ins13204 genel jeofİzİk ve jeolojİ -...

INS13204

GENEL JEOFİZİK

VE JEOLOJİDr.Öğr. Üyesi Orhan ARKOÇ

e-posta: [email protected]

Web : http://personel.kirklareli.edu.tr/orhan-arkoc

1

mailto:[email protected]

http://personel.kirklareli.edu.tr/orhan-arkoc

BÖLÜM 11Tünel Jeolojisi

2

Tüneller

• Tünel’ler; herhangi bir

ulaştırma işleminin

gerçekleştirilebilmesi

amacıyla yapılan ve her iki

ucu zemin yüzeyine açılan,

dışarıyla bağlantılı olan

açılmış yapay yeraltı geçitleri

ya da yeraltı açıklıklarıdır.

• Tüneller, yer altında

yapılacak kazı ile istenilen

kesitte boşluk oluşturulması

ve desteklenmesi ile inşa

edilen yapay yeraltı yapıları

olarak da tanımlanmaktadır.

3

• Tüneller, insan veya malzemenin zaman, emniyet ve

ekonomik açıdan yararlı şekilde en kısa yoldan iletiminin

sağlanması için inşa edilirler.

• Tünel tanımındaki ulaştırma işlemi,

• karayolu tüneli,

• metro gibi trafik ulaşımı

• baraj derivasyonu,

• kanalizasyon gibi su-malzeme iletimini yer altından

daha kısa veya amaca uygun olarak istenilen bir yolla

sağlanması anlamındadır.

4

Tünel ve galerilerde kullanılan terimler

• Tipik bir tünelde, tünel tavanından yeryüzüne kadar olan kısma örtü, kalınlığa örtü kalınlığı, tek tarafı açık kazıları ise galeri ismi verilir.

• Düşey olarak yapılan kazılara şaft, baca ya da kuyu, yukarı doğru eğimli olanlarına baş yukarı, aşağıya eğimli olanlarına baş aşağı, aynı tünel ya da galeride normal genişlik ve yükseklikten fazla kazılmış kısımlar oda olarak isimlendirilir.

• Kazılarda kazı sonunda çıkan artık malzemeye pasa, yol güzergâhında bulunan tünellerin giriş ve çıkış yüzlerine portal denir.

9

• Tünel ya da galerinin en kesiti göz önüne alındığında kazı boşluğunun alt kısmına taban,

• üst kısmına tavan (kemer),

• yan kısımlara ayak (duvar),

• tavanın ayaklarla birleştiği kısma üzengi,

• üzengileri birleştiren çizgiye üzengi düzeyi, üzengi düzeyi ile tavan arasında kalan kısma kalot,

• üzengi düzeyi ile taban arasındaki kısma stros,

• tünel çalışması sırasında bir kerede açılan tünel uzunluğuna ise ano denmektedir.

10

TÜNEL JEOLOJİSİ ÇALIŞMALARI

• Bir Tünel açılması sırasında yapılan jeolojik çalışmalar aşağıdaki gibi

sınıflandırılır;

• a)Ön jeolojik araştırmalar

• b) Ayrıntılı jeolojik araştırmalar

• c) Tünel açılırken yapılan çalışmalar

• d) Tünel açıldıktan sonra yapılan çalışmalar

11

a) Ön Jeolojik Çalışmalar-

Jeoloji- Mühendislik Jeolojisi modelinin oluşturulması

• Tünel güzergahının belirlenmesine yönelik çalışmalardır.

• Güzergah ve dolayında yüzey jeolojisi araştırmalarına odaklanır.

• • Litolojik özellikleri

• • Yapısal özellikleri

• • Örtü kalınlığı ve doğal gerilmeler

• • Kayaçların mühendislik özellikleri

• • Hidrojeolojik özellikler

• • Isı sorunu

• • Gaz sorunu

• • Depremsellik

12

b) Ayrıntılı jeolojik araştırmalar

Ayrıntılı jeolojik araştırmalar;

Yeraltı araştırmaları;

sondaj,

yarma,

kuyu,

galeri ve jeofizik yöntemlerini içerir.

Kayaçların;

• • Litolojik ve petrografik özellikleri

• • Ayrışma derecesi ve derinliği,

• • Sertlik ve kazılabilirlik

13

• Süreksizliklerin mühendislik özellikleri

• Yeraltı su seviyesi, kaynaklar, suların kimyasal bileşiminin beton ve çimentoya etkileri, debileri ve ısıları, ortamın geçirgenliği

• Kayaçların suya karşı hassasiyetleri (erime, şişme-kabarma, karstlaşma)

• Sondaj ve kazılarda arazi deneyleri, alınan örneklerde ise

laboratuar deneyleri ile fiziksel ve mekanik özelliklerin tayini

• Kazı malzemesinin (pasa), kaplamalarda agrega olarak kullanılabilirliği

• Tünel destek türleri ve yerleri

• Kazı yöntemi ve makine seçimi

hakkında ayrıntılı sayısal veriler toplanır.

14

c)Tünel Açılırken Yapılan Çalışmalar

• Tünel güzergahının harita ve

kesitlerinin oluşturulması

(1/100 – 1/50 ölçekli)

15

• (doğrultu-eğim) ölçülmesi ve kesitlere işaretlenmesi

16

• Taban, tavan, yan duvarlar ve aynada görülen yapısal ve litolojik özelliklerin

harita ve kesitlere işlenmesi

• Açım sırasında karşılaşılan sorunların türleri (kaya patlaması, aşırı

sökülmeler), ve yerlerinin kesitlere işlenmesi.

• Su gelirleri, debileri ve kimyasal analizler

• Taban, tavan, yan duvarlar ve aynada görülen süreksizliklerin özelliklerinin,

konum ve geometrilerinin işlenmesi

17

TÜNEL AÇILMASI SIRASINDA

MALİYETİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER

• 1- Tünel güzergahının jeolojik ve hidrojeolojik durumu

• 2 -Tünelin desteklenmesi ve destek türü

• 3 -Tünelin yüzeyden derinliği

• 4 -Tünelin çapı ve şekli

• 5 -Tünelin uzunluğu

• 6 - İşçilik

• 7 - Çalışılan günler

• 8 - Makine arızaları

19

Kaya ortamlarda tünel açma durumunda kullanılan Kaya Kütle

Sınıflama sistemleri

• Kaya kütle sınıflama sistemleri eğer belirli koşullar yerine getirilirse;

• gözlem, ölçüm, tecrübe ve mühendislik yargıları sonucu elde edilen

bulguların birleştirilmesiyle, niceliksel (sayısal) olarak kaya kütlesi

özelliklerini ve tahkimat gereksinimlerini ön tasarım safhasında

belirlemek için kullanılır (Bieniawski, 1984).

20

• Sınıflama sistemlerinin mühendislik uygulamalarında sağladığı yararlar

şunlardır;

• 1) Belirli bir bölgede bulunan kaya kütlelerini aynı davranışı gösterecek

gruplara ayırmak,

• 2) Her bir grubun özelliklerini anlayabilmek için bir temel oluşturmak,

• 3) Tasarım için sayısal veriler sağlamak,

• 4) Kaya mühendisleri arasında iletişimi sağlamak için herkesin kullanabileceği

ortak bir temel oluşturmak.

21

• Sınıflama sistemlerinin, yukarıda belirtilen yararları sağlamak için şu özelliklere sahip olması gerekir;

• 1) Basit, kolayca hatırlanabilme ve anlaşılabilmelidir.

• 2) Kullanılan her terim açık ve mühendislikte kabul edilen bir şekilde anlatılmalıdır.

• 3) En önemli kaya özelliklerini içermelidir.

• 4) Arazide ucuz ve çabuk yapılabilecek deneyler sonucu elde edilen ve ölçülebilir verilere dayanmalıdır.

• 5) Sınıflama parametrelerinin göreceli önemini tartabilen bir değerlendirme sistemine sahip olmalı

• 6) Kaya tahkimat tasarımı için sayısal veri sağlayacak şekilde kullanılabilmelidir.

22

• SINIFLAMA SİSTEMİNDE KULLANILAN DEĞİŞKENLER

• Sınıflama sistemlerinin bir çoğunda aşağıda belirtilen değişkenler

kullanılmaktadır;

• 1) Kayanın basınç dayanımı,

• 2) Kaya kalite belirteci, RQD,

• 3) Süreksizliklerin:

• a) Aralığı,

• b) Durumu (pürüzlülük, devamlılık, dolgu maddesi)

• c) Konumu (doğrultusu, eğim ve yönü)

• 4) Yer altı suyu durumu

• 5) Çevre etkileri

• a) Gerilmeler,

• b) Kazı türü,

• c) Ana süreksizlik düzlemlerin etkisi.

23

• Kaya basma dayanımı bir çok sınıflama sisteminde göz önüne alınmıştır.

Bunun nedeni, kaya kütlesi dayanımın, bir ölçüde süreksizliklerle bunların

arasında yer alan kaya dayanımına bağlı olmasıdır.

• İkinci yaygın kullanılan parametre Kaya Kalitesi Belirteci (Rock Quality

Designation-RQD) dir. Süreksizlik özelliklerinden bir bölümü içermesi

bakımından önem taşır.

• Yeraltı suyu durumu ve diğer çevre etkilerinden kaya kütlesi dayanımı ve

davranışına belirli ölçüde etkisi vardır.

24

• Bu bölümde, yaygın olarak bilinen sınıflama sistemlerinden aşağıda

belirtilen üç tanesi yer verilecektir:

• 1) Terzaghi (1946) tarafından önerilen kaya yükü yüksekliği adı verilen

sınıflama sistemi,

• 2) Bieniawski (1973) tarafından önerilen Jeomekanik Kaya-Kütlesi Sınıflama

sistemi (RMR Sistemi)

• 3) Barton ve ark. (1974) tarafından önerilen Q sınıflama sistemi

25

Kaya Yükü (Terzaghi) Sınıflaması

• Terzaghi 1946 yılında, çelik destek sistemlerine uygun olarak geliştirilen ilk

gerçekçi sınıflama yöntemini ortaya koymuştur.

• Bu önemli bir gelişmeydi çünkü tünel kazılarında çelik destekler o tarihte 50

yıldır kullanılıyordu.

• Laboratuvarda kum kullanarak yaptığı fiziksel modellere ve Alplerde çelik-bağ

tahkimatlı tünellerdeki tecrübelerine dayanarak, çeşitli kaya türlerini

tanımlamış ve bu türler için tahkimat üzerine gelecek kaya yükü sınırlarını

belirlemiştir.

29

• Sınıflama çelik desteklerle desteklenen tünellerin üzerindeki kaya yüklerini

tahmin etmek için tasarlanmıştır ve püskürtme beton, kaya bulonu gibi

yöntemlerin kullanıldığı modern tüneller için uygun değildir.

• Terzaghi’nin tanımlamasından sonra çeşitli araştırmacılar tarafından bazı

değişikler yapılmış ve şimdi kullanımda olan son hali aşağıda verilmiştir.

30

Bieniawski’nin Jeomekanik Kaya Kütlesi Sınıflama Sistemi

(RMR)(Rock Mass Rating System)

• Jeomekanik kaya kütle sınıflama sistemi veya kaya kütlesi değerlendirme

(RMR) sistemi Bieniawski (1973) tarfından ortaya konulmuş, daha sonra

üzerinde bazı değişiklikler yapılarak geliştirilmiştir.

• Bu sınıflama sisteminde, aşağıda sıralanan ve sahada ölçülebilen veya sondaj

verilerinden elde edilebilecek, altı değişken kullanılır:

33

• a) Kaya örneğinin tek eksenli basınç dayanımı,

• b) Kaya kalite belirteci (RQD)

• c) Süreksizlik aralığı,

• d) Süreksizliklerin durumu,

• e) Yer altı suyu durumu,

• f) Süreksizliklerin konumu

• RMR sistemini uygulamak için, araştırma yapılan galeri veya tünel boyunca

kaya kütlesi yeterli sayıda yapısal bölgelere ayrılır.

• Yapısal bölgeler, içlerinde kaya yapısının aşağı yukarı aynı zonlardır.

• Yukarıda belirtilen altı parametre değerleri her yapısal bölge için ölçümlerden

belirlenerek standart jeoteknik veri toplama formlarında veya sondaj loglama

formlarına işlenir.

34

• RMR sınıflaması

• Kaya Kütle Değerlendirmesi (RMR, Rock Mass Rating)

45

Kaya kütlesi kalitesi (Q- Sistemi)

• Q-sistemi 1974 yılında Norveç Jeoteknik Enstitüsü araştırmacılarından Barton, Lien, ve Lunde tarafından geliştirilen bir kaya sınıflama sistemidir.

• İskandinavya'da 200'den fazla maden galerisi ve tünelde yapılan incelemelere dayanmaktadır.

• Q-sistemindeki kaya kütlesinin değerlerini belirten Q sayısı aşağıdaki eşitlik yardımıyla bulunur.

• Bu formülasyonda;

• RQD: Kaya kalite değeri

• Jn: Süreksizlik takım sayısı

• Jr: Süreksizlik pürüzlülük durumu

• Ja: Süreksizlik ayrışma durumu

• Jw: Süreksizlik suyu indirgeme değişken faktörü

• SRF: Gerilme indirgeme katsayısı

48

Tünel Açılması Sırasında

Karşılaşılan Sorunlara) Kemerlenme

b) Aşırı Sökülme

c) Kaya Patlaması

d) Yeraltı suyu

e) Isı

f) Gaz

59

KEMERLENME-AŞIRI SÖKÜLME-KAYA PATLAMASI

• Ana etmen doğal gerilmelerdir.

• Kazı sonucu, doğal gerilmelerin yer, yön ve şiddeti değişir.

• Oluşan yeni gerilmelere ikincil gerilme adı verilir.

• İkincil (sekonder) gerilme koşulları altında;

• Tünel yan duvarları, taban ve tavanında sert kayaçlarda kaya patlamaları ve

aşırı sökülme ayrımış ve yumuşak kayalarda şişme ve kabarma türü olaylar ile

karşılaşılabilir.

60

Kayaçların içerisinde bulunan gerilmeler;

• Yerçekimi gerilmesi

• Su basıncı

• Buzul erimesi,

• Kayaların erozyonu

• Tektonik hareketler

• Magmatik faaliyetler

• Metamorfizma

• Yeniden kristallenme

61

a) Kemerlenme

• Yeraltı kazısı yapıldığında, kazı boşluğunun etrafındaki kayalar gerilmelerin

etkisi ile açılan boşluğa doğru hareket etmek isterler.

• Bu hareket, süreksizlikler boyunca kayaların birbirlerine dayanması ile bir

dereceye dek kendiliğinden önlenir ve denge oluşur. Bu denge haline

kemerlenme adı verilir.

• Kemerlenme; kayalarda açılan boşlukların destek (iksa) gerekmeden

durabilme özelliği olarak da tariflenir. Kemerlenme; litolojik ve yapısal

özelliklere, yapısal özelliklerin (süreksizlikler: fay, tabakalanma düzlemi, kıvrım

eksenleri, vb.) doğrultu eğimi ile tünel doğrultusu arasındaki ilişkiye,desteksiz

kalan kısmın uzunluğuna bağlı olarak değişir

65

• Yeraltında açılan bir boşluk çevresinde 3 zon oluşur. Bu zonlardıştan içe doğru;

• 1. Elastik Bölge (Kazıdan etkilenmemiş)

• 2. Koruyucu bölge

• 3. Plastik bölge (gevşeme zonu)

• Gevşeme zonunun mekanik dayanım parametreleri (kohezyon, c ve içsel sürtünme açısı, f), elastik

• bölgeninkinden daha küçüktür.

• Kazı kesitinin şekli gerilme dağılımı

• üzerinde etkilidir. Köşeli kesitlerde

• gerilme yoğunlaşması yüksektir.

• Duraylık açısından risk oluşturur.

• Oysa dairesel kesitli tünellerde,

• gerilme kemerlenmesi büyük gerilme

• yoğunlaşması olmaksızın oluşur.

66

b)Aşırı sökülme• Yeraltı kazılarında profil fazlası kazılara

aşırı sökülme ismi verilir. Olması istenmeyen bir olaydır ve maliyet artışında en önemli faktördür.

• A çizgisi: Açılmak istenen tünelin çeperine teğet olan çizgidir.

• B çizgisi: A çizgisi ile kazılan tünel ortasından geçen çizgidir. Ödeme çizgisi olarak da adlandırılır.

• B çizgisi dışında kalan kazılar için ödeme yapılmaz.

• Aşırı sökülmenin diğer bir tarifi de; B çizgisi dışında kalan dökülme, oyulma ve kazılardır.

• Bu tür aşırı sökülmelere profil fazlası da denir.

67

c) Kaya patlamaları

• Doğal gerilmeler etkisinde bulunan kayalarda açılan tünellerde, kazı türü ve

hızına bağlı olarak, tavan, taban ve yan duvarlardaki kayaların aniden

patlayarak kazı boşluğuna düşmesi olayıdır.

• Küçük parçalar halinde ise; kaya fırlamaları büyük parçalar halinde ise; kapak

atma adını alır.

• Mal ve can kaybına neden olur.

• Ek maliyet getirir.

• Doğal gerilmelerin yanı sıra jeolojik koşullarında rolü büyüktür.

• Farklı dayanıma sahip kayaların birlikteliği ve kırıkların varlığı etken faktördür..

68

d) Yeraltısuyu

• Yeraltı su seviyesi altında açılan tünellerde yeraltı suyu tünel içine hareket

eder. Tünel drenaj galerisi gibi çalışır. Kayaçların permeabilitesi, süreksizlikleri

ve kazı civarındaki karstik boşluklar (kireçtaşları) önemlidir.

Sakıncaları aşağıdaki gibidir;

• Boşluk suyu basıncının oluşumu nedeniyle dayanım azalması.

• Eriyebilen ve şişen kayaçlar.

• Çalışma koşullarının zorlaşması.

• Mal ve can kaybı riski, maliyet artışı.

• Killi ortamlarda şişme ve kazı boşluğuna akma.

69

• CaSO4, NaSO4, MgSO4, H2S, CO2 ve Ca(HCO3)2 içeren

sular, desteklemede kullanılan çelik ve beton üzerinde

olumsuz etki yapar.

Bu maddelere;

• Jipsli

• Anhidritli

• Piritli

• Kömürlü ve kükürtlü sahalardan gelen sularda daha çok

rastlanır.

70

e) ısı

• Yerkabuğunda, derine doğru her 100 metre sıcaklık 3 °C derece artış gösterir.

• Çalışma koşullarını güçleştirir.

• Problemin çözümünde etkin yol havalandırmadır.

• Havalandırma; hava basan veya emen motorlarla (komprasör, aspiratör)

• tünele açılan bacalar ile sağlanır.

71

f) gaz

• Karbondioksit (CO2): %15-25 oranında öldürücü etki. %4-6 oranında

solunum güçlüğü.

• Su ile reaksiyonunda karbonik asit, tünel kaplama ve metallerde korosiftir.

• Karbonmonoksit (CO): % 0.025 den fazlası zehirlenmelere %0.04-0.06 oranı

ise ölümlere yol açar.

• Metan (CH4):Hava ile karışımındaki oran %5 civarında ise patlayıcıdır (Grizu).

• Kükürtdioksit (SO2): Suda erimesiyle oluşan sülfiröz asit kaplama betonunu

etkiler.

• Hidrojen sülfür (H2S): Havada %1’den az orandaki karışımı zehirleyicidir. %6

oranından fazla ise patlayıcıdır.

• Gazların olumsuz etkilerinden kurtulmanın etkin yolu havalandırmadır.

72

TÜNEL AÇMA YÖNTEMLERİ

Tüneller Kaya ortam ve Zemin ortam yada her ikisinin de yer aldığı ortamlarda açılabilirler.

• a. Kayada tünel açma b. Zeminde tünel açma

• * Gerilmeler fazla * Gerilmeler az

• * Duraylılık fazla * Duraylılık az

• * Geçici su sorunu * Devamlı su sorunu

• * Masraf az * Masraf fazla

Tüneller genel olarak üç yöntemle inşa edilir:

a) Aç - Kapa

b) Delme – Patlatma

c) Mekanize tünel açma

74

a) Aç-Kapa Tünel Açma Yöntemi

• Tünel inşası sığ olarak yapılması

planlandığında bu yöntem tercih

edilir.

• Kazı yapılarak tünel inşa edilir

daha sonra kazı örtülerek inşaat

tamamlanır.

75

b) Delme ve Patlatma ile Tünel Açma Yöntemi

• Bu yöntemde aşağıdaki iş sırası takip edilir.

• Tünel ve tünel kayası özelliklerine göre deliklerin açılması,

• Deliklere patlayıcı madde türlerine göre hesaplanmış miktarda patlatıcıların

yerleştirilmesi,

• Patlatma sırasına göre deliklerin ateşlenmesi,

• Patlatma sonucu gaz ve tozların temizlenmesi için havalandırma yapılması

• Düşme tehlikesi olan blokların düşürülmesi,

• Koparılan malzemelerin ( pasa ) dışarı taşınması,

• Bu işlemler tünel bitene kadar tekrarlanır.

77

c) Mekanize Tünel Açma Yöntemleri

Tünel açma makinelerinin genellikle;

• metro,

• otoyol,

• demiryolu tüneli inşaatları

• ve maden ocağı galerileri yapımında kullanılır.

78

Tünel açma makineleri (TAM-TBM)

• TAM-TBM ( Tunnel Boring Machine) denilen tünel açma makinaları yatırım

maliyeti yüksek olsa da, istenilmeyen yeraltı hareketlerini önleme kabiliyeti,

daha sessiz, titreşimsiz ve hızlı çalışması nedeniyle günümüzde tercih edilen

kazı makineleri haline gelmiştir. İlk uygulaması 1856 yılında ABD.

• Sert, orta sert, yumuşak ve akıcı formasyonlar için kullanılabilen kafa

dizaynları ve keski tipleri, makineyi dengeleme sistemleri, tahkimat sistemleri,

çıkarılan pasayı taşıma sistemleri, çeşitli yönlerden farklılıklar göstermektedir.

• Açılacak yer altı boşluğu boyunca geçilecek formasyonların önceden tespiti,

kullanılacak makinenin seçiminde en önemli faktörlerden biri olmaktadır.

79

• Bu nedenle her proje için ayrı bir TBM dizayn edilir.

80

• https://youtu.be/qx_EjMlLgqY

82

https://youtu.be/qx_EjMlLgqY

Tünellerde Yapılan Sağlamlaştırma Yöntemleri

• Püskürtme beton

• Tel kafes

• I profil

• Çelik hasır

• Ankraj

• Yalıtım

• Beton kaplama

83

Tel Kafes

84

Püskürtme beton

85

Ankraj

86

Ankraj, çelik hasır ve püskürtme beton

87

Yalıtım

88

Beton kaplama

89

BİR PROJE ÖRNEĞİ:

• – Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi –

90

• Earth Pressure Balance Machines (EPBMs) are shield machines specially

designed for operation in soft ground conditions containing water under

pressure. Loose sedimentary deposits with large boulders and a high water

table will challenge ordinary TBMs

96

INS13204

GENEL JEOFİZİK VE JEOLOJİDr.Öğr.Üyesi Orhan ARKOÇ

e-posta : [email protected]

Web : http://personel.kirklareli.edu.tr/orhan.arkoc

110

mailto:[email protected]

http://personel.kirklareli.edu.tr/orhan-arkoc

ins13204 genel jeofİzİk ve jeolojİ -...

Documents