Investigation of face stability and surface settlement at earth pressure balance (EPB) tunneling method

HAMİD CHAKERİ

Investigation of face stability and surface settlement at earth pressure balance (EPB) tunneling method

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Maden Mühendisliği A.B.D., Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2012

Tezin Dili: İngilizce

Öğrenci: HAMİD CHAKERİ

Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): BAHTİYAR ÜNVER

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Özet:

ZEMİN BASINCI DENGELEME TÜNELCILIK YÖNTEMINDE (ZBD) AYNA DURAYLILIĞI VE YER ÜSTÜ OTURMALARININ İNCELENMESİHamid ChakeriÖZMadencilik ve inşaat sektöründeki teknolojik gelişmelerle birlikte yeraltı yapılarının önemi gün geçtikçe hızlı bir şekilde artmaktadır. Ayrıca kentleşme ve nüfus artışı nedeniyle, kentsel alanlar önemli ölçüde artmıştır ve bu nedenle yerleşim merkezleri ve büyük şehirlerde metro tünelleri gereklidir. Bu tür yapılarda, tam cepheli tünel açma makineleri, istenilmeyen yer üstü ve yeraltı hareketlerini önleme kabiliyeti, daha sessiz, titreşimsiz ve hızlı çalışması nedeniyle günümüzde tercih edilen kazı makineleri haline gelmiştir. Şehir içinde yapılan tünellerin ortak özellikleri, çok sığ derinliklerde ve genellikle yumuşak zeminde, yani toprakta açılmış olmalarıdır. Bu tür kazılarda esas zorluk zeminin düşük taşıma gücü ve kolay deforme olmasından ileri gelir. Böylesi zeminlerde yer üstü oturmalarının kontrol edilmesi gerekmektedir. İlgili alanlarda, metro tünel kazılarının neden olacağı zararlardan binaların ve diğer yapıların korunması esastır.Yer üstü oturmalarının hesaplanması için üç önemli yöntem vardır: (i) Ampirik formüllere dayanan ampirik yöntemler ki çoğunlukla sınırlı eski tünel çalışmalarından ve saha ölçümlerinden elde edilmiştir (Peck 1969; Schmidt 1969; Attewell ve Çiftçi, 1974; Atkinson ve Potts, 1979 Martos 1958; O'Reilly ve Yeni 1982; Herzog 1985; Leach 1985; Vermeer ve Bonnier 1991; Arioglu 1992; Mair ve ark 1993; Hamza 1999; Macklin 1999) (ii) Maksimum Yer üstü oturmalarının hesaplanması için analitik yöntemler (Lo ve ark 1984; Verruijt ve Booker 1996; Loganathan ve Poulos 1998; Chi ve ark 2001; Chou ve Bobet 2002; Park 2004). Ampirik ve teorik bağıntılarla yapılan analizler genelde, yaklaşık sonuçlar verse de bazen çok sağlıksız ve gerçek değerden çok uzak sonuçlar verebilmektedir. (iii) En popüler yöntem olan Sonlu farklar ve sonlu elemanlar yöntemleri (Addenbrooke 1997 gibi sayısal analiz; Rowe ve Kack 1983; Lee ve ark 1992;. Melis ve ark 2002;. Mroueh ve Shahrour 2002; Tavaranum 2003 Suwansawat ve Einstein 2006; Erçelebi et diğerleri 2011;. Chakeri ve ark 2011).Ampirik ve analitik yöntemleri sınırlaması nedeniyle yer üstü oturmalarının incelenmesinde bazı sorunlarla karşılaşılabilir. bu tür sorunları sayısal yöntemler ile çözmek mümkün olabilir.Son yıllarda, pek çok araştırmacı sonlu farklar veya sonlu elemanlar yöntemleri gibi sayısal yöntemler kullanarak tünel kazı sürecini simüle etmek için çalışmışlardır. Bu araştırmacıların çoğu sayısal yöntemleri uygulayarak toprak hareketlerini başarılı bir şekilde tahmin etmişlerdir. Örneğin, Rowe ve Kack (1983) çok sayıda tünel verisini kullanılmıştır. Bu çalışmada Sonlu eleman analizleri ile elde edilen değerler yerinde ölçülen yer üstü oturmaların ile karşılaştırıldığında genelde iyi tahminler vermiş, ancak olumsuz karşılaştırmalar da bazı durumlarda bulunmuştur.Lee ark. (1992) bir sonlu eleman analizi kullanarak toprak hareketlerinin başarıyla tahminler verdiğini bildirmiştir.Chakeri ve ark. (2011) yer üstü oturmalarının hesaplanması için 3 boyutlu sonlu farklar yöntemi kullanmışlar ve sayısal analiz sonuçlarını saha ölçümleri değerleri ile uyumlu olduğunu belirlemişlerdir. Ayrıca Suwansawat (2006), Mroueh and Shahrour (2002), Melis et al. (2002), Ercelebi et al. (2010) sayısal yöntemleri kullanarak yüzey oturmalarıyla ilgili bazı hesaplamalar yapmışlardır.Yer üstü oturmalarını ve ayna duraylılığını etkileyen geometrik ve mühendislik faktörlerinin en önemlileri literatürde zemin özellikleri, tünel derinliği, tünel çapı, tünellerin birbirine etkisi ve ZBD ile kazılan tünellerde ayna basıncı olarak verilmektedir.Günümüze kadar yukarıda verilen parametreler ile ilgili yapılan çalışmalarda sadece bazılar göz önüne alınmıştır. Sayısal yazılımların gelişmesine paralel olarak yer üstü oturmalarını ve ayna basıncı etkileyen faktörlerin bu yöntemle detaylı incelenmesi, ayrıca elde edilen sonuçların yerinde ölçümlerle karşılaştırılması ile metro tünelciliğinde karşılaşılan pek çok sorunun çözülmesine yardımcı olunabilir.Bu çalışmanın amacı, yerleşim bölgelerinin içinde ZBD makineleriyle kazılan tünellerde yer üstü oturmalarının azaltılması amacıyla, ayna basıncı ve yer üstü oturmalarını etkileyen parametrelerin incelenmesi ve elde edilen sonuçlar kullanılarak yeni istatistiksel model eşitlikleri geliştirilmesidir. Bu kapsamda yapılan işler aşağıda sıralanmıştır:Ortadoğu'nun büyük metro projelerinden olan İstanbul (Esenler ve Tavukcudere) ve Tehran (7 nolu hat), Esfahan (1 nolu hat) ve Mashhad (2 nolu hat) metro tünel inşaatlarında modellemeler yapılmıştır. Istenen jeomekanik faktörler (kohezyon, içsel sürtünme açısı, yoğunluk, elastisite modülü ve poisson oranı) ve mühendislik faktörleri (tünel derinliği, ayna basıncı,) gibi parametreler 7 nolu hat boyunca değiştirilmiştir. Ayrıca, İstanbul metro hattının incelenme sebebi ise çift hat şeklinde kazılmış olmasıdır. Böylece, İstanbul metro hattı üzerinde iki tünelin birbirine etkisi ve mevcut tünelin diğer tünellere göre konumu incelenmiştir. Su parametresinin etkisi Esfahan metrosu üzerinde incelenmiştir. Mashhad metrosunda elde edilen sonuçlar karşılaştırılmalar için kullanılmıştır.Sonlu farklar sayısal yöntemi (FLAC3D) kullanılarak, literatürden toplanan bilgilere göre yenilme yüzeyini etkileyen faktörler detaylı olarak araştırılmıştır ve yer üstü oturmalarını etkileyen faktörler (jeomekanik faktörler (kohezyon, içsel sürtünme açısı, yoğunluk, elastisite modülü ve poisson oranı), mühendislik faktörleri (tünel derinliği, tünel boyutu, ayna basıncı, mevcut tünelin diğer tünellere göre konumu) incelenmiştir.Elde edilen tüm sonuçların (yerinde ölçümler, sayısal modelleme ve ampirik sonuçlar) birlikte değerlendirilerek yer üstü oturmalarının hesaplanması için yeni istatistiksel model eşitlikleri ortaya konulmuştır ve bu eşitlikten elde edilen sonuçlar literatürdeki mevcut eşitliklerden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Böylece bu formüller mevcut ampirik denklemlerinin dezavantajlarını ortadan kaldıracaktır.Yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçların önemlileri aşağıda listelenmiştir:Sayısal modellemeden elde edilen sonuçlar gerçek tünel kazısı sırasında yerinde yapılan ölçüm sonuçlarına oldukça yakın sonuçlar vermiştir. Bu ise yapılan modelleme çalışmalarının güvenilirliğini ortaya koymaktadır.Ayna basıncı üzerinde etkili olan parametreler aşağıdaki şekilde sıralanabilir (azalan):Tünel Derinliğiİçsel Sürtünme AçısıTünel ÇapıElastisite ModülüPoisson OranıKohezyon,Yer Üstü YüklemeleriYoğunlukMaksimum yer üstü oturmaları üzerinde etkili olan parametreler aşağıdaki şekilde sıralanabilir (azalan):Tünel ÇapıElastisite ModülüPoisson OranıTünel Derinliğiİçsel Sürtünme AçısıKohezyonYer Üstü YüklemeleriAyna BasıncıYoğunlukYer üstü oturmaları eğrisinin donüş noktası (i) üzerinde etkili olan parametreler aşağıdaki şekilde sıralanabilir (azalan):Tünel Derinliiğiİçsel Sürtünme AçısıTünel ÇapıPoisson OranıKohezyonYer Üstü YüklemeleriBu araştırma sonuclarına göre, şehir içinde iki tünelin paralel olarak kazılması ve bu iki tünelin arasındakı mesafe tünel çapının üç katından yüksek olmasının avantajlı olduğu belirlenmiştir. Ayrıca iki tünelin dik yönde kazılması makul değildir ve bu tür pozisyondan mümkün olduğunca kaçınılması gerekmektedir.Herzog yöntemi sadece iki tünelin etkisinin tahmini için iyidir. Bir tünel için bu yöntemden elde edilen maksimum yer üstü oturmalarının miktarı, sayısal modeler ve sahada olçülen verileri ile uyumlu değildir.Maksimum yerüsüt oturmaları ve yer üstü oturmalarının eğrisinin kıvrılma noktasının (i) miktarın belirlenmesi için aşağıdaki denklemler geliştirilmiştir:S_max=3198.744 (D/Z_0 )×((?((?Z_0+?_s-(c+ ? 0.3? ? _T ))/E))(1-?)(1-sin?))^0.8361i=0.6054 (0.87 Z_0+0.13D)-2.8562Bu formüllerden elde edilen sonuçlar gerçek tünel kazısı sırasında yerinde yapılan ölçüm sonuçlarına oldukça yakın sonuçlar vermiştir.Sayısal modelleme sonuçlarına göre, fay zonuları ve tünelin aynasında karşılaşdığımız malzemelerin (Kaya ve toprak karışımı) yer üstü tahminlerinde önemli etkileri vardır.Anahtar Kelimeler: Sayısal modelleme, Tünelcilik, Maksimum yer üstü oturmaları, Ayna basıncı, Zemin basıncı dengeleme yöntemi, EPB, Tüneller arasındaki etkileşim, Jeoteknik faktörleri, Mühendislik faktörleri, Görgül yöntemler ve FLAC3DDanışman: Prof.Dr. Bahtiyar Ünver, Hacettepe Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü.