tek Eksenli Basınç Dayanımı (kgf/cm 2 ) 26.96 (10.19 63.77) 444.02 (339.25 672.81) 27.87 (18.66 37.08) 429.32 Elastisite Modülü(kgf/cm 2 ) 10000 (8700 12300) 9800 Yerinde DayanımBüyüklükleri y Basınç Dayanımı (kgf/cm 2 ) 17.3 (13.2 26.2) 16.7 Elastisite Modülü(kgf/cm 2 ) 10000 (8700 12300) 9800 Andezit Ezilme Zonu Kil arabantlı kumtaşı YASS (+10.00 m) Kil arabantlı kumtaşı Andezit Karşılaşılması Olası Sorunlar Ezilme Zonu Ezilme zonu fay breşi andezit ve kil katmanları içerdiğinden bu zonda püskürtme betonun yapışma dayanımı "çok zayıftır". Dolayısı ile püskürtme betonun yapışma dayanımını arttırılmış kıvamda atılması (katkılar ile iyileştirilmiş)önemtaşımaktadır. Bu gibi rijitliği fevkalade düşük 2,3 litoloji içeren arabantlı formasyonların geçilmesinde normal düzeyin üzerinde "aşırı sökülmeler" beklenmelidir. Göçük olasılığını minimize etmek için mühendislik özeni" üst düzeyde gösterilmelidir. Kazı faaliyetine "uzun süreli" ara verildiğiğ durumlarda arın stabilitesinin tam olarak sağlanması bakımından alt ve üst kazı aynaları tümü ile yeterli kalınlıkta ve dayanımda püskürtme betonu ile kaplanmalıdır. Kaynak: Yapı Merkezi, AR&GE Bölümü, 2002
Kadıköy Kartal Raylı Sistemi Güzergahı Genel Jeolojisi (Ocak, İ., 2006) Kaynak: IETT 2005a; Ocak, İ., 2006) 35
Baltalimanı Formasyonu: Fosfat Yumrulu Çört Şeyl İnce çok ince tabakalı, sık kıvrımlı, kırıklı, çok sık çatlaklı, orta zayıf dayanımlı Lejand VIII Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu, 2006, İstanbul Teknik Üniversitesi, Maden Fakültesi, İSTANBUL Kaynak: Yüksel, A., Yeşilçimen, Ö, Arıoğlu, Ergin,2006., 36
İLAVE GÖSTERİM Kaya Kalitesi Göstergesi ( RQD ) RQD, bir ilerleme aralığında doğal süreksizliklerle ayrılmış, boyu 10 cm. Ve daha büyük olan ve silindirik şeklini koruyan karot parçalarının toplam ilerleme aralığının uzunluğuna oranının yüzde olarak ifade edildiği kantitatif bir indekstir. Deere ( 1964 ) tarafından önerilen RQD, aşağıda verilen ifade ile belirlenmektedir. RQD = n i=1 L l i n= İlerleme aralığındaki karot parçalarının sayısı l i = RQD ye dahil edilen ve boyu 10 cm. ve daha büyük olan karot parçalarınınboyları L= İlerleme uzunluğudur. ğ RQD Sınıflandırması RQD 0 25 A. Çok zayıf 25 50 B. Zayıf 50 75 C. Orta 75 90 D. İyi Kaya Kalite Göstergesi 90 100 E. Çok iyi Kaynak: Deere, 1964 den alıntılayan Ulusay, R. Ve Sönmez, 2007. 37
İLAVE GÖSTERİM RQD (Kaya kl kalite göstergesi) Kavramı ve RQD nin Belirlenmesi l RQD ye dahil edilen karot parçaları RQD ye dahil edilen karot parçaları Σl i = 0,43, L= 1,2 m, RQD= %36 Kaynak: Ulusay, R. Ve Sönmez, 2007. 38
İzmir Metrosu Sondaj Çalışmaları (S50A Sondajı) (İzmir Metro Projesi Nenehatun Tüneli) ECAS2002 Uluslararası Yapı ve Deprem Mühendisliği Sempozyumu, 14 Ekim 2002, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin, 2002. 39
İLAVE GÖSTERİM RQD DEĞERİYLE BAZI KESTİRİMLERİN YAPILMASI RQD ve ortalama çatlak sayısı sıklığı RQD = 100. [ 0,1n + 1 ].exp ( 0,1n ), %, 2 adet/m < n <38 adet/m ; (Priest ve Hudson, 1976) RQD = 3,68n + 110,4, %, 6 adet/m < n <16 adet/m (Bkz Şekil) ) Çatlak aralığı, l ç l l ç = n Çatlak sıklığı 5.0 n= 4.0 2 K, (Tanimoto ve Ikeda, 1983 (104 adet tünel projesindeki ölçümlerine dayanmaktadır)). n= Çatlak sıklığı birim metre uzunluk için, adet/m Vp,y K= Hız oranı, K= şeklinde tanımlanmaktadır. V p,lab V p,y, V p,lab = Sırasıyla yerinde ve sağlam numune üzerinde ölçülen basınç dalgasının yayılma hızı, km/sn. p,y p,lab 40
İLAVE GÖSTERİM Devamıdır RQD 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 RQD = 3,68n + 110,4 6 adet/m < n <16 adet/m Ortalama Çatlak Sayısı, n, adet/m RQD = 100. [ 0,1n + 1 ].exp( 0,1n) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Şekil Priest ve Hudson, 1976 ifadelerinin grafik gösterimi 41
İLAVE GÖSTERİM Devamıdır RQD P Hız Oranları ve Çatlak Sayısı aralığı V p,y RQD =.100 V p,lab 2, % (Deere vd., 1967) V p,y, V p,lab = Sırasıyla P basınç dalgasının yerinde kaya kütlesi içinde ve sağlam numunede yayılma hızları, km/sn V RQD = 0,77. V p,y p,lab 1,05 x100, % (Wadi, 1996) (Kaya kütlesi: (çok çatlaklı kireçtaşları yüzey formasyonu) kireçtaşı, çamurtaşı ve marn, şeyl) 1,22 Vp,y 1,22 Vp,y RQD = x100 = x100 1,22.V. 0,69 0, 842.V p,y ( ) p,y, % 1 km/sn<v p,y <4 km/sn (Budetta vd. 2001) 6,33 Vp,y n = ; adet/m (Budetta vd., 2001) 0,158.V p,y (Bkz Şekil) 42
İLAVE GÖSTERİM Devamıdır 100 RQD 90 80 70 60 50 40 30 20 122 1,22 V RQD = 0,842.V p,y p,y x100 Örnek Uygulama: V p,y = 2 km/sn ölçülen değer Kestirilen büyüklükler: o RQD %45 o n 14 adet/m o Hacimsel çatlak sayısı, J v RQD=110 25J 2,5J v J v =26 adet/m 3 10 Ortal lama Çatlak Sa ayısı, n, adet/m 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Kaya kütlesi içide basınç dalgası yayılma hızı, V p,y 633 6,33 Vp,y Şekil Kaya kütlesi içindei P basınç dalga hızının yayılma hızı ile n= 0,158.V RQD ve n değişimleri p,y (Kaynak: Değiştirilerek Buderetta vd., 2001) 43
İLAVE GÖSTERİM HACİMSEL ÇATLAK SAYISI Hacimsel çatlak sayısı N N N J v = + +... + L L L 1 2 n 1 2 n, (Palmstrom, 1996) Burada: N 1, N 2, N n = Gözlenen her bir çatlak takımı için ölçüm hattı boyunca sayılan çatlakların süreksizlikler sayısı L 1, L 2, L n = Gözlenen her bir çatlak takımına dik yönde seçilmiş ölçüm hattının uzunluğu J v ye göre blok boyutu tanımlaması (ISRM, 1981) Tanım J v (çatlak sayısı/m 3 ) Çok geniş bloklar <1 Geniş bloklar 1 3 Orta büyüklükteki bloklar 3 10 Küçük bloklar 10 30 Çok küçük bloklar >30 44
Devamıdır YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ RQD den J v değerininğ kestirimi İLAVE GÖSTERİM RQD= 115 3,3.J v (ISRM, 1978) o RQD=0 J v > 35 Çok kküçük ük boyutlu kaya blok o RQD= %100 J v > 4,5 RQD= 110 2,5J v (Palmstrom ve Broch, 2006) o Blok hacmi V =β.j b 3 v (Palmstrom ve Broch, 2006) β= Blok şekil faktörü. Genellikle 60 36 değerlerini alır. Örneğin eşit boyutlu bloklar için β=27, yaygın blok şekli için β= 36 değeri kabul edilebilir. V =36.J b (Bkz Şekil) 33 3 v, m Blok çapı Çatlak aralığı 0,333 3 3 b ç b b ç d l =V,m veya V l,m (Konuyailişkin dahaayrıntılı bilgi veaçılımlar için UlusayveSönmez, 2007 vearıoğlu, Ergin veyılmaz, 2006 kaynakları okunmalıdır). Blok çapı/ tünel çapı, d/d, oranı tünel ortamı nın mekanik davranışını belirler. 45
İLAVE GÖSTERİM Çok uzun veya yassı bloklar Uzun veya yassı bloklar Orta uzun veya yassı bloklar Eşit boyutlu bloklar Yaygın blok şekli Süreksizlik-çatlak-sayısı/m 3-3 ak sayısı, Jv Hacimsel çatl Ezilmiş Kırılmış Bloklu Masif (J v < 44 için, RQD = 0) (J v > 4 için, RQD = 100) Blok hacmi (V b ) Süreksizlik-çatlakaralığı,S-Blok çapı- Şekil Kaya kütlelerinde blok geometrileri arasındaki korelasyonlar. Jv = 1/S 1 +1/S 2 +.+1/S n,s 1,S n =1ve n inci çatlak takımının ortalama aralığıdır. b = Blok geometrisini tanımlayan faktör. Palmström 1995 e göre (b 20 +7 a 3 /a 1 ) ile yaklaşık olarak ifade edilebilir. a 1,a 3 =sırasıyla bloğun en kısa ve en uzun boyutlarıdır. Örneğin; kübiğe yakın bir blok geometrisinde a 3 a 1 olup, b 27 alınabilir Kaynak: Palmström, 2005 46