yildiz teknİk...

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİİnşaat Mühendisliği Bölümü

TÜNEL DERSİErgin ARIOĞLU

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜİNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜİNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜİNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜİNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

TÜNEL DERSİTÜNEL DERSİ7 Bölüm7 Bölüm

İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜİNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜTÜNEL DERSİTÜNEL DERSİ7 Bölüm7 Bölüm7. Bölüm7. Bölüm

(Tünel açma makineleri, arın basınç hesapları, tünel kaplamaları, (Tünel açma makineleri, arın basınç hesapları, tünel kaplamaları, bir proje örneği)bir proje örneği)

7. Bölüm7. Bölüm(Tünel açma makineleri, arın basınç hesapları, tünel kaplamaları, (Tünel açma makineleri, arın basınç hesapları, tünel kaplamaları,

bir proje örneği)bir proje örneği)bir proje örneği)bir proje örneği)bir proje örneği)bir proje örneği)

Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLUProf. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLUProf. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLUProf. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU

Yapı Merkezi AR&GE BölümüYapı Merkezi AR&GE Bölümü

20092009

Yapı Merkezi AR&GE BölümüYapı Merkezi AR&GE Bölümü

20092009

11

2009200920092009



Tünel Açma Makinesinin Seçiminde Dikkat Edilecek Temel HususlarTünel Açma Makinesinin Seçiminde Dikkat Edilecek Temel Hususlar

Proje geçkisine ait jeolojik, mühendislik jeolojisi, geoteknik araştırma çalışmalarının içeriği ve düzeyi en üst

dü d l l d G kli ğ l kt l i ( i l b t bü ) l l d l ddüzeyde olmalıdır. Gerekli yoğunlukta yapılan arazi (veri + laboratuar + büro) çalışmalarına dayanmalıdır.

Proje kapsamında gerek kazı gerekse işletme sırasında gözlemlenebilecek tüm riskler (karışık zemin, zemin/ kaya

i l i tik k l l ki k / t ö ükl i killi i i k i i k fgeçişleri, magmatik sokulumlar, makine sıkışması, arın/ tavan göçükleri, killi zeminin kesici kafaya yapışması,

sıvılaşma, doğalgaz sızıntısı, yangın, vb.) çıkartılmalı ve bunları önlemek için gerekli teknik önlemler önceden

l t l l dsenaryolaştırılmalıdır.

Proje için uygun makine seçimi ve tasarımı çok önemlidir. proje firmasının tüm mühendislik disiplinleri (maden,

ki i t j l ji l kt ik üh di l i) d ük l i l ü lü k di k l l dmakine, inşaat, jeoloji ve elektrik mühendisleri) arasında mükemmel işleyen ve güçlü koordinasyon kurulmalıdır.

Belirlenen riskleri de karşılayacak makine siparişine gidilmelidir. Ayrıca; tünel makinesi üretimini üstlenen

firman n ilgili bölümleri ile bir ara a gelerek projeden başla arak üretimine kadar tüm aşamalar ödünsü şekildefirmanın ilgili bölümleri ile bir araya gelerek, projeden başlayarak üretimine kadar tüm aşamaları ödünsüz şekilde

“yerinde” denetlenmelidir. Özellikle karışık zemin/ kaya kütlesi’ nde çalışacak kesici kafanın tasarımı (arın açıklık

oranı kafa dönüş hızı disk çapı disklerin aralığı arında dizilim planı toplam itme ve tork karakteristikleri

22

oranı, kafa dönüş hızı, disk çapı, disklerin aralığı, arında dizilim planı, toplam itme ve tork karakteristikleri,

hidrolik piston açılım hızları, büyük boyutlu kayaların kırılması, vb.).



Devamdır…

Tünel makinesinin kullanımı, tamir + bakım işleri de projenin ilerleme hızını denetleyen çok önemli unsurlardır.

Bu nedenle makineyi kullanacak ekibin teknik bilgi ve becerisi üst düzeyde olmalıdır. Ayrıca; sürpriz tamir + bakımy g y y ; p

işlerinde hemen kullanılabilecek “yedek parça” işyerinde bulunmalıdır.

Makinenin enerji tüketimi çok yüksek olup, proje maliyetini ciddi şekilde yükselten öğe olduğu unutulmamalıdır.

Bu nedenle makinenin tüm enerji tüketen unsurlarının dizaynında “enerji optimizasyonu” gözetilmelidir. (Örneğin

hidrolik taşımada hidrolik pompanın enerji masraflarını azaltmak için boru çapının optimizasyonu, arın basıncının

çok iyi izlenerek basınçlı hava ve bentonit basma pompalarının enerji tüketimlerinin azaltılması sürdürülebilirlikçok iyi izlenerek basınçlı hava ve bentonit basma pompalarının enerji tüketimlerinin azaltılması, sürdürülebilirlik

kavramının sağlanması bakımından çıkan pasaların prefabrik segment üretiminde ince ve kaba agrega olarak

kullanım imkanlarının maksimize edilmesi).

33Kaynak: Yapı Merkezi Arge Bölümü, Çamlıca, İstanbul, 2009.



Kaya ve zeminler için tünel açma makineleriKaya ve zeminler için tünel açma makineleri

TBM

TBM

Delici makineler

KalkansızKalkansızTBMTBM

Masif kayaKaya

Kaya

TT

Açık arın Zayıf, yumuşak kaya Dayanıklı zemin

Kıskaçlı TBMKalkansızKalkansızTBMTBM

Masif kaya

Mekanik arın desteği

Basınçlı hava

Ayrışmış, çok faylı kaya

Dayanıklı zeminKaya – zemin karışımıKalkanKalkan TBMTBM

Dayanıklı zemin

TBM

TBM

Basınçlı hava kalkanı

Bulamaç/ Hidrokalkan

Dayanıklı zeminVe yeraltı suyu

Kaya zemin karışımı

Gevşek kumlu zemin

KalkanKalkan TBMTBM

Kaya – zemin karışımı

Zemin

ZeminTT

Zemin dengeleme basıncı

Yumuşak kilKaya – zemin karışımı

/İki kalkanlı Masif kayadan zayıf/yumuşak zemine doğru geçen zemin durumu

Zemin dengeleme – bulamaç çe rilebilir kalkan

Değişken zemin durumları için uygun makine tipi zemin dengeleme basıncı ve

Melez KalkanMelez Kalkan

44

çevrilebilir kalkan bulamaçlı makineler

Kaynak: Zhao, J., 2008, http://lmr.epfl.ch/page57658.html



Tünel Kazı Makinelerinin Uygulama Alanları‐Seçim Kriterleri

55Kaynak: DAUB‐Alman Yeraltı İnşaat Birliği, 1997 ‘ den alıntılayan Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin, 2002.



Tane dağılımına göre kalkanlı tünel makinesi seçimi(*)

ÇakılKumSiltKil

Tane Dağılımı

a e dağ a gö e a a tü e a es seç

80

90

100

ZeminZemin

60

70

80

eçen

, %

BulamaçBulamaç

Zemin Zemin Dengeleme Dengeleme BasıncıBasıncı

50

40

30

Yüzde Ge ççBasıncıBasıncı

20

10

30

HidroHidro‐‐kalkankalkan0.001 0.002 0.006 0.02 0.06 0.2 0.6 2.0 6.0 20 600

Tane boyutu, mmİriİnce

HidroHidro kalkankalkan

66Kaynak: Zhao, J., 2008, http://lmr.epfl.ch/page57658.html

(*) Tane dağılımına göre yapılan makine türü seçimi “mutlak” değildir. Daha açık deyişle, gelişen teknoloji ile bu aralık değişebilir.



EPB Makinesi Prensip Şeması

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14

1 L

EPB Makinesi Prensip Şeması

İlerlemeYönü

1 Lazerİstasyonun’dan

13

1.2

Kesici KafaTahrik Ünitesi (Motor)

DÜŞEYKESİT

KonveyyörHidrolik Pompa

8.707.30

KonveyyörVidalı

10.60

Grupları

Toplam Uzunluk = 74.30 M1.301.50

HarçPompaları

11.40 8.50 4.00 4.008.50 8.50

BitmişTünel Cidarı

2.3.4.5.6.7.

Tahrik Ünitesi (Motor)Elektronik Hedef Panosuİtici SilindirHava KilidiMontaj AparatıVidalı Konveyyör

Konveyyör

HavalandırmaEkipmanı

YAĞTANKI

6.52

ZIRH

Depolama

BOŞLUK

Segman

Konveyyör Grupları

Boşl

uk

Boşl

uk

Ana KumandaElektrik

Trafo KöpükPompa

AtıksuPompa B

oşl

uk

Pompaları

Boşl

uk

RulolarıKablo

DekovilHattı

Tünel Cidarı8.9.

10.11.12.13.

Vidalı Konveyyör KapağıSegman Besleme ÜnitesiSegman VinciKonveyyörTaşıma DekoviliBasınçlı Bölüm PLAN

77

Ş Ana Kumanda Pompa13.14.

Basınçlı BölümMonte Edilmiş Segmanlar

PLAN

Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin, 2002.



TBM’ lerin Ana Tasarım Büyüklüklerinin Hesaplanması:TBM’ in toplam keski sayısı:

mk

DN= + n

2SDm= TBM’ in kesici kafa çapı, m

S= Optimum kesinti boyutuna ulaşmak için keskiler arası ortalama mesafe, m

K i i k f d kö kt l d k l k ki (G llikl 4 10 d t)

2S

nk= Kesici kafada köşe noktalarında koyulan keski sayısı (Genellikle 4 ∼ 10 adet)

Kesici kafa dönüş sayısı (devir):

V

V= Disk keski teknolojisine ve disk çapına “dk” bağlı olarak izin verilen maksimum köşe keski hızı, m/dak.

m

VRPM= , m/dak

πD

Örneğin dk= 432 mm için V= 152 m/dak’ dır.

Kesici kafanın gücü:

P= Güç, kWm m

V 2VP = 2π.RPM.T = 2π T = T

πD D

88

T= Tork, kNm

RPM= Kesici kafanın bir dakikadaki dönüş – devir – sayısı Kaynak: Bilgin, N. vd., 2007.



Devamıdır…

Kesici kafanın gücünü belirleyen tork – döndürme momenti – “T” ise aşağıdaki ifade ile hesaplanabilir:Kesici kafanın gücünü belirleyen tork döndürme momenti T ise aşağıdaki ifade ile hesaplanabilir:

T= N.Fy.ro.fs ≈ 0,25 N. Fy. Dm. fs ≈ 0,3 N. Fy. Dm

Fy= Keski başına ortalama yuvarlanma kuvveti, kN

ro= Ortalama moment kolu,

fs= Sürtünme kayıplarını dikkate alan amprik faktör (Genellikle fs= 1,2 kabul edilmektedir)

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

m mo

D Dr = 0,54 , m

2 4≈

P≈ 0,60.N.Fy.V , kW

Kesici kafa itme kuvveti:

TBM tasarımından önemli büyüklük olan “itme kuvveti” aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir:

Fi= N.FN.fs , kN

FN= Keski başına ortalama normal kuvvet, kN – keskileri kazı arınına bastıran dik kuvvet –

fs= Sürtünme kayıpları, genellikle fs= 1,2 alınmaktadır.

Kesici kafa itme kuvveti:

o Net kazı performansı:

( )3

eopt

P mICR = K . , Rostami et al, 1999saatSE

99

Ke= Enerji iletim oranı, TBM’ lerde Ke≈0,8 – 0,9 alınabilir.

P= Optimal koşullarda kesici kafanın harcadığı güç, kW



Devamıdır…

( )sSEAşağıdaki şekillerde laboratuarda yapılan kesme deneylerinden elde edilen değişimi ve bir keski için

yuvarlanma kuvveti, normal kuvvetin kesme derinliği ile değişimleri toplu halde gösterilmiştir (Balcı vd. 2009).

(Deneyde Kırklareli formasyonu – kireçtaşı – kullanılmıştır. Ortalama basınç dayanımı 319 kgf/cm2’ dir. Kesme

( )sSE ‐ d

deneyinde kaya numunesinin boyutları 1,0x0,5x0,7 m’ dir).

Keski aralığı, s= 75 mmYuvarlanma kuvveti, FR Spesifik enerjiNormal kuvvet,

FN

Optimum enerji tüketimi

, kWsaat/m

3

FN, kgf

ji, kWsaat/m

3

Spesifik en

erji,

FR,

Spesifik en

erj

S

Keski aralığı/Kesme derinliği, s/d Kesme derinliği, d, mm

o Verilen kaya için kazıda kullanılan bir minimum enerji miktarı o Verilen kaya ve (s/d) oranı için keski başına etki eden normal

(Keski aralığı, s= 75 mm)

o Verilen kaya için kazıda kullanılan bir minimum enerji miktarı

sözkonusudur. Bu büyüklük keski aralığı/ kesme derinliğinin bir

fonksiyonudur.

o Verilen kaya ve (s/d) oranı için keski başına etki eden normal

kuvvet kesme derinliğinin fonksiyonu olarak değişir. Kritik

kesme derinliğinde sözkonusu kuvvet maksimum değer

almaktadır.

1010Kaynak: Balcı vd., 2009.

almaktadır.

o Yuvarlanma kuvveti ile kesme derinliği arasındaki ilinti normal

kuvvete nazaran çok daha zayıftır.



Günlük ilerleme miktarı:Günlük ilerleme miktarı:

≈ş m ş m ş m2 2 2m m opt m

ISR.v .t.k ISR.v .t.k P.v .t.kGİ = = 1,27. , m/gün

πD D SE .D4

ISR= Net kazı hızı, m3/saat

vş= Vardiya sayısı, adet/gün. Genellikle vş= 2 alınabilir.

4

t= Çalışma süresi, saat/ vardiya, t= 10 saat/ vardiya

km= Tünel makinesinin fiilen kazı işleminde kullanım oranı. Bu değer bir çok faktöre bağlı olup, 0,2 – 0,6

aralığında değişir. Ön proje hesaplarında ortalama şantiye koşulları için km≈ 0,4 değeri alınabilir. Çok iyi şantiye ğ ğ ş p j p ş y ş ç m , ğ Ç y ş y

organizasyonu ile km≈ 0,6 elde edilebilir.

1111Kaynak: Balcı vd., 2009.



EPB Makinesi ile Kazıda Zemin Şartlandırması

Zemin Şartlandırması:• İyi Plastik Deformasyon YapabilmeDü ük İ l Sü tü A• Düşük İçsel Sürtünme Açısı

• Yumuşak Kıvam• Düşük Permeabilite

Kill – Siltli Bentonit Bulamacı + (Polimer Köpük)Çakıllı – Kumlu Polimer Köpük + (Bentonit Bulamacı)

Surfactant : RHOCA AN 45 Cs= %0,4‐0,8 (Su)Polimer : RHOACA Flow T3LCp= %~0,1 (Su)Köpük Genleşme Katsayısı: FER= ~10

Tüketimler:• Surfactant : 0 5 1 0 kg/m3 (Kazı)• Surfactant : 0,5 ‐ 1,0 kg/m3 (Kazı)• Polimer : 0,01 – 0,5 kg/m3 (Kazı)

B t it 0 100 lt/ 3 (K )

Köpük : 300 – 500 lt/m3 (Kazı)

1212

• Bentonit : 0‐100 lt/m3 (Kazı)




Zemin Dengeleme Basıncı Tünel Açma Makinesinde Köpük Zemin Şartlandırılması

o Köpük karışım oranı – köpük hacmi/ kazılan zemin hacmi

( ) ( ) ( )⎡ ⎤0,8 0,8 0,8aQ = 60 4 0X + 80 3 3Y + 90 2 7Z

(Kusakabe et al 1999)

( ) ( ) ( )⎡ ⎤⎣ ⎦

, , ,Q = 60 ‐ 4,0X + 80 ‐ 3,3Y + 90 ‐ 2,7Z2

D60u

10

60

Da = 1,0 Uniformluk katsayısı C = > 15

D

Da= 1,2 Uniformluk katsayısı 4 < <15

D10

60

10

D

Da = 1,6 Uniformluk katsayısı > 4

D

D60, D10= Sırasıyla zeminin %60 ve %10’ un geçenine karşı gelen tane boyutu, mm

X= 0,074 mm’ den geçen zemin yüzdesi, %

Y=0 25 mm’ den geçen zemin yüzdesi %Y=0,25 mm den geçen zemin yüzdesi, %

Z= 2,0 mm’ den geçen zemin yüzdesi

1313Kaynak: Alıntılayan Milligian, 2000.



Hidro kalkan/ Karma (zemin+kaya kütlesi) kalkan prensibi ve iç görünümüd o a a / a a ( e aya üt es ) a a p e s b e ç gö ü ü ü

Arında zemin basıncı+hidrostatik su basınç toplamı

Batırma duvar

Hava yastığıSegment

Basınçlı hava

Kesici kafa Segment kaldıracı

Bulamaç

Çalışma hücresi

Hidrolik itme silindirleri

Hidrolik pompa

1414

Kaynak: Thewes, M., 2007http://www.ita‐aites.org/cms/fileadmin/filemounts/general/pdf/ItaAssociation/ProductAndPublication/Training/TrainingCourses/03a_TC_2007_Thewes.pdf



Bentonit Şerbetinin Çalışma PrensibiŞ Ç ş

ZeminBentonitşerbeti Zemin ZeminBentonit

şerbetiBentonitşerbeti

Geçirgen olmayan perde: Çamur keki Yayılma Yayılma

Çamur keki

Tip 1: Bentonit şerbetinin zemine sızması az;

arında çamur kekinin oluşması (filtrasyon

düzlemi)

Tip 2: Zeminde büyük boşluklar (büyük

boyutlu çakılların varlığı, zemindeki eski su

sarnıçları batıklar vs ) olunca çamur keki

Tip 3: Tip 1 ve Tip 2’ nin arasında kalan bir

çalışma koşuludur. Bu durumda , hem

bentonit şerbeti zeminin içine doğru sızar,düzlemi)

EN İDEAL ÇALIŞMA DURUMU:

Permeabilitesi yüksek olan kumlu zeminler

sarnıçları, batıklar vs.) olunca, çamur keki

oluşmaz ve bentonit şerbeti zeminin içine

doğru sızar. Genellikle zeminin

permeabilitesi 10‐4 m/sn aşınca arında

bentonit şerbeti zeminin içine doğru sızar,

hem de makinenin önünde çamur keki

oluşur.

permeabilitesi 10 m/sn aşınca arında

stabilite sorunları başlar.Bentonit şerbetinin zemine penetrasyon derinliği:

10

a

Δp.d ns = . .f (Jefferis, 1992)

τ 1 ‐n

1515Kaynak: Yapı Merkezi, Arge Bölümü, Çamlıca, İstanbul, 2009.

Pa= Arın basıncı, Psu= Su basıncı, τa= Bentonit şerbetinin kayma akma gerilmesi, kPa, d10= Efektif tane çapı, mm, n= Kumun porozitesi, f= Amprik sayı,f≈0,3

a

a su

τ 1 n

Δp = P ‐P , kPa



Bentonit basıncının tane boyutuna göre belirlenmesi

KekKalkan Arın stabilitesi

o İlave basınç: Δp=p‐u

y g

Su basıncı, uBulamaç basıncı, p

o a e bas ç: p p u

o Bulamacın (su+bentonit karışımı)

akma dayanımı, τf

Ef ktif t b t do Efektif tane boyutu, d10büyüklüklerine bağlıdır.

Perde model(Δp=40 kPa)

atsayısı, G

K

Perde model(Δp=20 kPa) B

Δp= 40 kPa, 4% bentonit şerbeti, τf= 15 Pa

Güven

lik Ka

CAΔp= 20 kPa, 4%

bentonit, τf= 15 Pa

Δp= 20 kPa, 7% bentonit şerbeti, τf= 80 Pa

Tane boyutu, d10, mm

Kum Çakıl

1616Kaynak: Anagnostou, Kovari, 1996’ dan alıntılayan Ng et al 2004.

Kum Çakıl



Kesici kafanın önünde yer alan çeneli kırıcılar y ç

Çeneli kırıcının ağız boşluğu

Çeneli kırıcı

Büyük boyutlu kaya blokları– bordür – ∼1 m

1717

blokları bordür 1 m çap –

Kaynak: Thewes, M., 2007http://www.ita‐aites.org/cms/fileadmin/filemounts/general/pdf/ItaAssociation/ProductAndPublication/Training/TrainingCourses/03a_TC_2007_Thewes.pdf



Risklerin (büyük boyutlu kaya blokları) azaltılması ve risk yönetimi

Önlemler:

o Makinenin doğru tasarımı: Kırma ünitesi, açıklık oranı ve disklerin dizilimio Makinenin doğru tasarımı: Kırma ünitesi, açıklık oranı ve disklerin dizilimi

o Zemin iyileştirmesi

o Blok stabilizasyonu için enjeksiyon uygulaması

Arın

Büyük boyutlu çakıl

Enjeksiyon yapılmış zemin

Kesici

Büyük boyutlu kaya bloğu

1818Kaynak: Kovári, K., Ramoni, M., 2004.



Makine Kazı Çapı ‐ İtme Gücü İlişkisi

120000

P = 969 (D)1.91100000

120000N ( )

60000

80000

ücü,

P, k

N

İzmir Metrosu

40000

İtme

Gü İzmir Metrosu

0

20000

0,00 5,00 10,00 15,00Şild Çapı,D, mKalkan Çapı, D, m

1919




Makine Kazı Çapı ‐ Kesici Kafa Torku İlişkisi

25000

M = 34.04 (D)2.7720000

25000M

, kN

.mm

T

15000

Tork

u, M

ku, T, kN.m

5000

10000

ici K

afa

Ti Kafa Tork

0

5000

0 00 5 00 10 00 15 00

Kes İzmir Metrosu

Kesici

0.00 5.00 10.00 15.00

Şild Çapı,D, mKalkan Çapı, D, m

2020




Bulamaç ve zemin dengeleme basıncı tipi tünel açma makinelerinin karşılaştırılmasıBulamaç ve zemin dengeleme basıncı tipi tünel açma makinelerinin karşılaştırılmasıBulamaç Zemin dengeleme

basıncı

o Maksimum çökme/ deformasyon kontrolü + ‐o Maksimum çökme/ deformasyon kontrolü +

o İri kaya parçası + ‐

o Karışık (zemin+kaya) arın + ‐

o Boşluklar (su var) + ‐

o Kesici kafa disklerinin aşınması + ‐

o Malzeme değişimi/ bakım + ‐

o Çok ince tane içeriği ‐ +

o Çok iri tane boyutu + ‐o Çok iri tane boyutu + ‐

o Yüksek yeraltı suyu basıncı + ‐

o Doğalgaz/ diğer gaz sızıntıları + ‐

o Bozulmuş zemin +‐ +‐

o Arın önünde göçük oluşumu ‐ +

2121Kaynak: Thewes, M., 2007http://www.ita‐aites.org/cms/fileadmin/filemounts/general/pdf/ItaAssociation/ProductAndPublication/Training/TrainingCourses/03a_TC_2007_Thewes.pdf

(+) Olumlu durum (‐) Olumsuz durum



Arın Basıncının Hesap İlkeleri

h1

oD

Z = h +2

γ

γ’

γ= Birim hacim ağırlık

γ’= Su altındaki birim hacim ağırlık

γ’= γd ‐ γsu

S d bi i h i ğ l k

1

2 D

h2 h=h1+h2o 2 γd = Suya doygun birim hacim ağırlık

γsu = Suyun birim hacim ağırlığı

s sud

+ e=

1 + e

γ γγ

( )⎡ ⎤⎣ ⎦⎡ ⎤⎛ ⎞

1,z 1 2 o oP = h + ' h K ‐ 2c K

P

γ γ

Arın

3Su basıncı Zemin basıncı γs = Dane birim hacim ağırlığı, kum için γs =2,65 t/m3

e= Boşluk oranı

1 e

s su+ se=

γ γγ

( )

⎡ ⎤⎛ ⎞⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎣ ⎦

2,z 1 2 o o

3,z 1 2 o o

PP = h + ' h + K ‐ 2c K

2

P = h + ' h +D K ‐ 2c K

γ γ

γ γ

Arın zemin basıncı

P = hγ

s= Suya doygunluk derecesi, suya doygun durumda s=1’ dir.

c= Zemin kohezyonu

1 + eγ

( )

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

1,s su 2

2,s su 2

3,s su 2

P = h

DP = h +

2

P = h +D

γ

γ

γ

Arın subasıncı

Ko= Sukunet haldeki itki katsayısı (kumlu zemin, kohezif

zemin, ince kum, yumuşak silt)

Ko=(1‐sinφ)

K Aktif b k t ( k l k h if i )

o Düşey toplam basınç – kalkanın üzerinde –

s su s sudüşey 1 2 d 1 2

+ se + eP = h + h = h + h

1 + e 1 + e

γ γ γ γγ γ

KA= Aktif basınç katsayısı (çakıl, kohezif zemin)

φ= İçsel sürtünme açısı

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

2A

1 ‐ sinK = tg 45 ‐ =

2 1 + sinφ φ

φ

Toplam arın basıncı, ΣP=Pz+Ps

2222

o İçsel sürtünme açısı, φ için bazı yaklaşımlar

Osaki:

Dunham:

1 + e 1 + e

φ = 20N + 15°

φ = 12N + 25° ; φ = 12N + 20° Kaynak: Yapı Merkezi Ar&Ge Bölümü, 1996.

φ= İçsel sürtünme açısı

N= Standart penetrasyon sayısı



Arın basıncında aktif ve sükunet durumunda arın basınçları ve uygulamada zemin türünegöre alınan arın basınçları

Plastik Bölge(aktif durum)

Plastik Bölge(sükunet durumu)

Elastik Bölge

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

2Pasif zemin basıncı, tf/m

1P = hK hγ γ

( )

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

p pA

o o

2

2

Sükunet durumunda zemin basıncı, tf/m

k fd d b

P = hK hK

P = hK = h 1 ‐ sin

f/

γ γ

γ γ φBa

sıncı

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

2AA

2Aktif durumda zemin bası

P = hK = htg 45

ncı, tf m

2

/

‐φ

γ γZemin

A P o

P pφ= Zeminin içsel sürtünme açısı

‐δA, Yerdeğiştirme

P A P

‐δp, Yerdeğiştirme

Dış çap, m Zemin tipi Arın basıncı

φ ç ç

7,45 Yumuşak silt Sukunetteki zemin basıncı

8,21 Kumlu zemin, kohezif zemin Sukunetteki zemin basıncı+su basıncı+0,2 kgf/cm2

5,54 İnce kum Sukunetteki zemin basıncı+su basıncı+değişken basınç

4,93 Kumlu zemin, kohezif zemin Sukunetteki zemin basıncı+(0,3 – 0,5 kgf/cm2)

2,48 Çakıl, dereyatağı taşı, kohezif zemin Sukunetteki zemin basıncı+su basıncı

7,78 Çakıl, kohezif zemin Aktif toprak basıncı+su basıncı

2323

7,35 Yumuşak silt Sukunetteki zemin basıncı+0,1 kgf/cm2

5,86 Yumuşak kohezif zemin Sukunetteki zemin basıncı+su basıncı+0,2 kgf/cm2

Kaynak: Kanayasu et al, 1995’ ten alıntılayan Guglielmetti et al 2007.



Arın basıncı ile sağlanan güvenlik düzeyi:Çökme teknesinin toplam açıklığı

Le∼6i

ii 3i3i⎡ ⎤⎢ ⎥⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎣ ⎦

⎜ ⎟ ⎜ ⎟

u

su su su su su su arıno

c4 + 2GK =

Η‐ .H ‐ H PD DK + + + + 1 ‐ ‐

γγ γ γ γ γ γ

Çökme teknesinin toplam açıklığı

Dönüm noktası

Zo Smak

Maksimum eğim

Hsu

H

⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

oo

K 1Η 2Z 6 Η 2 H Ηγ γ γ γ γ

(Eistein, 1989)

25

D

20

25

t/m

2

Kabuller:

o Tünel çapı, D=6,45

o Yer altı su seviyesi derinliği, Hsu=3 m

10

15

asıncı, P

arın, t o Birim hacim ağırlık γ= 2 t/m3

o Suyun birim hacim ağırlığı, γsu= 1 t/m3

o H= 8,475 m

Ö tü t b k k l l ğ Z 11 7

0

5

Ko=0,5 Ko=0,8 Ko=1

Arın Ba o Örtü tabakası kalınlığı Zo=11,7 m

o cu= Drenajsız kohezyon

2424

0 1 2 3 4 5 6 7

0

Drenajsız Kohezyon, cu, t/m2

Şekil – Arın basıncının kohezyona ve sukunetteki itki katsayısına bağlı değişimleri (GK=1 için çizilmiştir)



Arın Stabilitesi Sayısı (N)Arın Stabilitesi Sayısı (N)

• Stabilite Sayısı: ek o a

U

P + × Z ‐PN=

C

γ

0 < N < 2 Az akma –elastik koşullar

2 < N < 4 Sınırlı akma

4 < N <6 Plastik akma

Pek= Trafik yükü

γ= Zeminin birim hacim ağırlığı

Zo= Tünel aks derinliği, Zo=H+D/2

H= Örtü kalınlığı 4 < N <6 Plastik akma

N > 6 Arında ciddi stabilite problemleri

ğ

D= Tünel kazı çapı

Pa= Arın basıncı

cu= Drenajsız kohezyon

678

N

Arında CiddiStabilite Problemler

23456

lite

Sayı

sı,

Sınırlı Akma

Plastik Akma

01

+900

+000

+100

+200

+300

+400

+500

+600

+700

+800

+900

+000

+100

+200

+300

+400

+500

Stab

i

Az AkmaElastik Koşullar

2525

1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3

km




Kumlu Zeminlerde Stabilite Sayısıy

( )⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

ek

φ'a

DP + H+

2N = 1 ‐ sinφ' , (Leca, 1989)

P

γ

φ’= Efektif içsel sürtünme açısı

Pek= Bina temelleri/ trafik ile aktarılan ek basınç

a

Pa= Arın basıncı

γ= Zeminin su altındaki birim hacim ağırlığı

H= Örtü kalınlığığ

D= Tünel çapı

o Nφ’<1 tünel etrafındaki zemin “elastik” davranış sergiler. Bu durumda zemin hacim kaybı

( ) ( )⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

kφ' φ'

0,293 0,500,34% 1 ‐ V 3,83% 1 ‐ , (Leca, 1989)

N N≤ ≤

o Nφ’ >1 ise tünel etrafındaki zemin “plastik” davranış gösterir. Ve hacim ksaybı

( ) ( )0,414 0,414

φ' φ'0,0022N 0,0192N100% V 100% (Leca 1989)≤ ≤

2626

( ) ( )φ φk0,414 0,414

φ' φ'

100% V 100% , (Leca, 1989)1 + 0,0022N 1+ 0,0192N

≤ ≤



Kumlu zeminlerde zemin kaybı – stabilite sayısı değişimleri

100.00

Plastik davranışElastik davranış

y y ğ ş

3

4

5

6789

100.00

%

Arını açık kalkanKapalı kalkanWashington Metro F3a Projesi

6789

2

10.00

Karışık zemin koşulları

( )( )/φ' φ'100% 0,0192N 1+ 0,0192N

üzde

si, V

k, %

2

3

4

5

Karışık zemin koşulları

min Kaybı Yü

4

5

6789

1.00Zem

2

3

0.10

( )( )/0,414 0,414φ' φ'100% 0,0022N 1+ 0,0192N

2727

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Stabilite Sayısı, Nφ’

Kaynak: Leca, 1989.



SPT Değerlerinin Derinlikle DeğişimleriSPT Değerlerinin Derinlikle Değişimleri

SİLT

2828




Drenajsız Kohezyon Değerinin “c ” SPT’ den “N” Kestirimi

İnce Daneli Zeminler İçin

Drenajsız Kohezyon Değerinin cu SPT den N Kestirimi

∼

0,72u

u

Orta plastik kil

c = 58N , (Kulhawy ve Mayne, 1990)

c = 4 5 N , (Stroud, 1974)

∼u

p

p

Plastisite İndisi I < 20

Plastisite İndisi I > 30

c = 6 7 N

≈u

u

p

c

İnce daneli zeminler (sil

4,2 N

c = 8,64 N , (Si

t; kil)

vrikaya ve Toğrol, 2002,2006)

cu= Drenajsız kohezyon değeri, kPa

N Dü ltil i SPT d ğ i

u

Veri sayısı n= 226, korelasyon r=0,80

N= Düzeltilmiş SPT değeri

2929



SEGMANLARA ETKİ EDEN YÜKLER

Ana yükler: Düşey ve yatay zemin/ kaya basıncı

SEGMANLARA ETKİ EDEN YÜKLER

Su basıncı

Sursarj – ek – yükler (trafik, bina temel sistemlerinden aktarılan yükler

vb.)

Kaplamanın deformasyonundan kaynaklanan zemin reaksiyon basıncı

İkincil yükler: Tünel makinesinin itme silindirlerinin oluşturduğu geçici zorlamalar

Sismik yükleme (sismik aktiviteleri yüksek zonlarda özenle göz önünde

tutulmalıdır).

Özel yükler: Özellikle killi formasyonlarda “uzun süreli oturmaları”’ n oluşturduğuÖzel yükler: Özellikle killi formasyonlarda uzun süreli oturmaları n oluşturduğu

yükler

Yan yana açılan tünellerin oluşturduğu “gerilme yoğunluğu”’ ndan

k kl il üklkaynaklanan ilave yükler

Kaynak: Recommendations and guidlines for Tunnel Boring Machines, AITES – ITA, Working Group No= 14, May 2001, Lausanne.

3030



Dairesel kesitli kaplamalarda basınçlar H= Örtü derinliğia ese es t ap a a a da bas ç aHs= Yeraltı su derinliği

Do= Tünel orta çapı, Do=Di+t/2

Di= Tünel iç çapı

pek

t= Kaplama kalınlığı

pek= Ek yükler (trafik, bina temel sistemlerinden

aktarılan düşey yükler)

ü l d l dü iH Hs

ps1, pz1= Tünel tavanında sırasıyla düşey su ve zemin

basıncı

ps2, pz2= Tünel tabanında sırasıyla düşey su ve zemin

basıncı

sps1

pz1qz1 qs1

basıncı

Gs= Zati kaplama yükü, Gs=γb.t

(γb= Prefabrik betonarme kaplamanın yoğunluğu,

γb≈2 6 t/m3)

GSpzr

Do

γb≈2,6 t/m )

qs1, qz1= Tavanda sırasıyla yatay su ve zemin basınçları

qs2, qz2= Tabanda sırasıyla yatay su ve zemin basınçları

pzr= Zemin reaksiyon basıncı

ps2

pz2p

qz2 qs2

pzr y

pb= Taban kaplama zati ağırlığından kaynaklanan

reaksiyon kuvveti

pb= π.Gs= 3,14. γb.t – mertebeleri çok küçük olduğundan

pb

3131

b s b

ötürü analizlerde rahatlıkla ihmal edilebilir –

Kaynak: Japanese Society of Civil Engineering, 1996.



Düşey BasınçlarDevamıdır

Düşey Basınçlar

o Yeraltı suyunun altında:

o pz1=γ’.Hy ; Hs ≥Hy

γ’=γ γγ =γz ‐ γs

γz, γs, γ’= Sırasıyla zeminin ve suyun birim hacim ağırlığı ve zeminin su altındaki birim hacim ağırlığı

Hy= Yük veren yükseklik (Yük veren yükseklik örneğin Terzaghi kemerlenme yaklaşımından bulunabilir.

B d T hi k l t i i d h l dü üktü )

zy

σH =

'γBurada σz= Terzaghi kemerlenme teorisinden hesaplanan düşey yüktür).

o ps1= γs.Hs

o Tavanda toplam düşey basınç

p1=pz1+ps1= γ’.Hy + γs.Hs

o Tabanda toplam düşey basınç

p 2=p 1+p 1‐p 2pz2=pz1+ps1 ps2

ps2=γs(Hs+Do)

o Yatay basınçlar

Tavanda:

qz1=λγ’.(Hy+t(*)/2)

qs1=γs.(Hs+t/2)

3232

Toplam:

q1=qz1+qs1(*) Kaplama kalınlığından gelen yükler, diğer basınçların yanında (zemin, su basınçları) ihmal edilebilir.



Tabanda:Devamıdır

qz2=λγ’.(Hy+Do‐t/2)

qs2=γs.(Hs+Do‐t/2)

Toplam:Toplam:

q2=qz2+qs2

λ= Yatay zemin itki katsayısı (Bkz Çizelgeye)

Zemin türü λ SPT – N Değeri

Kum

Çok sıkı 0,45 30≤N

Sıkı 0,45 – 0,50 15≤N<30, ,

Orta, gevşek 0,50 – 0,60 N<15

Killi

Sert 0,40 – 0,50 8≤N≤25

Orta – sıkı 0,50 – 0,60 4≤N<8zemin Yumuşak 0,60 – 0,70 2<N<4

Çok yumuşak 0,70 – 0,80 N<2

o Zemin reaksiyon kuvvetiy

pzr=K.δ

K= Zeminin yataklanma katsayısı, (t/m3, t/cm3, MN/cm3)

δ=Yan cidarda kaplamanın yerdeğiştirmesi, δ=f(p, q, EI, K, R )

3333

δ Yan cidarda kaplamanın yerdeğiştirmesi, δ f(p, q, EI, K, Ro)

EI= Kaplamanın eğilme rijitliği, Ro= Tünel orta yarıçapı

Kaynak: Japanese Society of Civil Engineering, 1996.



Örnek Problem (*)

Geometrik boyutları aşağıda belirtilen tünele etkiyen basınçları ve segman kalınlığını hesaplayınız.

o Dış segman çapı: Do= 9,450 m o

o Örtü kalınlığı: H= 20,275 m

o Tünel aks derinliği: oa

DH = H+ = 25 m

2

o Yeraltı su derinliği: Hs= 17,975 m

o Doygun olmayan kumun birim hacim ağırlığı: γk= 1,6 t/m3

o Doygun kumun birim hacim ağırlığı: γ = 1 8 t/m3o Doygun kumun birim hacim ağırlığı: γz= 1,8 t/m3

o Yatay itki katsayısı: λ=0,43

(Segman zati ağırlıkları ve zemin reaksiyon yükü, yük analizinde dikkate alınmıştır. Ayrıca; kemerlenme etkisi

göz önünde tutulmayarak daha güvenli tarafta basınç takdiri yapılmıştır).

3434

(*)Bu çözümlü problem aynen C. B. M. Blom, 2002 Dr. Tezinden (S66 – 67) Delft University Press ISBN 90 – 407 – 2366 – 4’ den alınmıştır.



Çözüm:Devamıdır…

Tavanda düşey zemin basıncı:

( ) ( ) 2z1 k s k sp = H ‐H + H = 1,6 20,275 ‐ 17,975 + 1,8x17,975 = 3,68 + 32,355 = 36,035 t/mγ γ

Tünel tavanında düşey su basıncı:

2s1 s sp = H = 1x17,975 = 17,975 t/mγ

Tünel tavanında efektif düşey zemin basıncı:

21 z1 s1p ' = p ‐p = 36,035 ‐ 17,975 = 18,06 t/m

Tünel aks derinliğinde düşey zemin basıncı:

( ) ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠

2oz a k s z s

D 9,450p = H ‐H + H + = 3,68 + 1,8 17,975 + = 44,54 t/mγ γ

Tünel aks derinliğinde düşey su basıncı:

( ) ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠z,a k s z sp , , , , /

2 2γ γ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ 2D 9 450

Tünel aks derinliğinde efektif düşey zemin basıncı:

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠

2os,a s s

D 9,450p = H + = 1x 17,975 + = 22,7 t/m

2 2γ

3535

2z,a z,a s,ap' = p ‐p = 44,54 ‐ 22,7 = 21,84 t/m



Tünel tabanında zemin basıncı:Devamıdır…

Tünel tabanında zemin basıncı:

Tünel tabanında su basıcı:

( ) ( ) ( ) 2z2 k s s s op = H ‐H + H +D = 3,68 + 1,8 17,975 + 9,450 = 53,045 t/mγ γ

Tünel tabanında su basıcı:

Tünel tabanında efektif zemin basıncı:

( ) ( ) 2s2 s s op = H +D = 1x 17,975 + 9,450 = 27,425 t/mγ

Tünel tabanında efektif zemin basıncı:

Tünel tavanında efektif yatay zemin basıncı:

22 z2 s2p ' = p ‐p = 53,045 ‐ 27,425 = 25,62 t/m

y y

Tünel tavanında toplam efektif yatay basınç:

2z,1 1q' = λ.p ' = 0,43x18,06 = 7,765 t/m

Tünel aks derinliğinde efektif yatay zemin basıncı:

21 z1 s1q ' = q' + p = 7,765 + 17,975 = 25,74 t/m

Tünel aks derinliğinde toplam yatay basınç:

2z,a z,aq' = λ.p ' = 0,43x21,84 = 9,391 t/m

3636

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠

2oa z,a s,a a s s

D 9,450q = q' + p ' = q' + H + = 9,391 + 1x 17,975 + = 32,09 t/m

2 2γ



(Bu değer, aynı zamanda tünel aks derinliğinde “arın stabilitesi”’ ni saplamak amacuyla uygulanması gerekenDevamıdır…

(Bu değer, aynı zamanda tünel aks derinliğinde arın stabilitesi ni saplamak amacuyla uygulanması gereken

basıncın büyüklüğüdür).

Segman yüksekliği:Segman yüksekliği:

t ≈ (0,045 – 0,040). Do= 0,0425 x 9,450= 0,40 m

(Orijinal kaynakta projelendirilen segman yüksekliği 0,40 m olarak rapor edilmektedir).(Orijinal kaynakta projelendirilen segman yüksekliği 0,40 m olarak rapor edilmektedir).

3737



Beton/ Betonarme Segmanların BoyutlarıDış çap, m Genişlik, mm Yükseklik, mm Segman sayısı

1,80 – 2,00 900 100125

5

2,15 – 2,55 9001000

100125150

5

2,75 – 3,35

3,55 – 4,05 900 125 61000 150

175200

4,30 – 4,80

5,10 – 5,70 900 175 61000 200

225250275300

6,00

6,30 – 6,90 9001000

250275300

7

7 25 8 30 900 275 87,25 – 8,30 9001000

275300325350

8

Amprik olarak segman kalınlığı dış çapın 0 045 ∼ 0 40’ ı kadar alınabilir Bu yaklaşım 6 5 m <D < 14 0 m

3838

Amprik olarak segman kalınlığı dış çapın 0,045 ∼ 0,40 ı kadar alınabilir. Bu yaklaşım 6,5 <D < 14,0için geçerlidir. Örneğin, dış segman yarıçapı 7,50 m olan bir tünelde segman yüksekliği0,045x7,50=0,35 m olmaktadır.

Kaynak: Recommendations and guidleines for Tunnel Boring Machines, AITES – ITA, Working Group No= 14, May 2001, Lausanne.



İzin verilen gerilme, MPa

Prefabrik Tünel Betonarme Segmanlarında İzin Verilebilir Gerilmeler:

Tasarım basınç dayanımı 42 45 48 51 54

Eğilmede basınç gerilmesi 16 17 18 19 20

Kayma gerilmesi 0 71 0 73 0 74 0 76 0 77Kayma gerilmesi 0,71 0,73 0,74 0,76 0,77

Yapışma –aderans – gerilmesi 2,0 2,1 2,1 2,2 2,2

Taşıma gerilmesi – bütün yükleme – 15 16 17 18 19

Kaynak: Recommendations and guidelines for Tunnel Boring Machines, AITES – ITA, Working Group No= 14, May 2001, Lausanne.

3939



Segment arabası (Her biri üçer adet segment taşıma kabiliyetine ‐12ton‐ sahiptir)

Anadoluray projesi segmentleri stok sahası:segmentleri stok sahası:

4040Kaynak: Koç, Arıoğlu, Enis, 2009.



4141Kaynak: Yapı Merkezi Prefabrikasyon A.Ş. Kalite Kontrol Bölümü, segment üretim raporları, 2009.



BİR PROJE ÖRNEĞİBİR PROJE ÖRNEĞİ:– Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi –

4242



Ü üh A Tü li Ti ik Z i P fili O t l G t k ik Bü üklüklÜmmühan Ana Tüneli Tipik Zemin Profili ve Ortalama Geoteknik Büyüklükler

ZEMİN Tabaka Tabii Standart Efektif SukunettePenetrasyon

Min/Ort/ Maks

YASS=1.5 - 6.5 m

DOLGU

CİNSİZEMİN

MuhtevasıMin - Maks (%)

AğırlığıkN/m3

Ortalama

1.00.5 - 2.5 20 -

Bir. Hac.Kalınlığı, mTabaka Tabii

SuDeğeriLimit

(%)Limit(%)

-- -

PlastikLikit Standart

o KoKohezyonCu [kPa] [ ]

- -

Ø

-

Efektif

Muk. AçısıKaymaDrenajsız

Sukunette

Bas. Kats.Zemin

Siltli KUM3.5

2 1021 23 -- 5 / 16 / 23

SİLT-KİL4.0

0 - 8 17 40 2942 0 / 4 /11

0 37 0.40

25 20 0.656 −13 m

7-13 m

Diç=5.72 mSOL HAT

SİLT-KİL

Az Çakıllı SiltliKUM

Ddis=6.32 mSAĞ HAT 2 - 5.5

6-

3.0

2 - 10

3517

21 17 -

2942

-

2 / 5 / 13

7 / 18 / 35

2030

0 37

0.65

0.40

Az Çakıllı Kumlu KİL

KUM

maks=69 mmin = 5.4 m 21 21

-

1536 8 / 19 / 37 80 22 0.65

4343

Kaynak: Yapı Merkezi Mühendislik ve Tasarım Bölümü, Çamlıca, İstanbul, 1996.



ÜÜmmühan Ana Tünel Güzergahı ve Açılan Tünel Tüpleri

EBASMANEÇANKAYA ISTASYONU

L 815

B

8 m

CBASLANGIÇ SAFTI

2

1L=588.5 m

L=591 m

L=815 m

A

DL=758 mF

B

C4

3A

D

F

E

m

ALT YAPILARATIK SU POMPA İSTASYONUTARİHİ BİNAKAZIK TEMELLİ BİNA

KONAKBASLANGIÇ SAFTI

6 - 1

3

D=6

.30

m

ARKEOLOJIK KALINTILAR

KAZI YÖNÜ

2

TIPIK KESIT

Min 1 D

D

KAZI SIRASI


4444



Ümmühan Ana Tüneli Geoteknik Boy KesitiÜmmühan Ana Tüneli Geoteknik Boy Kesiti

3. Yol, 4. YolIstasyonuKonak 1. Yol, 2. YolÇankaya

IstasyonuBasmaneIstasyonu

F

Kazi YönüKazi Yönü

FF

(M)

(S) (M)

(M)(M)(S-G)

(C)(S)

(S)

0

-10

Ele

v., m

(GWL)

+700

+800

+900

+000

+100

+200

+300

+400

+500

+600

+800

+900

+000

+100

+200

+300

+400

+500

+600

(C)(An)

(S)

(S-G)

-30

-20

2+1+ 1+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+

Kumlu Çakil (S-G)

LEJANT

Kum(S) Silt (M) Kil (C)Yapay Dolgu (F) Yeralti Su Seviyesi(GWL)


4545



Aç‐Kapa Tünel MetoduAç‐Kapa Tünel Metodu

•Kriter •Aç‐Kapa Metoduç p

Yapım Süresi ve Ticari Kayıplar

•İnşaat ~ 24 ay sürecek •Fevzipaşa Bulvarındaki dükkanlar ciddi boyutta ekonomik kayıbağ k

ALT YAPILAR

2 m ARKEOLOJIK KALINTILAR

uğrayacak

Kazı Hacmi •200.000 m3 hacminde toprak kazılacak ve taşınacak

Alt l Bütü lt l (El kt ik

~

1 Altyapılar •Bütün altyapılar (Elektrik, su, telefon, kanal) yerdeğiştirilecek

Trafik •Fevzipaşa Bulvarı 24 ay süresince trafiğe kapalı olacak

TIPIK KESIT

ğ p

Arkeolojik Kalıntılar

•5‐6 m derinlikteki Arkeolojik kalıntılar zarar görecek

Tarihi Yapılar •Tarihi Basmene Garı Yıkılıp yeniden yapılacak

Kaynak: Yapı Merkezi Tasarım – Mühendislik Bölümü, Çamlıca, İstanbul, 1996

4646



EPB Tünel MetoduEPB Tünel Metodu

Kriter Sığ Tünel

Yapım Süresi ve Ticari Kayıplar

•İnşaat 12 ay sürecek•Trafik sadece İstasyon

kısımlarında kesileceğinden

ALT YAPILAR

m

ekonomik kayıp daha az olcak

Kazı Hacmi •~100.000 m3 toprak kazılacak

Altyapılar •Sadece İstasyon bölgelerinde

0 m

ARKEOLOJIK KALINTILAR

6 - 1

3 m Altyapılar •Sadece İstasyon bölgelerinde

gerekli olacak

Trafik •Araç Trafiği sadece istasyon kısımlarında kesilecek

Min 1 D

D=6

.30 kısımlarında kesilecek

•Yaya trafiği devam edecek

Arkeolojik Kalıntılar

•Arkeolojik kalıntılar zarar görmeyecek

TIPIK KESITKalıntılar görmeyecek

Tarihi Yapılar •Basmane garı yıkılmadan tünel açılacak

K k Y M k i T Müh di lik Bölü ü Ç l İ t b l 1996

4747

Kaynak: Yapı Merkezi Tasarım – Mühendislik Bölümü, Çamlıca, İstanbul, 1996



Giriş Çıkış Kuyularında Zemin İyileştirmesiGiriş‐Çıkış Kuyularında Zemin İyileştirmesi

Diyafram Duvar Zemin Iyilestirmesi

(B t itli

5 - 8 mDiyafram

Duvar5 - 8 m

(BentonitliPlastik Beton)

EPBmMakinesi

EPBmMakinesi Ilerleme Yönü

Il l Yö üZemin Iyilestirmesi

Ilerleme Yönü(BentonitliPlastik Beton)

Pl K it

IstasyonYapisi

Plan Kesit

4848

Kaynak: Yapı Merkezi Tasarım Bölümü, Çamlıca, İstanbul, 1996.



Giriş Kuyusunda Tünel Aynasının HazırlanmasıGiriş Kuyusunda Tünel Aynasının Hazırlanması

4949

Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul, 1996.



Giriş Çıkış Ağızlarında Kullanılan Kılavuz ÇemberiG ş Ç ş ğ a da u a a a u Çe be

5050




EPB Makinesinin Zemine İlk Hareketi ve Dayanma YapılarıEPB Makinesinin Zemine İlk Hareketi ve Dayanma Yapıları

5151Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, Çamlıca, İstanbul, 1996.



EPB Makinesi ile Monte Edilen Başlangıç (Geçici) RingleriEPB Makinesi ile Monte Edilen Başlangıç (Geçici) Ringleri

5252




EPB Makinesinin Kesici Kafa Yapısı ve Kimi Teknik ÖzellikleriEPB Makinesinin Kesici Kafa Yapısı ve Kimi Teknik Özellikleri

o Kazı çapı Dk=6,56 m

K lk D 6 52o Kalkan çapı D= 6,52 m

o Kalkan uzunluğu L= 7,30 m

o Kesici kafa dönüş hızı 0 – 25 devir/dakika

o Kesici kafa torku 500 t/m

o Kesici kafa gücü 800 kW

o İtme hızı 30 cm/dak/

o Toplam itme gücü 4430 t

o Toplam basınç 3500 t/m2

5353Kaynak: Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, Ergin, 2002.



Makinenin Tünelden ÇıkışıÇ ş

(Kesici kafada herhangi bir “yapışma” işareti yoktur. Bu görünüm, “şartlandırma” işleminin

5454

(Kesici kafada herhangi bir yapışma işareti yoktur. u görünüm, şartlandırma işleminin

başarılı yapıldığını ifade etmektedir.)

Kaynak: Yapı Merkezi Arşivi, 1996.



Kazı‐Segment Boşluğuna Enjeksiyon Yapılması

Sild ZirhiKalkan zırhı

Tel FircaA

men

t Dis

=6.3

2 m

api=

6.54

m

Bos

lugu

11 c

m

Tel fırça

Dk=6,54

m

A

EnjeksiyonSegment

Seg

mC

api=

Kaz

i Ca

Kaz

i ~

Kazı çap

ı,

Gri, ince kumlu beton

A DetayiKesici Kafa Gri, ince

kumlu beton A Detayı

beton

Malzeme Miktar

• Çimento 130 kg/m3

• Uçucu Kül 420 kg/m3

• Kum (0‐5 mm) 1058 kg/m3

• Bentonit 15 kg/m3

5555

• Bentonit 15 kg/m3

• Su 400 lt




Segment bileşimi

CK

Kilit taşı

A1

CKB

A2

A5 A – A Kesiti

A4A3

Civata yuvasıGeçici bağlantı civatası

Segment parçaları

Segment Birleşim Detayı:

Civata yuvasıcivatası

Birleşim Detayı:

Kauçuk gasketÇanta

Ahşap ezilme

5656

takozları




Prekast Ring Parçalarının (Kilit Taşı) MontajıPrekast Ring Parçalarının (Kilit Taşı) Montajı

VakumluMontaj Kolu

Kilit Taşı

Montaj Kolu

5757




Enjeksiyon Doldurulma Oranları

5858Kaynak: Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi Saha Raporları, 1996 – 1997.



Tüp Bazında İlerleme Hızları ve Ortalama DeğerleriTüp Bazında İlerleme Hızları ve Ortalama Değerleri

Kaynak: Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi Saha Raporları, 1996 – 1997.

5959



Tüp Bazında İşlem Sürelerinin Dağılımı

Bekleme

Makine arızasıarızası

Hazırlık işleri

Segment yerleştirme

Kazı

6060




İşlem Süreleri Dağılımı‐Ortalama Değerler

Kazı25%

Bekleme19%

MakineArızası

Hazırlık İşleri16%

Segment Yerleştirme

20%

Arızası20%


6161



Tüp Bazında İşlem Süreleri ve Ortalama Değerleri

300

250

/ rin

g

Toplam Beklemeler

Efektif Çalışma Süresi

186

150

200

üres

i, da

k/

78 86

27

89

100

İlerle

me

S

81 75 71 61 72

2

0

50Rin

g

01.Tüp 2.Tüp 3.Tüp 4.Tüp Ortalama

K k Y M k i İ i M P j i S h R l 1996 1997

6262




EK – 1 TAM CEPHELİ TÜNEL AÇMA MAKİNELERİNİN TARİHSEL Ç

DEĞERLENDİRMESİ

4747



EK – 2 İZMİR METROSU ÜMMÜHAN ANA TÜNELİ’NDE ZEMİN

BASINCI DENGELEME TÜNEL METODU (EPBM)UYGULAMASI

4848

© 1

Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Dokuzuncu Ulusal Kongresi21-22 Ekim 2002, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir

İZMİR METROSU ÜMMÜHAN ANA TÜNELİ’NDE ZEMİNBASINCI DENGELEME TÜNEL METODU (EPBM)

UYGULAMASI

Başar ARIOĞLU 1, Ali YÜKSEL 2, Ergin ARIOĞLU 3

ÖZET

11.6 km uzunluğundaki İzmir Metrosu I. Aşama güzergahının 3,08 km’lik kısmı derin tüneller ileinşaa edilmiştir. Kil, silt ve kumlu çakıllardan oluşan yumuşak zeminlerin bulunduğu Konak-Basmane İstasyonları arasındaki bölüm şehrin ana trafik arterleri üzerinde, yoğun yerleşimyerleşim yapısına sahip, ve güzergahı kesen çok sayıda altyapılar bulundurmaktadır. Tünel,yüzeyde yoğun inşaat faaliyetleri gerektiren geleneksel inşaat metodları yerine, yüzeyde hiçbirrahatsızlık vermeyen ve çökmelerin kontrol edilebildiği,“EPBM-Zemin Basıncı DengelemeMetodu” ile açılmıştır. maksimum 30 m/gün, ortalama 12,8 m/gün ilerleme hızlarının kaydedildiğibu yöntemde, tünel inşaatı, 273 iş gününde tamamlanmış, ve gerçekleşen maksimum yüzeyoturması 21 mm olarak kaydedilmiştir.

1. GİRİŞ

Metro yapılarının, şehir içinde olmaları nedeniyle, çoğunlukla yeraltında inşaa edilmesigerekmektedir. Bu yapıların aç-kapa gibi geleneksel metodları ile inşaa edilmesi durumunda inşaatsüresi boyunca güzergahın geçirildiği caddeler trafiğe kapatılmakta ve güzergah boyunca yeralanbütün alt yapılar tamamen yer değiştirilmektedir. Bu sırada, zaten sorunlu olan taşıt trafiği daha dagüçleşmekte, ve burada bulunan ticari işletmeler ciddi boyutta ekonomik kayıplara uğramaktadır.Tünel teknolojisindeki gelişmelerle birlikte, zor jeolojik koşullar sergileyen yumuşakformasyonlarda tünel açmak mümkün hale gelmiş, böylelikle yukarıda değinilen sorunlara dahaekonomik çözüm imkanları sağlanmıştır. Bu çalışmada, İzmir Metrosu Konak – Basmaneİstasyonları arasındaki Ümmühan Ana Tünel’inde uygulanan EPB (Zemin Basıncı Dengeleme)metodu ele alınmış, ve proje kapsamında elde edilen deneyimler yerli mühendislik literatürünekazandırılmaya çalışılmıştır.

2. İZMİR METRO PROJESİ

İzmir Metro Projesi, İzmir Büyükşehir Belediyesi tarafından hazırlanan Ulaşım Master Planıçerçevesinde uzunluğu toplam 45 km’ye varacak olan ve İzmir şehrinin yerleşim alanlarının büyükbir bölümünü kapsayacak yüksek kapasiteli bir sistem olarak planlanmıştır. I.aşama inşaatı 1 İnş. Y. Müh., Genel Müdür,Yapı Merkezi İnşaat ve San. A.Ş., 81180 Çamlıca-İstanbul2 Mad. Y. Müh., Ağır İnşaatlar Grubu,Yapı Merkezi İnşaat ve San. A.Ş., 81180 Çamlıca-İstanbul3 Prof. Dr. Müh., AR-GE Bölümü Direktörü,Yapı Merkezi İnşaat ve San. A.Ş., 81180 Çamlıca-İstanbul

© 2

kapsamında, nüfus yoğunluğunun en fazla olduğu, dolayısıyla yolcu hareketinin en yüksek olduğuÜçyol-Bornova hattı inşaa edilmiştir. 11,6 km uzunluğundaki bu hat, gelecekte bir koluBornova’dan Narlıdere’ye diğer kolu da Çiğli’den Buca’ya kadar uzanacak Metro Sisteminin anaomurgasını oluşturmaktadır (Şekil-1). I.aşama inşaatının yapımını Yapı Merkezi - AdtranzKonsorsiyumu üstlenmiş, yapım çalışmalarına Mayıs 1995’te başlanmış ve sistem 22 Mayıs 2000tarihinde işletmeye alınmıştır.

Şekil-1 İzmir Metro Sistemi

Sistemde toplam 10 adet istasyon bulunmaktadır. Bunlardan Üçyol, Konak, Çankaya, Basmane veBornova istasyonları yeraltında; Hilâl, Halkapınar ve Stadyum istasyonları viyadükte inşaaedilmiştirtir. Sanayi ve Bölge istasyonları ise hemzeminde yer almaktadır.

Üçyol ile Konak İstasyonları arasında yaklaşık 70 m’lik yükselti farkı bulunmakta ve güzergahyüzeyden 30-60 m derinlikte yer almaktadır. Bu iki istasyon arasında güzergah volkanik kökenliandezit kayacı içerisinde geçmekte ve üzerinde yoğun şekilde, çok katlı yapılar bulunmaktadır.Yukarıda belirtilen şartlar yüzünden bu kısım derin tünelle geçilmiştir. Bu tünel “NATM-YeniAvusturya Tünel Açma Metodu” ile açılmış, iç kaplamasında 40 cm kalınlığında donatılı BS 35sınıfında su geçirimsiz beton kullanılmıştır (Arıoğlu vd., 2000). Konak -Basmane İstasyonlarıarasındaki bölümde yumuşak zemin koşulları hakimdir. Burada güzergah Konak tarafında kısmendenize paralel olarak, Meşrutiyet Caddesi altında ve daha sonra da, denize dik olarak ilerleyenFevzi Paşa Caddesi altında bulunmaktadır. Bahsedilen kısımdaki Konak, Çankaya ve Basmaneİstasyon yapıları diyafram duvarlı aç-kapa tünel olarak inşaa edilmiştir (Çivi vd., 1998). İstasyonlararasındaki kısımlarda ise bu çalışmanın konusunu oluşturmakta olan “EPBM-Zemin BasıncıDengeleme Tünel Metodu” uygulanmıştır. Güzergah, Basmane istasyonundan sonra tedrici olarakyüzeye çıkmakta ve buradan itibaren Halkapınar İstasyonuna kadar Devlet Demiryolları hattı ileaynı koridoru paylaşmaktadır. Bundan dolayı bu kısım viyadükte inşaa edilmiştir. Halkapınarİstasyonundan sonra ise yol geçişlerine bağlı olarak genellikle hemzemin olmak üzere viyadük ve“U” yapısı biçiminde inşaa edilmiştir.Aşağıdaki çizelgede I. Aşama inşaatına ait karakteristikbilgiler özetle verilmiştir.

© 3

Çizelge-1. İzmir Metrosu Sistem Karakteristikleri ve Proje Büyüklükleri

Sistem Özellikleri• Mümkün Kapasite - Teorik Kapasite 400.000 yolcu/gün -45.000 yolcu/saat.yön• Araç sayısı - Katar sayısı 45 araç / 3-5• Ticari hız - Maximum hız 40/80 km/saat• Sinyal-Hat koruma Tam sinyalizasyon/Tam koruma• Platform Uzunluğu / Yüksekliği 125 m / 80 cm

İnşaat Metodları Güzergah Uzunluğu• Derin (NATM) Tünel 1684 m• İkiz Tüneller (EPBM) 1400 m• Aç-Kapa Tüneller 1100 m• Viyadük 2800 m• U Yapısı-Kapa-Aç 1000 m• Hemzemin 3600 m

Ana İnşaat Kalemleri Miktar• Kazı (tünel dahil) 970.000 m3

• Dolgu (çimento stabilizasyonu dahil) 130.000 m3

• Beton (öngermeli, prekast, yüksek dayanımlı) 387.000 m3

• Çelik (yüksek ve normal çekme dayanımlı) 10.900 ton• Demir yolu (tek hat) 26.600 m

3. ÜMMÜHAN ANA TÜNELİ

3.1. Jeoloji ve Geçilen Formasyonların Jeomekanik ÖzellikleriGüzergahın Konak’tan sonraki bölümü, İzmir Körfezi’nin de içerisinde yeraldığı “Graben-Horst”yapısına ait tektonik çukurluğu dolduran aluvyoner zeminler içerisinde bulunmaktadır. Konak–Basmane arasındaki güzergah bölümünde, yerinde ayrışmış andezit ürünü killi formasyonlarınüzerinde karasal ve denizel ortamlarda oluşmuş çökeltiler yer almaktadır.

Şekil-2 Ümmühan Ana Tüneli jeolojik boy kesiti (Arıoğlu vd., 2002a, Arıoğlu vd., 2002b)

Denize daha yakın olan Konak tarafında, denizel ortamda çökelmiş, çapraz tabakalı kum bant vemercekleri bulunduran sillt ve killi silt tabakaları, Basmane tarafında yerini karasal ortamdaçökelmiş iri boyutlu blok ve moloz içeren kumlu çakıl tabakalarına bırakmaktadır (Şekil-2). Yeraltısuyu seviyesi, Konak tarafında yüzeyden yaklaşık 1,5 m derinlikte, Çankaya, Basmane tarafındaise 4,0-6,0 m arasındaki derinliklerde bulunmaktadır (Sağlamer vd., 1996).

© 4

Geçilen ortamın jeomekanik büyüklüklerine ait ortalama değerler ve değişim aralıkları Şekil-3’debelirtilmiştir. Tipik zemin profili ve jeolojik kesitten anlaşılacağı üzere tünelin geçtiği ortamfevkalâde değişken özellikler sergilemektedir. Bu durum kullanılacak kazı makinesinin seçimindeüzerinde durulacak önemli bir konu olup, ileriki bölümde belirli bir ayrıntıyla ele alınacaktır.

Şekil-3. Ümmühan Ana Tüneli tipik zemin profili ve ortalama jeomekanik büyüklükler (Arıoğlu vd., 1999, geoteknik veriler Sağlamer vd., 1996 kaynağından alınmıştır)

3.2. Güzergah Alternatiflerinin Değerlendirilmesi ve İnşaat Metodlarının KarşılaştırılmasıAvan projelerde Konak-Basmane İstasyonları arasındaki kısmın geleneksel metodlarla inşaaedilmesi öngörülmüştü. Güzergahın tamamı aç-kapa tünel metodu ile yapılacak olup, güzergahKonak tarafında denize daha yakın olarak geçmekte idi. Zira Meşrutiyet caddesi ile Fevzi PaşaBulvarı arasındaki dönüş tarihi eser niteliğindeki Vakıflar Bankası binası altında bulunmaktadır.Mevcut jeoteknik şartlar ve ticari faaliyetlerin durumu, altyapılar ve trafik koşulları Yapı MerkeziMühendislik Grubu tarafından değerlendirilerek alternatif güzergah ve inşaa metodları incelemesiyapılmıştır. Bu değerlendirmenin özet sonuçları Çizelge-2’de belirtilmiştir.

Bu karşılaştırma idare tarafından da değerlendirilmiş ve güzergahın bu bölümünün derin tünel ilegeçilmesi kararlaştırılmıştır. (Yapı Merkezi, 1996, Arıoğlu, 2000). Böylece parasal bakımdantoplam proje bedelinin yaklaşık % 6’sı kadar tasarruf gerçekleştirilmiştir. Yine buna ilaveten, bumetod ile, inşaat yaklaşık 12 ay kadar daha kısa sürede tamamlanmış, güzergah civarındaki ticariişletmelerin ekonomik kayıplarının en az düzeye indirilmesi sağlanmıştır (Yapı Merkezi, 1997b).

Güzergah üzerinde ve civarında bazıları kazıklı, bazıları da derin temelli yapılar yer almaktadır.Ayrıca Fevzi Paşa Bulvarı ile Meşrutiyet Caddesi arasında bulunan dönüşün yarıçapı (R=250 m)çok küçüktür. Çift hat-tek tünel açılması durumunda, tünel çapı ve güzergah geometrisi dolaysıyla,tünel üzerinde yeterli kalınlıkta örtü tabakası bulunmayacak, öte yandan arkeolojik kalıntılar dakazı kesiti içerisinde kalacaktır. Bu nedenlerden ötürü Ümmühan Ana Tüneli, yan yana ikiz tünelşeklinde tasarlanmıştır (Yapı Merkezi, 1996). Tüneller, 5,72 m bitmiş iç çapa sahip, toplamuzunluğu 2752,5 m olan dört ayrı tüpten oluşmaktadır (Şekil-4).

© 5

Şekil-4 Ümmühan Ana Tüneli güzergahı ve açılan tünel tüpleri (Arıoğlu vd, 2002b)

Çizelge-2. Aç-Kapa ve Derin Tünel İnşaat Metodlarının Karşılaştırılması (Yapı Merkezi, 1997b)

Kriter Aç-Kapa Metodu Derin TünelYapım Süresi-Ticari Kayıplar

Yapım süresi (∼24 ay) boyunca Fevzi PaşaBulvarı Trafiğe kapatılacağından buradakidükkan ve işyerleri ciddi boyutta ekonomikkayıplara uğrayacaktır.

İnşaat faaliyetleri nedeniyle istasyonbölgeleride dahil olmak üzere yaya trafiğikesintiye uğramayacağından, dükkan veişyerlerinin uğrayacağı ekonomik kayıplar enaz düzeyde tutulacaktır.

Kazı Hacmi Yüzeyden itibaren yapı temel alt kotuna kadarbütün hacim kazılacak olup bunun toplamhacmi yaklaşık 200.000 m3 kadar olacaktır.Dolaysıyla daha fazla miktarda kitle hareketiyapılacak ve daha büyük döküm sahasınagereksinim duyulacaktır.

Daha az miktarda (∼100.000 m3) kazıyapılacak ve taşınacaktır.

Altyapı Güzergah boyunca, bulunan (Su, Elektrik,Telefon, Kanal, vb.) bütün altyapılarındeplasmanı gerekecektir.

Sadece, İstasyon bölgelerinde altyapıdeplasmanı yapılacaktır.

Trafik Fevzi Paşa Bulvarı ve bunu kesen caddeler,bütün inşaat süresi (∼24 ay) boyunca trafiğekapalı kalacaktır.

Sadece, İstasyon bölgelerinde cadde trafiğekapatılacak, ancak buradaki trafik akışı paralelcaddeye kanalize edilecektir.

ArkeolojikKalıntılar ve

Meşrutiyet ve Fevzi Paşa Bulvarındakiarkeolojik kalıntıların yüzeyden 5-6 mderinlikte olması sebebiyle bu kalıntılar zarargörecektir.

Tünel yüzeyden 6-16 m derinliktengeçeceğinden arkeolojik kalıntılara zararverilmeden geçilecektir. Sadece istasyonbölgelerinde rastlanılacak, bunlar özenleçıkarılabilecektir.

Tarihi Yapılar Güzergah üzerinde bulunan, tarihi Basmanegarı yıkılıp yeniden yapılacaktı.

Basmane garının altından geçileceğinden yapızarar görmeyecektir.

Konak İstasyonundan itibaren ilk 200 m’lik kısımda tüneller yan yana ve doğrusal olarak, bunoktanın ilerisinde birbirinden ayrılarak ilerlemektedir, Sağa ayrılan tüp binaların altındangeçmektedir. Tüneller Çankaya İstasyonun yaklaşık 150 m gerisinde tekrar buluşmakta, Çankayaİstasyonundan Basmane İstasyonuna kadar Fevzi Paşa Bulvarının altında doğrusal olarakilerlemektedir (Şekil-4). Tünel üzerindeki örtü kalınlığı, cadde altında 6-7 m , binalar altındangeçilirken bina temelleri ile emniyetli mesafenin korunması için sağ tüp tüneli 13 m’ye kadarderinleştirilmiştir. (Yapı Merkezi, 1996).

© 6

3.3. Kullanılan Kazı MakinesiGevşek zeminlerde açılan tünellerde yaygın olarak şildli metodlar uygulanmaktadır. 19. Yüzyılınbaşından beri kullanılagelen bu metod elle kazıdan, zemin basıncı dengeleme metoduna kadarçeşitlilik sergilemektedir. Böylesi zeminlerde uygulanacak kazı metodunun seçimi oldukça kritikbir konudur. Arın stabilizasyonu yeteri kadar sağlanırken yüzey oturmaları kontrol edilebiilmeli,zeminde su kaybı olmamalı ve kazılan malzeme kolaylıkla alınabilmeli, taşınabilmelidir. Kazımetodunun seçiminde rol oynayan en önemli zemin parametreleri şunlar olmaktadır (DAUB,1997, AFTES, 2000):

• Dane boyut dağılımı,• Kohezyon büyüklüğü-Kıvam Durumu,• Geçirimlilik,• Kaya/Zeminin Mineralojik yapısı.

Bu konuda Mori vd., 1995, tarafından verilen bir sınıflama zeminin dane boyut dağılımınadayanmaktadır (Şekil-5). Bu şekil üzerine Ümmühan Ana Tüneli güzergahındaki zeminlere aitdane boyut dağılımının sınırları da işaretlenmiştir. Yine, Alman Yeraltı İnşaatları Birliği (DAUB)tarafından önerilen çizelge aşağıda verilmiştir. Şekil-4‘de verilen jeomekanik büyüklükler buaçıdan değerlendirilirse, geçilen tünel zemininin “Kohezif-Duraysız” ve “Karışık Zemin” gruplarıile temsil edilebileceği belirtilebilir. Şekil-5 ve Çizelge-3 tekrar birlikte değerlendirilirse, ÜmmühanAna Tüneli zemini, EPBM yöntemi uygulama alanı içerisinde yer almaktadır.

Şekil-5. Zemin dane boyutuna göre kullanılan makine tipi ve Ümmühan Ana Tünelinde karşılaşılan zeminlerin granülometrik sınırları

© 7

Çizelge-3. Tünel Kazı Makinelerinin Uygulama Alanları (DAUB-Alman Yeraltı İnşaat Birliği, 1997)Kaya Zemin

Geoteknik BüyüklüklerKazıdaDuraylı

KazıdaDuraysız

KohezifDuraylı

KohezifDuraysız

KarışıkZemin

Kohezyonsuz

Basınç Dayanımı, σb, Mpa 300 - 50 50 - 5 1,0 0,1Çekme Dayanımı, σç, Mpa 25 - 5 5 - 0,5Kaya Kalite Derecesi,RQD, % 100 - 50 50 - 10Çatlak Aralığı, m >2,0 – 0,6 0,6 – 0,06Kohezyon, CU, kPa ≥ 30 30 - 5 30 - 5Dane Boyut <0,02 (%) 30 30 10Dağılımı <0,06 (%) ≥ 30 ≥ 30Makina Tipi YAS Kullanım AralığıTBM -(Açık Tip) +TBM -(Şildli Tip) +Açık -Şild +Mekanik-Destekli -Şild +Mekanik-Basınçlı Hava -Destekli Şild +Bentonit Bulamaçlı Arın -Şildi +Zemin Basıncı -Dengelenmiş (EPB) Şild +Açık Şild -Parçalı Arın Kazısı +Şild – Kısmî Destekli -Parçalı Arın Kazısı +Şild–Basınçlı Hava -Destekli-Parçalı ArınKazısı

+

Şild– Bentonit Bulamaç -Destekli-Parçalı ArınKazısı

+

YAS: Yeraltı suyu Ana Uygulama Alanı(-) : Yok, (+) Var Mümkün Uygulama

EPB türü makineler 1970’li yıllarda ilk olarak Japonya’da kullanılmaya başlanmıştır. Karışımşildli kazı makinelerin geliştirilmesi ile ortaya çıkmıştır. Bu tür makinelerde kazı arınının dengedetutulması bizzat kazılan malzeme ile sağlanmaktadır. Daha açık anlatımıyla, makinenin öne doğruilerlemesi için yapılan itki arında basınç oluşturuken, basıncın dengede tutulması için kazıhaznesindeki malzeme burgulu taşıyıcı (konveyör) ile kontrollu biçimde dışarı alınmaktadır. Bu türmakineler karışım şildlerinde olduğu gibi sıvı dolaşım ve geri kazanım sistemlerine gerekduymamaktadır. Basitliği nedeniyle, siltli killerden bloklu çakıl zeminler kadar, daha esnek birkullanım alanına sahiptir. Zemin özelliklerinin elverişli olması durumunda bir açık tip şildli kazımakinesi gibi, “basınçsız durumda” da çalışabilmektedirler. Bütün bu özellikleri sayesindegiderek, karışım şildlerinin yerini almaktadır.

İzmir metrosu zemin koşulları dikkate alınarak kazının EPB türü makine ile yapılması uygunbulunmuştur (Yapı Merkezi, 1996). Herrenknecht marka makinenin şild çapı 6,54 m, kazı çapı ise6,56 m’dir. Şild uzunluğu toplam 7,30 m olup üç parçalıdır. 1.parça kazı haznesi göreviniyapmakta olup, bu parçada, kesici kafa ve bunun ana yataklaması, tahrik motorları ve üç ayrısevyede yerleştirilmiş basınç algılayıcıları (sensör) bulunmaktadır. Yumuşak zeminler için

© 8

tasarımlanmış olan kesici kafadaki. kazma tipindeki kesici uçlar, kafa üzerinde (+) şeklindeki hatüzerinde ve yine, kesme dairesi üzerinde, artı kollarının açı ortayına gelecek şekilde dört bölgede,çift yönlü olarak dizilmiştir. İri blok boyutundaki taşların ufalanması için kesici kafa üzerine disklikesiciler de yerleştirilmiştir. Kesici uçların her iki yanında hafriyat açıklıkları bulunmaktadır.Uzunluğu 11,5 m olan, 70 cm dış çapa sahip olan teleskopik burgulu konveyor, kazı haznesinintabanına bağlıdır. Arkaya doğru bant konveyörün bulunduğu seviyeye kadar yükselmektededir. 2.parçada ise üç boyutta serbest harket kabiliyetine sahip segment yerleştirme aparatı (erektör) vemakinenin öne doğru hareketini sağlayan itme pistonları vardır. Segment yerleştirme aparatıvakumlu bir koldur. 3. parça, sadece segmentlere kalıp görevi yapan silindirik bir tüptür. 3.parçanın en arkasına iç yüzde, üç sıra halinde, gresli su sızdırmazlık contaları tesbit edilmiştir.Makinenin elektrik, hidrolik güç üniteleri, enjeksiyon pompası, soğutma sistemleri, operatörkontrol odası ve bunun gibi servis üniteleri, makinenin arkasında dizili, toplam beş adet ayrıtekerlekli taşıyıcı çerçeve (araba) içerisinde konumlanmıştır. Burgulu konveyörden çıkan çamurlastik bantlı konveyör ile çamur vagonlarına aktarılmakta ve lokomotif ile şafta taşınmaktadır.Malzeme taşınmasında iki adet servis katarı kullanılmakta olup bir katarda 1 dizel lokomotif, 3segment arabası, 1 enjeksiyon kazanı ve 6 çamur vagonu bulunmaktadır. Kullanılan makineninteknik özellikleri ise Çizelge-4’de özetlenmiştir.

3.4. EPB Makinesi Kazı İşlemiKazılan malzeme kesici kafadaki hafriyat açıklıklarından kazı odasına geçmekte, kesici kafaarkasındaki karıştırma kollar ile karıştırılarak bulamaç haline gelmektedir. Kazı işlemi başladığızaman makine kendisini itme pistonları ile ileri doğru hareket ettirmektedir. Bu surada kazıodasındaki basınç sürekli olarak izlenmekte, önceden hesaplanan basınç seviyesinin korunması içinkazılan bulamaç halindeki malzeme, burgulu konveyörle kontrollu olarak dışarı alınmaktadır.

Çizelge-4 EPB Makinesinin Karakteristikleri (Yapı Merkezi, 1997a)Şild Çapı 6,52 mKazı Çapı 6,56 mŞild Uzunluğu 7,30 mToplam Uzunluk 74 mAğırlık 325 t (Servis üniteleri dahil 477 t)İlerletme Sistemi toplam 28 adet Piston (2x 14 adet)İtme Pistonu Stroku 150 cmToplam İtme Gücü, Basıncı 4430 ton, 350 barİtme Hızı 30 cm/dakKesici Kafa Dönüş Hızı 0-2,5 dev/dak, sağ/solKesici Kafa Torku 500 t.mKesici Kafa Gücü 800 kW (Hidrolik Motorlar)Şild Çalışma Basıncı 3 barZemin Şartlandırması Bentonit bulamacı, kimyasal köpükEnjeksiyon Kuyruk şildi cidarındaki altı kanaldan kuyruğaSu Geçirimsizlik Kuyrukta üç sıra çelik fırça+gres (30 bar)Kazı Boşaltma - Taşıma Burgulu konveyör+bant konveyör+çamur vagonuSegment Yerleştirme Üç boyutta serbest hareketli vakumlu kolYönlendirme Bilgisayar kontrollu, tek laserli total stationKurulu Güç 1600 kVA

© 9

Bulamaç halindeki kazı malzemesinin arın stabilitesini sağlaması için şu özelliklere sahip olmasıgerekmektedir (Maild vd, 1996, Arıoğlu, 1999) ;

• İyi plastik deformasyon yapabilme• Düşük içsel sürtünme açısı• Yumuşak kıvam ve • Düşük permeabilte.

Ancak kazılan malzeme her zaman bu özellikleri taşımayabilir. Bu durumda zemin şartlandırmasıgereklidir. Bu, kazılan malzemenin cinsine göre, su-bentonit karışımı veya kimyasal köpük ileyapılabilmektedir. Ümmühan Ana Tüneli’nin kazısı sırasında silt ve killerin hakim olduğu Konaktarafında bentonit, kumlu çakılların bulunduğu Basmane tarafında ise kimyasal köpükkullanılmıştır. Köpük yapımında çevreye zararlı olmayan polimer ve köpük yapıcı (surfactant)karışımı kullanılmıştır. Kazılan malzeme hacmi başına 300-500 lt/m3 köpük kullanılmış oluportalama malzeme tüketimi polimer ve “surfactant” için değerler sırasıyla 0,01-0,5 kg/m3 ve 0,5-1,0 kg/m3 olarak gerçekleşmiştir (Jancsecz vd, 1999). Zemin şartlandırması uygulaması ile zeminözellikleri iyileştiğinden kesici kafadaki tork düşmekte ve burgulu taşıyıcıda oluşan aşınma miktarıda azalmaktadır (Milligan, 2000).

Kazı işlemi sürerken aynı zamanda kazı cidarı ile segmentler arasındaki yaklaşık 12 cm’lik boşlukenjeksiyon malzemesi ile hemen doldurulmaktadır. Enjeksiyon karışımının akıcılığını sağlamakiçin bentonit, bağlayıcı madde ekonomisi için de uçucu kül kullanılmıştır. Karışımda 1 m3 için; 130kg çimento, 420 kg uçucu kül, 1058 kg kum (0-5 mm), 15 kg bentonit ve 400 lt su kullanılmıştır.Enjeksiyon malzemesi karıştırıcılı bir vagondan, servis ünitesinde bulunan bir pompa yardımıylapompalanmakta, şild cidarı içerisinden kuyruğa kadar ulaşan kanallardan az önce belirtilen boşluğaulaşmaktadır. Bu boşluğun hemen doldurulması yüzeye yansıyacak olan tasmanlar açısından önemkazanmaktadır. Bu husus EPB kazı metodunun önemli yararlarından birisidir.

3.5. Prekast Beton Segment ile Destekleme YapılmasıBir kazı adımı ilerleme yapıldıktan sonra kazı operasyonu durdurulmakta, vagonla getirilensegmentler şild içerisindeki montaj kolu (erektör) vasıtası ile yerleştirilmektedir. Segmentler,tünelin yatay ve düşeydeki dönüşlerini sağlayabilecek geometride tasarlanmış olup, anahtar taşınınpozisyonu ile 14 farklı kombinasyonda yerleştirilebilmektedir. Ringler 120 cm genişliğinde, 30 cmkalınlığında ve anahtar taşı ile birlikte 7 parçadan oluşmaktadır. Prekast segmentler BS 45sınıfında betondan özel kalıplar kullanılarak üretilmiştir. Segmentler arasında su geçirimsizliğinsağlanması için elastomerik conta kullanılmıştır.

4. TÜNELİN İNŞAASI VE İLERLEME İSTATİSTİKLERİ

4.1. Hazırlık İşleri

Tünel giriş aynalarında diyafram duvar kırılarak tünel makinesine klavuzluk etmesi için birer çelikhalka yerleştirilmiştir. Giriş-çıkış yapılarında tünel aynasının kırılması zemin stabilitesininbozulmasına ve su sızmasına yol açacaktır. Emniyetli çalışma koşullarının oluşturulması içinistasyon duvarının arka tarafında zemin iyileştirilmesi yapılmıştır. Bunun için giriş yapısında 8,0 m,çıkış yapısında ise 5,0 m’lik tünel uzunluğuna karşı gelen kısımda zemin, düşük dayanımlıbentonitli bir beton ile yer değiştirilmiştir (Yapı Merkezi, 1997a). Ayrıca makinenin zemine ilkgirişi sırasında kuyruktan su sızmaması ve yapılan enjeksiyonun kaçmaması için çelik halka ile şildarasına lastik conta yerleştirilmektedir.

© 10

Tünel makinesi şantiyeye Mayıs 1997’de gelmiştir. EPB makinesinin parçaları, ağır yük vinçleriile tünel şaftına indirilmiş ve orada, üzerinde hareket edeceği bir yatak sistemi üzerine monteedilmiştir. Ayrıca EPBM makinesinin zemine ilk hareketinde, ilerletme pistonlarına mesnet teşkiledecek bir destek çerçevesi kurulmuştur. Bu çerçeve her tüpün başlangıcında tekrar kullanılmıştır.

Basmane İstasyonunda şaftın giriş hazırlıklarının yapılması, makinenin ilk montajı, testlerininyapılması ve elektrik, basınçlı hava soğutma servis ünitelerinin kurulması 4 aylık bir süre almıştır.Kazı aşamaları arasındaki montaj-demontaj sırasında tüm sistemin bakımı ve tamiri yapılmaktadır.Makine Konak İstasyonuna taşındığında, burada yapılan bakım-onarım da konveyor burgusundakabul edilebilir limitin üzerinde, 14cm’lik bir aşınma meydana geldiği farkedilmiştir. Aşınmışburgu yenisi ile değiştirilmiştir. Bu aşırı aşınmanın 1. ve 2. tüpte, tünelin geçtiği kumlu çakıltabalarının içerdiği andezit çakıllarından kaynaklandığı düşünülmüştür.

4.2. Tünel Kazısı

İlkin Basmane İstasyonundan Çankaya istasyonuna doğru 1 ve 2 no’lu tünel tüpünün kazısıyapılmıştır. 3 ve 4 no’lu tünel tüplerinin kazısı ise Konak İstasyonundan Çankaya İstasyonunadoğru gerçekleştirilmiştir.

Kazı, 25 Ağustos 1997’de Basmane İstasyonunda 1 nolu tüpte başlamıştır. Kazınınbaşlangıcındaki ilk bir aylık dönemde kazı hızları 3 m/gün civarında seyretmiştir (Şekil-6). Dahasonraki dönemlerde kazı hızı giderek artmış ve 24 m/gün düzeylerine kadar yükselmiştir. Bu tüpteortalama ilerleme hızı X=8.0 m/gün olarak gerçekleşmiştir.

Şekil-6. Tüp bazında tünel ilerleme hızları ve ortalama Değerleri (Arıoğlu vd., 2002a, Veriler Yapı Merkezi,1998 kaynağından alınmıştır)

Kazı hızındaki giderek iyi yönde gelişen bu değişimin nedenleri şöyle açıklanabilir:• Başlangıçta tek vardiye olarak çalışılmış, daha sonra uzatılmış iki vardiya uygulanmıştır.

Çalışan işçilerin ekipmanları tanıma, işi öğrenme ve ustalaşmaları bu ilk evrede olmuştur.• İlk defa kurulan sistemlerdeki arıza ve ortaya çıkan uyumsuzluklar giderilmeye çalışılmıştır.• Enjeksiyon karışımında yapılan iyileştirmeler ile ilk zamanlarda boru hatları ve şild içerisindeki

kanallarda meydana gelen tıkanma problemleri çözülmüştür. 1.tünel tüpünün tamamlanmasından sonraki iki aylık süreçte makinenin şild kısmı Çankayaİstasyonunda sökülerek Basmane İstasyonuna taşınmış, tekrar kurulmuş ve 2. tünel tüpününkazısına hazır hale getirilmiştir. 2. tüp kazısı 47 iş gününde tamamlanmıştır. Bu tünel tüpünde

© 11

maksimum 24 m/gün ilerleme hızına ulaşılmış olup ortalama 12,5 m/gün olarak kaydedilmiştir.Konak-Çankaya İstasyonları arasının kazısı için makine ile birlikte servis üniteleri ve şantiyetesisleri Konak İstasyon şaftına taşınmıştır. 3.tüp ve 4.tüp kazılarında ortalama ilerleme hızlarısırasıyla 13,3 m/gün ve 19,7 m/gün olarak sonuçlanmıştır. Ümmühan Ana Tüneli’nde ilerlemehızı rekoru 4.tüpün kazısı sırasında 30 m/gün olarak kaydedilmiştir (Yapı Merkezi, 1998, Arıoğluvd. 2002a).

Ümmühan Ana Tüneli’nde kaydedilen ilerleme hızlarının, başka ülkelerde tam cepheli şildli kazımakineleri ile açılmış benzeri tünel projeleri ile karşılaştırılması Çizelge-5’de verilmiştir.Görüleceği üzere, benzeri çapta en yüksek ilerleme hızı Ümmühan Ana Tüneli’ndegerçekleşmiştir.

5. KAZI PERFORMANSI

Ümmühan Ana Tüneli’ne ait üretim kayıtları istatistik analize tabi tutulmuştur. Budeğerlendirmede ara mobilizasyonda geçen süreler hariç tutulmuş, sadece kazının başlangıcı vebitimi arasında kalan süredeki faaliyetler gözönünde tutulmuştur. Tüp bazında Bir ring ilerleme(1,2 m) için geçen sürelerin dağılımına ilişkin sonuçlar Şekil-7 ’de gösterilmiştir. Başlangıçta ringilerleme süresi toplam 267 dakika iken son yolda bu süre 88 dakikakaya inmiştir. Genel ortalamayabakıldığı zaman, bir ring ilerleme için geçen süre ise 161 dakikadır.

Şekil.7’den çıkartılan diğer bir sonuç da tünel kazı çalışmaları sırasında toplam sürenin ortalama %56’sı üretim dışı (Beklemeler ve Arızalar), 44%’ü ise doğrudan üretim faaliyetleri ile geçmektedir.Diğer kelimelerle, Ümmühan Ana Tüneli’nde “makine verimliliği” ortalama % 44 olarakgerçekleşmiştir. Bu değer başlangıçta %30 seviyelerinde iken giderek artmış ve son tüp kazısında% 69 mertebesine ulaşmıştır. Bu durum çalışan ekip ve ekipman arasındaki uyumun giderekartması, ustalık seviyesinin yükselmesi ile âlâkalıdır. Diğer yandan, üretim dışı geçen sürelerde deazalma olduğu farkedilmektedir.

Şekil-7 Tüp bazında bir ring ilerleme için geçen süre ve ortalama değerleri (Veriler Yapı Merkezi, 1998 kaynağından alınmıştır)

© 12

Çizelge-5 Tam Cepheli Şildli Tünel Açma Makinesi Kullanılan Bazı Tünellere ait Uygulama

Sonuçları ve Makine KarakteristikleriUygulanan Yer Hakim Formasyon Cinsi Çap,

mAğırlık

tonGüç,kW

Torkt.m

İlerleme

KölnS-Bahn Dolgu, Kil, Kum 6,56 250 - 14 m/günŞangay Metrosu Killi Silt 6,34 200 400 8 m/günLillie Metrosu Küçük Bloklu Kil 7,65 460 8,84 m/günAtina Metrosu Kum, Kil, Karstik Kireçtaşı 9,52 1650 3200 10 m/günLuisental Kumtaşı, Kumlu Kil 6,00 270 1100 16 m/günKahire Metrosu Kil, Silt, Kum 9,5 - - 10 m/günWesser Tüneli Konsolide Kil, Kum 14,2 - 1320 7,9 m/günElbe Tüneli İri Granit Bloklu Kil, Kum 14,2 2000 3200(*) 2600 14 m/gün Valensia Metrosu Kum, Çakıl 6,52 360 1280 500 13,2 m/vard.Madrid-İspanya Kil, Silt 9,33 2800 2023 20 m/günGuangzhou Tüneli Kil-Çok Ayrışmış Kaya 6,25 - - 97,5 m/haftaBotlekspoor Tüneli Kil, Kumlu iri Çakıl 9,78 2400 414 m/ayKopenhag Metrosu Kil -Kum, İri Granit Bloklu 5,71 350 1360(*) 380 248 m/haftaİzmir Metrosu Kil, Silt, Kumlu Çakıl 6,52 325 1280 500 30 m/gün

(*) Kesici Kafa Gücü

6. ARIN BASINÇLARININ HESAPLANMASI

Tünel jeolojik kesitinden görüleceği üzere güzergah boyunca zemin profili çok sık değişkenlikgöstermektedir. Dolaysıyla kazı sırasında tünel arınında karşılaşılan ve tünel üzerindeki örtütabakasının jeomekanik büyüklükleri sürekli değişecektir. Yüzeydeki tasman hasarlarının en azdüzeyde olması, ve emniyetli çalışma koşullarının sağlanması bakımından uygulanacak arınbasıncı değerlerinin güzergah boyunca sık aralıklarla hesaplanması gerekmektedir. Tünel kazıfaaliyeti sonunda, uygulanan tünel teknolojisine ve geçilen zeminin jeomekanik büyüklüklerinebağlı olarak bir kısım zemin tünel arınına doğru mobilize olur ve yüzeyde oturmalar oluşur. Veoturmaların civar binalarda hasar oluşturmaması için çökme teknesi maksimum eğiminin belirli birdeğerin altında olması gerekmektedir. Söz konusu büyüklük “hafif hasar” düzeyi için 1/500-1/250aralığındadır (Skempton, vd., 1956).

Prensip olarak tünel arınında oluşacak basınç; zemin basıncı, su basıncı ve trafik bina yüklerindenkaynaklanacak ek (sürşarj)-yataya indirgenmiş-yükün toplamından oluşur. Makine tarafından arınauygulanacak basınç, tünel eksenindeki bu basınçların toplamına eşit olmalıdır (Şekil-8).

eksuzea σσσσ ++= min [1]

Arın stabilitesinin ölçüsü olarak bilinen “N” büyüklüğü,

U

aoS

CZN σγσ −⋅+

= [2]

bağıntısı ile bilinmektedir (Brooms-Bennermark, 1967, Peck, 1969).

© 1

Şekil-8. Tünel arınındaki basınçlar ve yüzey tasmanı

N ‘in aldığı değerlere göre arın stabilitesi şu şekilde ayırt edilmektedir.0 < N < 2 Az akma –elastik koşullar2 < N < 4 Sınırlı akma4 < N <6 Plastik akma

N > 6 Arında ciddi stabilite problemleri sözkonusudur.

Tasman büyüklerini sınırlayan yaklaşımla arın basıncı hesabı için kullanılan bağıntılar toplucaaşağıda verilmiştir.

• Zemin kaybı oranı (Mitchell, 1993):

−⋅++⋅=

∆=

U

aosuek

m

U

CZ

EC

VVK

2exp σγσσ

[3]

• Maksimum tasman miktarı (Schimdt, 1969):

iDKSmaks

2

314,0 ⋅= [4]

• Dönüm noktası değeri (Yapı Merkezi, 1992, Arıoğlu vd, 1992, Arıoğlu vd., 2002c ):

no

DZ

AD

i

⋅=

2 [5]

• Tasman Eğrisi (Çökme Teknesi)’nin maksimum eğimi:

iS

dxdS maks

maks

⋅=

606,0 [6]

Yukarıdaki bağıntılarda gerekli sadeleştirmeler yapılırsa;

( )

−

⋅

⋅⋅−⋅++=

m

U

maks

oUsueka E

CdxdS

DZCZ ln544,2ln2

408,1

0γσσσ [7]

elde edilir.

© 2

Burada:σa = Tünel eksendeki arın basıncı, kPaσek = Bina ve trafik yüklerinden kaynaklanan ek yük. Trafik yükü için 10 kPa, bina yükleri

için 16 kPa kabul edilmiştir.σsu= Su basıncı, , kPah1 = yeraltı su seviyesinin yüzeyden derinliği (Şekil-7)γ = Zeminin ortalama birim hacim ağırlığı, kN/m3, Laboratuvar deneylerinde γ = 17-21

kN/m3 değer aralığındadır Ağırlıklı ortalama, farklı tabakalara ait kalınlıklar dikkatealınarak hesaplanmıştır (Birön, Arıoğlu, 1981).

smc

ssmmcc

hhhhhh

++⋅+⋅+⋅

=γγγ

γ [8]

γc, γm, γs= Sırasıyla kil, silt ve kum-çakılın birim hacim ağırlığı, kN/m3

hc, hm, hs= Sırasıyla kil, silt ve kum-çakıl tabakalarının kalınlığı ,mZo = Tünel ekseninin derinliği, Zo = (H+D/2), m, (Şekil-7),CU = Geçilen zeminin drenajsız kohezyonu, kPa, Ağırlıklı ortalama değer, [8] bağıntısından

hesaplanmıştır. Em = Geçilen zeminin elastisite modülü, kPa, Ağırlıklı ortalama değer, [8] bağıntısından

bulunmuştur.Smax = Tünel ekseninde yüzeyde ölçülen oturma değeri, mi = Yüzey tasman eğrisinin dönüm noktasının tünel eksenine olan uzaklığı, mA, n= Büyük ölçüde formasyon cinsi ve uygulanan tünel teknolojisine bağlı istatistiksel

katsayılar. Killi formasyonlar için A=1,392, n=,704 değerleri kabul edilmiştir. (Yapımerkezi,1992, Arıoğlu vd., 1992, Arıoğlu vd., 2002c)

Tünel güzergahı boyunca farklı kesitlerde gerekli arın basınçları [7] bağıntısı ile, tünel çapıD=6,5m, ve hafif hasar düzeyi için tasman eğrisi maksimum eğimi (dS/dx)maks=1/250 değeri içinhesaplanmış ve Şekil-9’de gösterilmiştir. Aynı şekil üzerine kazı sırasında uygulanan, tüneleksenindeki arın basınçları da işaretlenmiştir. Farkedileceği gibi uygulanan arın basınçları, teorikolarak bulunan basınçlardan yaklaşık olarak ortalama % 15 daha düşüktür. Bu durum, kullanılanhesap metodunun emniyetli tarafta olduğunu göstermektedir.

Çapı 2,48-10,58 m arasında olan, killi, siltli, kumlu ve çakıllı zeminlerde EPB metodu ile açılmıştünellerde uygulanan arın basıncının, “Sukûnetteki Zemin Basıncı + (0,0-0,5 kgf/cm2) ve subasıncını da dikkate alarak; “Sukûnetteki Zemin basıncı” + Boşluk Suyu Basıncı + (0,0-0,2kgf/cm2) arasında olduğu rapor edilmektedir (Kanayasu, vd., 1995 ). Bir ön tasarım değeri olarak,arın basıncı:

σF = Ko · γ⋅ Zo +σsu+20 , kPa [9]

bağıntısı ile verilmektedir (Broere, 2001, COB,1996’dan alıntı). Burada:

Ko = Sukunette zemin basınç (itki) katsayısı, Ümmühan Ana Tüneli’nde geçilen zeminleriçin Ko =0,40-0,65 aralığındadır (Sağlamer vd.,1996). (Şekil-3)

Şekil-9 üzerinde, [9] no’lu bağıntıdan hesaplanan değerler de işaretlenmiştir. Görüleceği gibi, heriki yöntem ile hesaplanan arın basınçları iyi sayılabilecek bir uyum içindedir. Ancak Basmaneistasyonu tarafında uygulanan basınçlar hesaplanandan bir miktar daha yüksektir. Bu durum,kazının ilk aşamalarında emniyetli tarafta kalma düşünceleriyle arın basınçların, hesaplananbasınçların üstünde uygulanması şeklinde açıklanabilir.

© 3

Şekil-9. Farklı yöntemler ile hesaplanan ve uygulanan arın basıncı değerlerinin güzergah boyunca değişimleri

1. YÜZEY OTURMALARI VE ARIN STABİLİTESIKazı işlemine başlamadan önce, kazı faaliyetlerinden kaynaklanacak yer yüzü oturma (tasman)hareketlerinin izlenebilmesi amacıyla tünel güzergahında zeminde ve binalarda oturma ölçümnoktaları tesis edilmiştir. Tünel güzergahında 30 -100 m arasında değişen aralıklarda oluşturulanölçüm kesitlerinin, herbirinde 3-5 adet ölçüm noktası bulunmaktadır. Toplam olarak, zeminde 85adet, binalarda ise 317 adet ölçüm noktası oluşturulmuştur. Yanal yerdeğiştirmelerin izlenmesiamacıyla da 8 ayrı noktada inklinometre yerleştirilmiştir. Ayrıca tünellerin etki alanında yer alanbütün yapılarda fotoğrafik durum tesbiti yapılmış ve mevcut yapısal kusurlar kayda alınmıştır.Tarihi önemi bulunan iki adet yapıdaki (Vakıflar Bankası ve Basmane Gar Binası) mevcutçatlaklara da çatlak ölçerler yerleştirilerek çatlak gelişimi izlenmiştir. Kazı süresi boyunca toplam5040 adet yüzey oturması ölçümü yapılmıştır. Bu ölçümlerde kaydedilen maksimum nihai oturmadeğeri 4-21 mm aralığındadır.

Tasman hareketlerinden kaynaklanan, birim ilerleme başına düşen hacim kaybı (K), ölçülenmaksimum tasman değeri için hesaplanacak olursa , (Maksimum oturma değerinin ölçüldüğükesitteki örtü kalınlığı H=8,4 m ve tünel eksen derinliği Zo=H+(D/2)=8,4+3,75=12,15 m’dir.)

• Tasman eğrisinin dönüm noktası [ 5 ] bağıntısı kullanılarak,

mi m

mm

02,75,615,12

25,6392,1

704,0

=

×

×=

• Zemin kaybı ise;

( )1%01,0

5,6

02,7021,0183,32

==×

×=m

mmK

olarak hesaplanır.

Ortalama değerler (Smax=7 mm ve H=9,62m) gözetilecek olursa, dönüm noktası “i” ve zemin kaybı“K” büyüklükleri sırasıyla:

© 4

mi m

mm

52,75,637,13

2392,15,6

704,0

=

×

×=

( )4,0%004,0

5,6

52,7007,0183,32

==×

×=m

mmK

olarak elde edilir. Açıktır ki hesaplanan bu parametre büyük ölçüde uygulanan tünel teknolojisi ileçok yakından ilintilidir. Benzer teknoloji (EPB) ile Nil Nehri Aluvyoner zeminlerinde açılmış olan9,45 m çaplı Kahire Metrosunda anılan büyüklük % 0,77-1,32 aralığında rapor edilmektedir (Mair,1996).

Ayna stabilitesinin bir ölçüsü olarak bilinen zemin stabilite sayısı N [2] bağıntısı kullanılarak, arınbasıncı hesaplanan kesitler için bulunmuştur. Bulunan değerler N=0,69 – 2,84 aralığında olup, budeğerlerin ortalaması Nort= 1,31’dir. Bu değerlerin minimumu “Az akma – Elastik zon” şartlarına,maksimumu ise “Sınırlı akma” şartlarına karşı gelmektedir.

Ölçülen maksimum tasman değerleri ile uygulanan ayna basınçları arasında istatistiksel olarakkorelasyon katsayısı r = 0,993 ile sonuçlanan, negatif eğimli lineer bir ilişki olduğu belirlenmiştir(Şekil-10).

Şekil-10. Arın basıncı ile ölçülen oturma değerleri arasındaki ilişki (Arıoğlu vd., 2002a)

Yukarıda hesaplanan, hacimsel kayıp büyüklüğü “K”, arın stabiltesi sayısı “N” büyüklükleri vearın basıncı-tasman arasında elde edilen istatistiksel ilişki, uygulanan arın basınçlarının tasarımaşamasında hesaplananlar ile belirli uyum içinde olduğu ve yüzey tasmanlarının iyi bir şekildekontrol edildiğini göstermektedir.

© 5

2. SONUÇLARBu çalışma çerçevesinde incelenen konulardan çıkartılabilecek belli başlı sonuçlar şöyleözetlenebilir:• İzmir Metrosunun Konak-Basmane arasındaki bölümü (Şekil-4) şehrin ana trafik arterleri

üzerinde, yoğun yerleşim yapısına sahip, çok katlı yapılar ve alt yapılar bulundurmakta, vetünel geçkisinde kil, silt ve kum-çakıldan oluşan yumuşak zemin koşulları hakimdir.Böylesine zor çevre şartları altında inşaat, EPB tünel metodu tercih edilerek, yüzeyde hiçbirrahatsızlık vermeden kısa zamanda tamamlanmış ve geleneksel inşaat metodlarına göreproje bedelinin % 6’si kadar parasal tasarruf gerçekleştirilmiştir (Çizelge-2).

• Tünel kazısı sırasında, benzeri çapta şildli tünel metodu ile açılmış tüneller içerisinde 30m/gün’lük ilerleme hızı ile rekor kabul edilebilecek bir değer kaydedilmiştir (Çizelge-5).Ümmühan Ana Tüneli ortalama ilerleme hızları, 1. tüpte 8 m/gün iken, tünel deneyimindekiartışa paralel olarak giderek artmış, 2., 3. ve 4. tüplerde sırasıyla 12,5 m/gün, 13,3 m/gün ve19,7 m/gün olarak elde edilmiştir (Şekil-6).

• Tünel kazısı sırasında uygulanan arın basınçları, çökmelerin kontrol edilmesi esasınadayanan hesap basınçlarından ortalama % 15 kadar daha düşüktür (Şekil-9). Ancak budurum, geliştirilen hesap metodunun emniyetli tarafta kaldığına işaret etmektedir.

• Uygulanan arın basınçlarıyla yüzeyde oluşan maksimum tasmanlar etkin bir şekilde kontroledilmiş olup arın basıncı ile yüzey oturması arasında r = 0,993 korelasyon katsayısına sahipnegatif eğimli doğrusal bir ilişki çıkarılmıştır (Şekil-10). Tünel kazısı nedeniyle yüzeydegözlenen maksimum nihai oturma Smaks = 21 mm, hacimsel kayıp ise ortalama K= % 0,4mertebesindedir.

TEŞEKKÜRYazarlar bu çalışmanın yapılmasında gösterdikleri yakın ilgi ve akademik destekleri için Yapı MerkeziHolding A.Ş. Yönetim Kurulu Başkanı Sayın Dr. Müh. Ersin ARIOĞLU’na, Yapı Merkezi Yönetim KuruluMurahhas Üyesi Sayın İnş. Y. Müh. Emre AYKAR’a ve Ağır İnşaatlar Grup Direktörü Sayın İnş. Müh. NaimİŞLİ’ye teşekkür etmeyi görev sayarlar. Çalışmada belirtilen tüm görüş ve değerlendirmeler yazarlarına aitolup Yapı Merkezi ve diğer herhangi kurum ve kuruluşu bağlamaz.

KAYNAKLARAFTES., (2000), “ Choosing Mechanized Tunneling Techniques”, Web:www.aftes.asso.fr/Fichier

PDF/mechanised.pdfArıoğlu, B., Yüksel, A., Kurtuldu S., Arıoğlu, E., (2002a), “NATM, EPBM, and Cut and Cover

Tunelling Applications in the Metro Project of İzmir”, Felsbau, 20 No 4, pp 14-22.Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, E., (2002b), “İzmir Metro Projesinde EPBM Tünel Uygulaması”,

Ulaşımda Yeraltı Kazıları 1. Sempozyumu 1-3 Aralık 1994, Genişletilmiş İkinci Baskı, MadenMühendisleri Odası Yayını, İstanbul .

Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, E., (2002c), “İstanbul-Mevhibe İnönü Tüneli’nde tasman (yüzeyoturması) Eğrisi Dönüm Noktasının Belirlenmesi”, VI.Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu,Seçuk Üniversitesi, Ekim, Isparta.

Arıoğlu, B., Yüksel, A., Arıoğlu, E.(2000), “İzmir Metrosu Nene Hatun Tüneli Üretim Parametreleri veDeğerlendirilmesi”, V. Ulusal Kaya Mekaniği Sempozyumu, Ekim, Isparta s 21-33.

Arıoğlu, B., (2000), “Engineering Achivement at Ummuhan Ana Tunnel”, World TunnelingJanuary/February , pp 37-39.

© 6

Arıoğlu, B., Arıoğlu, Ö. S., Arıoğlu, E., (1999), “İzmir Metrosu EPBM Makinesinin Kazı Performansı”,16. Madencilik Bilimsel ve Teknik Kongresi, Haziran, TMMOB Maden Mühendisleri Odası,Ankara, pp 207-214.

Arıoğlu, S., Ö., (1998) “İzmir Metro Tünel Projesinde Kullanılan Hidrolik Şildli Makina Sistemi Kazı-İksa Performansının İncelenmesi”, Bitirme Ödevi, İTÜ Maden Fakültesi, Maden MühendisliğiBölümü, İstanbul.

Arıoğlu, E., Köylüoğlu, Ö.S., (1996), “İzmir Metrosu TBM Tünel Metodu için Çökme ve Arın BasıncıDeğerlendirmesi”, İç Rapor No:YM/AR-GE/96-3B,Yapı Merkezi, İstanbul.

Arıoğlu Ergin, Arıoğlu Erdem, Odbay, O., (1992), “Sığ ve Orta Derin Yeraltı Mühendislik YapılarınınAçılmasından Kaynaklanan Yüzey Tasmanına ait Parametrelerin Kestirimi”, 4. Zemin Mekaniği veTemel Mühendisliği Kongresi, 22-23 Ekim, İstanbul.

Birön, C., Arıoğlu, E., (1981), “Madenlerde Tahkimat İşleri ve Tasarımı”, Birsen Yayınevi, İstanbul.Boere, W., (2001), “Tunnel Face Stability&New CPT Applications”, Ph D. Thesis, Technisce

Universiteit Delft, Delft Universty Press, Netherlands.Brooms, B.B., Bennermark, H., (1967) “Stability of Clay at Vertical Openings”, ASCE Journal of the

Soil Mechanics and Foundation Division, SM1, pp. 71-44.Carig, R., (2002), “Copenhagen Metro”, World Tuunelling, March, pp. 62-69.Carig, R., (2000), “Under the Elbe to the Port of Hamburg”, World Tunnelling, April, pp. 132-139.Çivi, A., Cengizkan, K., Kurtuldu, S., Tellioğlu, V., Yalçın E., Oğuzhan K., (1998), “İzmir Metrosu Aç

& Kapa Yapıları - Genel Bilgiler ve Projelendirme İlkeleri”, İnşaat Mühendisliği ve TeknolojileriSempozyumu, İnşaat Mühendisleri Odası İzmir Şubesi, Ekim, İzmir.

DAUB., (1997), “ Recommendations for Selecting and Evaluating Tunnel Boring Machines”, AlmanYeraltı İnşaatları Birliği, Tunnel 5/97, Web:http://www.stuva.de/daub/tu9705.pdf

Jancsecz, S., Krause, R., Langmaack L., (1999), “Advantages of Soil Conditioning in SchieldTunnelling, Experiences of LRST Izmir”, Proceedings of The World Tunnel Congress’99OSLO,”Challenges for the 21th Century” Alten et al (eds), Balkema, Rotterdam.

Lüsse, B.C.H., Gipperich, C., Tunnelling Under the Weser”, World Tunneling, October, pp. 368-371Maild, B., Herrenknecht, M., Anheuser, L., (1996), “Mechanised Shield Tunnelling”, Ernst&Sohn,

Berlin.Mair, R.J., (1996), “Settlement Effects of Bored Tunnel”, Session Report, Proceedings of International

Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground,R.J.Mair&R.N.Taylor Eds., London.pp. 45-53

Mair, R.J., (1998), “Geotechnical Aspects of Design Criteria for Bored Tunnelling in Soft Ground”,Tunnels and Metropolises in Soft Ground, Negro Jr. & Ferrira (eds) (1998), Balkema Rotterdam

Milligan, G., (2000), "Lubrication and Soil Conditioning in Tunnelling, Pipe Jacking andMicrotunnelling-The state-of-the-art review,", Web:www-civil.eng. ox.ac.uk/research/pipejack/publications.html, (47 pages).

Mitchell, R.J., (1983), “Earth Structural Engineering”, Allen & Uawin Inc., Boston.Mori, H., Nomoto, T., Matsumoto, M., (1995), “Overview on Ground Movements During the Shield

Tunnelling-A Survey on Japanese Shield Tunnelling”, Underground Construction in Soft Ground,Fujitsa & Kusabeeke (eds), Balkema.

Léca, E., (1989), “Analysis of NATM and Shield Tunnel in Soft Grounds”, PhD Thesis , VirginiaPolytechnic Institute and State University, Blacksburgs USA, 476pgs.

Peck, R.B., (1969), “Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground”, Proceedings 7th InternationalConference Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico, pp. 225-290.

© 7

Rankin, W.J., (1988), “Ground Movements Resulting from Urban Tunnelling; Prediction and Effects”,Conference on Engineering Geology of Underground Movements, Nottingham, pp.79-92.

Sağlamer, A., Yeşilçimen, Ö., (1996 ), “İzmir Hafif Raylı Sistemi km 1+550 – km 3+800 ArasıGeoteknik Veri Raporu”, Cilt1, Rapor No 9210-TR-J058, Yapı Merkezi, İstanbul.

Schmidt, B, (1969),” Settlements and Ground Movements Associated with Tunneling in Soil”, Ph DThesis, Univer.III, Urabana, USA.

Skempton, A., W., MacDonald, D.,H., (1956), “The Allowable Settlement of Buildings”, Proc., Ins., ofCivil Engineers, Part III, 5, pp. 727-784.

Smith, M., (2000), “Madrit Metrosu TBMs Get Underway”, World Tunnelling, April, pp. 397-399.Wallis, S., (1995), Foaming Success at Valencia”, World Tunnelling, October.Yapı Merkezi, (1992), “İstanbul Metrosunda Yeryüzü Hareketlerinin Kestirimi”, Yayınlanmamış Rapor,

Yapı Merkezi, İstanbul.Yapı Merkezi, (1996), “İzmir Metro Ümmühan Ana Tüneli Projesi”, Yapı Merkezi Mühendislik Grubu ,

İstanbul.Yapı Merkezi, (1997a), “Ümmühan Ana Tüneli İnşaat Yapım Yöntemi”, Yapı Merkezi Mühendislik

Grubu, İstanbul.Yapı Merkezi, (1997b), “İzmir Metrosu ve Ümmühan Ana Tüneli Teknik Tanıtımı”, Yapı Merkezi

Mühendislik Grubu, İstanbul.Yapı Merkezi, (1998), “İzmir Metrosu Ümmühan Ana Tüneli 1997-1998 Yılları Saha Kayıtları”, Yapı

Merkezi İzmir Metrosu, 1997-1998, İzmir.

Ninth Turkish Congress on Soil Mechanics and Foundation Engineering21-22 October 2002, University of Anadolu, Eskişehir, Türkiye

APPLICATION OF EARTH PRESSURE BALANCEDMETHOD (EPBM) AT ÜMMÜHAN ANA TUNNEL IN THE

PROJECT OF İZMİR METRO

Başar ARIOĞLU 1, Ali YÜKSEL 2, Ergin ARIOĞLU 3

SUMMARY⋅

İzmir Metro System is planned as a high capacity system covering whole urban area according tomaster transportation plan. The first stage of 11.6 km including backbone system between Üçyoland Halkapınar, workshop, depot area and Bornova branch were successfully constructed by YapıMerkezi-Adtranz Consortium in less than four years. Due to the complex soil conditions, changingtopography and dense urbanization, EPB tunneling techniques were applied between Konak andBasmane Stations. This paper involves the results and evaluations of these applications. 1 Dipl. Civ. Eng., General Manager, Yapı Merkezi Cons.&Ind. Inc., 81180 Çamlıca-İstanbul2 Dipl. Min. Eng., Heavy Construction Group ,Yapı Merkezi Cons.&Ind. Inc., 81180 Çamlıca-İstanbul3 Prof. Dr. Eng., Research & Development Dept. ,Yapı Merkezi Cons.&Ind. Inc., 81180 Çamlıca-İstanbul

yildiz teknİk...

Documents