TÜNELLERDE OLUŞAN HAREKETLERİN FARKLI ÖLÇÜ YÖNTEMLERİ VE SONLU ELEMANLAR ... · 2005-11-28 · Tünellerde Oluşan Hareketlerin Farklı Ölçü Yöntemleri ve Sonlu Elemanlar

Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası, Mühendislik Ölçmeleri STB Komisyonu 2. Mühendislik Ölçmeleri Sempozyumu 23-25 Kasım 2005, İTÜ – İstanbul 51

TÜNELLERDE OLUŞAN HAREKETLERİN FARKLI ÖLÇÜ YÖNTEMLERİ VE SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE BELİRLENMESİ

M.YALÇINKAYA1, B. SATIR1

1Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Bölümü, Jeodezi Anabilim Dalı, 61080 Trabzon, [email protected], [email protected]

Özet Jeodezik ölçmelerin uygulama alanlarından biri de mühendislik yapılarında meydana gelen şekil ve konum değişimlerinin belirlenmesidir. Baraj, köprü, tünel, viyadük, kule gibi mühendislik yapılarında ve bu yapıların çevrelerinde geçici ya da kalıcı özellikte etkiler meydana gelmektedir. Genellikle bu etkiler zeminin fiziksel özelliklerinden, yapının mevcut ağırlığından, hareketli dış yüklerden ve benzeri etkilerden oluşmaktadır. Bunun sonucunda da yapıda ve çevresinde deformasyonlar gözlenmektedir. Mühendislik yapıları maliyet olarak yüksek ve kullanım açısından da büyük önem taşıdıklarından bu yapıların sosyo-ekonomik açıdan izlenmesi çok gereklidir.

Karayolu, metro gibi ulaşım yollarında topoğrafik yapının engebeli olduğu arazilerde geçişler çoğunlukla tünellerle sağlanmaktadır. Ülkemizin özellikle de Doğu Karadeniz Bölgesinin dağlık bir topografyaya sahip olması, yol yapım çalışmalarında tünellerin sıkça kullanılmasını gerektirmektedir. Bu çalışmada, Doğu Karadeniz Bölgesinde yapılmakta olan otoyol üzerinde bulunan “Trabzon 2” tünelinde oluşan deformasyonların jeodezik, jeoteknik ve sonlu elemanlar metodu gibi farklı yöntemlerle belirlenmesi amaçlanmıştır. Böylece farklı yöntemlerden belirlenen sonuçlar irdelenerek deformasyonlar daha gerçekçi yorumlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Deformasyon, Tünel, Jeodezik ve Geoteknik Yöntemler, Sonlu Elemanlar Yöntemi Abstract That shape and position changes occurred in the engineering buildings is determined is one of the practice lands of geodetic surveys. Effects which are temporary or permanent property occur in the engineering buildings such as dam, bridge, tunnel, viaduct and tower. Usually, these effects are formed from physical property of the grounds, weight of the build, active outside weight and similar effects. Deformations are experiment build and around at the end of this process. As cost of engineering buildings is high and in view of the use this builds carry importance, the monitoring of this build is very necessary at the socioeconomic vision.

Passing is provided with tunnels on the roads such as highway, underground on the topographical builds which are uneven lands. That our country, especially East Karadeniz Region, has a mountainous topography needs often tunnels in the making of roads. In this study, it is aimed that deformations formed in the Trabzo -2 tunnel which is build on the main roads of East Karadeniz Region are determined with different methods such as geodetic, geotechnical and the finite element method. Thus, conclusions determined different methods are examined and deformations are more realistic interpreted. Keywords: Deformation, Tunnel, Geodetic and Geotechnical Methods, The Finite Element Method

Tünellerde Oluşan Hareketlerin Farklı Ölçü Yöntemleri ve Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Belirlenmesi


1.Giriş Baraj, tünel, köprü, kule, endüstri binaları gibi büyük mühendislik yapıları ve çevrelerinde oluşan hareketler, deformasyon ölçüleri ile izlenmesi gerekir. Böylece oluşan deformasyona göre zamanında önlem alınarak, sosyo-ekonomik zararların önüne geçilmiş olunur. Engebeli topoğrafyaya sahip yerlerde yol geçişlerinin yapıldığı tünellerin, inşaatları aşamasında izlenmeye başlanarak oluşan hareketler, hareketlerin yönü ve hızının belirlenmesi gerekir. Böylece gerekli önlemler önceden alınarak hem ekonomimize hem de sosyal çevreye yarar sağlanır. Bu çalışmada, dağlık bir topoğrafyaya sahip olan Doğu Karadeniz Bölgesinde Devlet Karayolu üzerinde inşa edilen tünellerden Trabzon şehir içi ve Karadeniz Sahil Yolunun geçişini sağlayan 2. tünelin yapımı süresince oluşan deformasyonların belirlenmesi amaçlanmıştır. Deformasyonların gerçeğe uygun olarak belirlenmesi ve yorumlanması kullanılan deformasyon modelleri, ölçü yöntemleri ve ölçü araçlarına bağlıdır. Bu bağlamda, çalışmada deformasyonlar jeodezik, geoteknik ölçülerle ve sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmiş ve sonuçlar irdelenmiştir. 2. Karadeniz Sahil Devlet Yolu Trabzon Şehir Geçişi 2. Tüneli Trabzon sahil caddesi, önemli bir şehir içi ulaşım arteri ve caddesi konumunda bulunmakla birlikte, aynı zamanda, Karadeniz Sahil Yolunun şehir içinden geçen bölümünü oluşturmakta ve böylece şehirlerarası ulaşım fonksiyonunu da karşılamaktadır. Halen şehir içindeki önemli bir kısmı bölünmüş yol durumunda olan cadde, tünelin yapıldığı yerde tek bir tünel tübü olması nedeniyle zorunlu olarak bölünmemiş iki şeritli yol durumuna düşmektedir. Böylece sözü geçen tünel noktasını, trafiğin boğulduğu ve sıkışıklıkların oluştuğu bir darboğaz haline getirmektedir. Karayolları Trabzon Bölge Müdürlüğü’nce söz konusu dar boğazın giderilmesi amacıyla mevcut tünelin güneyinde ve hemen yanında ikinci bir tünel açılması planlanmıştır. Bu tünel, 0+542.500 ile 0+670.870 km’leri arasında bulunmaktadır. Tünelin yapıldığı yerde yoğun yapılaşmanın bulunması, tarihi eserlerin olması, karayolu-köprülü geçişlerinin yer alması, topoğrafik koşullar ve hat geometrisi dolayısıyla tünelin açılması önem kazanmıştır. Tünelin içerisinde yer aldığı zemin zayıf-çok zayıf kaya biçiminde olduğundan, tünelin açılmasında yavaş kazı olarak nitelendirilen ve su altı tünelciliğinde uygulanan “Shield Tunnelling” metodu uygulanmıştır (Domaniç, v.d., 2005; Jancsecz v.d., 1999; Leca, 1989) (Şekil 1).

Şekil 1. Karadeniz Sahil Devlet Yolu (KSDY) Trabzon Şehir Geçişi 2. Tüneli



Tünel, Yeni Avusturya Tünel Açma Metodu ile açılmış olup, tünelin çok kısa boyu da göz önüne alındığında, önce tüm tünel boyunca üst yarı kazısının tamamlanması ve daha sonra alt yarıya geçilmesi planlanıp iki kademeli kazı yaklaşımı benimsenmiştir. Yeni Avusturya Tünel Açma Metodu kısaca kazı bölgesi civarında, üç boyutta gerilme dağılımını kontrol altına almak, kazı sırasında oluşan “gevşeme ve deformasyonların minimize” edilmesi, “kayaç-zemin dayanımının korunması” olarak açıklanabilir. Belirtilen koşulların yerine getirilmesi için kazıdan hemen sonra erken taşıyıcılık sağlayabilecek (P.Beton+Çelik Hasır+Çelik Kafes İksa+Kaya Bulonu) ve çevre ortamı ile birlikte çalışacak taşıyıcı iksa sistemi oluşturmak, kazı faaliyetleri sırasında ve sonrasında oluşan tünel içi deformasyonların ve yüzey hareketlerinin devamlı ölçülmesi ve değerlendirilmesi gerekli olmaktadır. Diğer yandan varsa, yüzeyde bina, karayolu ve köprü gibi hassas yapılarda oluşacak deformasyonların ve oluşabilecek yapı hasarlarının ölçülmesi ve izlenmesi gereklidir (Rabcewicz, 1964; Sauer 1990; Arıoğlu v.d., 2002a). 3. Tünel Deformasyonlarının İzlenmesinde Kullanılan Ölçüler Tünellerde deformasyonun hızı fazla olduğundan inşaat aşamasından başlayarak geoteknik ve jeodezik deformasyon ölçülerinin yapılması gerekir. Böylece tünel ve çevresinde oluşacak yatay ve düşey deformasyonların gerçeğe uygun belirlenerek gerekli önlemler önceden alınması sağlanır. 3.1. Jeodezik Ölçmeler Kazı kademelerini takiben, tünelde çeşitli aralıklarla belirlenen istasyonların tavan, taban ve yan duvarlarına tesis edilecek obje noktalarının (deformasyon noktalarının) 3 boyutlu koordinatları elektronik aletle ölçülür (Şekil.2).

Şekil 2. Tünel obje noktaları ve elektronik aletle yapılan ölçüler Tavan, taban ve yan duvarlara tesis edilen obje noktalarının koordinatları, belirlenen sıklıktaki ölçü zamanlarında ölçülür. Çeşitli periyotlarda ölçülmüş koordinatlar yardımıyla oluşan yer değiştirmeler belirlenir (Niemeier 1981; Welsch 1985). Karadeniz Sahil Devlet Yolu (KSDY) Trabzon Şehir Geçişi 2. Tünelinde 6 m aralıklarla 5 istasyon belirlenmiştir. Bu kesitler üzerinde tavan ve yan duvarlara obje noktaları tesis edilmiştir (Şekil 2). Bu noktaların koordinatları, elektronik aletle 2005 yılının Şubat, Mart, Nisan aylarında yapılan periyodik ölçülerle belirlenmiştir (Tablo-1).



Tablo 1. İstasyonlarda yapılan jeodezik ölçü periyotları

Jeodezik Ölçü Periyotları İstasyon No Ay Gün

Toplam Periyot Sayısı

Şubat 23, 24, 25, 26, 27, 28

Mart 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 11, 13, 17, 19, 21, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 I Nisan 1, 2, 3, 4, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30

40

Şubat 25, 26, 27, 28 Mart 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 11, 13, 17, 19, 21, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 II Nisan 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30

42

Şubat 28 Mart 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 11, 13, 17, 19, 21, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 III Nisan 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30

39

Mart 5, 7, 9, 11, 13, 17, 19, 21, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 IV Nisan 1, 2, 3, 4, 14, 16, 18, 20,22, 24, 26, 28, 30 27

Mart 17, 19, 21, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 V Nisan 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20,22, 24 25

Tüm istasyonda belirlenen koordinatlar ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Her istasyonda, ölçü periyotu ile bir önceki periyot arasında koordinatların farkları alınmıştır. Koordinat farklarından nokta hareketini gösteren vektör,

2i

2i

2ii dzdydxd ++= (1)

eşitliğinden hesaplanmıştır. Deformasyon vektörünün anlamlı olup olmadığını belirlemek için test büyüklükleri, md, d vektörünün ortalama hatası olmak üzere,

d

ii m

dT = (2)

eşitliğinden hesaplanıp, t-tablo değeriyle karşılaştırılmıştır. 975.0,fi tT > ise noktanın geçen süre içerisinde hareket ettiğine karar verilmiştir (Welsch 1981; Niemeier 1985). Tüm istasyonlar için deformasyon analizi yapılmıştır. Örnek olarak I. İstasyonun noktaları için deformasyon analiz sonuçları verilmiştir (Tablo 2, 3, 4).



Tablo 2. I. İstasyonun sol yan duvarındaki noktanın deformasyon analiz sonuçları

Nokta No Periyot

Farkları dxi=xt2-xtt1

(mm) dyi=yt2-ytt1

(mm) dzi=zt2-ztt1

(mm) di

(mm) Ti

(tf,0.975=1,98) KARAR

2 (Sol Yan)

t(24.02 -23.02) t(25.02 -24.02)

t(26.02 -25.02) t(27.02 -26.02) t(28.02 -27.02)

t(01.03 -28.02) t(02.03 -01.03)

t(03.03 -02.03) t(04.03 -03.03)

t(05.03 -04.03) t(07.03 -05.03) t(09.03 -07.03)

t(11.03 -09.03) t(13.03 -11.03) t(15.03 -13.03)

t(17.03 -15.03) t(19.03 -17.03) t(21.03 -19.03)

t(23.03 -21.03) t(25.03 -23.03) t(26.03 -25.03)

t(27.03 -26.03) t(28.03 -27.03) t(29.03 -28.03)

t(30.03 -29.03) t(31.03 -30.03) t(01.04 -31.03)

t(02.04 -01.04) t(03.04-02.04) t(04.04-03.04)

t(14.04-04.04) t(16.04 -14.04) t(18.04 -16.04)

t(20.04 -18.04) t(22.04 -20.04) t(24.04 -22.04) t(26.04 -24.04)

t(28.04 -26.04)

t(30.04 -28.04)

-2,0 -1,0 2,0 -2,0 0,0 -1,0 1,0 -1,0 1,0 -2,0 1,0 -1,0 1,0 -1,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 1,0 -1,0 0,0 1,0 0,0 0,0 1,0 0,0 -2,0 0,0 1,0 -2,0 0,0 1,0 0,0 1,0 -1,0

2,0 1,0 1,0 -1,0 1,0 -1,0 1,0 3,0 2,0 2,0 1,0 -1,0 0,0 -1,0 0,0 -1,0 1,0 -1,0 0,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 1,0 -1,0 1,0 0,0 0,0 -2,0 0,0 2,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 2,0 0,0 2,0 2,0

-1,0 -1,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 -1,0 -1,0 -1,0 -2,0 -1,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 -1,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 -2,0 -2,0 1,0 -1,0 -2,0 0,0 -2,0

3,00 1,73 2,45 2,23 1,00 1,73 1,73 3,32 2,45 3,46 1,73 1,73 1,00 1,41 0,00 1,73 1,73 1,00 0,00 1,73 0,00 0,00 1,73 1,73 1,00 1,73 0,00 0,00 2,45 0,00 2,82 0,00 2,45 3,00 1,00 2,45 2,00 2,24 3,00

2,22 1,28 1,81 1,65 0,74 1,28 1,28 2,46 1,81 2,57 1,28 1,28 0,74 1,05 0,00 1,28 1,28 0,74 0,00 1,28 0,00 0,00 1,28 1,28 0,74 1,28 0,00 0,00 1,81 0,00 2,10 0,00 1,81 2,22 0,74 1,81 1,48 1,65 2,22

2 nolu noktada koyu renkle gösterilen ölçü periyotları arasında geçen zaman içinde anlamlı hareket oluşmuştur.



Tablo 3. I. İstasyonun tavanındaki noktanın deformasyon analiz sonuçları

Nokta

No Periyot Farkları

dxi=xt2-xtt1 (mm)

dyi=yt2-ytt1 (mm)

dzi=zt2-ztt1 (mm)

di (mm)

Ti (tf,0.975=1,98)

KARAR

3 (Tavan)

t(24.02 -23.02) t(25.02 -24.02)

t(26.02 -25.02) t(27.02 -26.02) t(28.02 -27.02)

t(01.03 -28.02) t(02.03 -01.03)

t(03.03 -02.03) t(04.03 -03.03)

t(05.03 -04.03) t(07.03 -05.03) t(09.03 -07.03)

t(11.03 -09.03) t(13.03 -11.03) t(15.03 -13.03)

t(17.03 -15.03) t(19.03 -17.03) t(21.03 -19.03)

t(23.03 -21.03) t(25.03 -23.03) t(26.03 -25.03)

t(27.03 -26.03) t(28.03 -27.03) t(29.03 -28.03)

t(30.03 -29.03) t(31.03 -30.03) t(01.04 -31.03)

t(02.04 -01.04) t(03.04-02.04) t(04.04-03.04)

t(14.04-04.04) t(16.04 -14.04) t(18.04 -16.04) t(20.04 -18.04)

t(22.04 -20.04) t(24.04 -22.04) t(26.04 -24.04)

t(28.04 -26.04) t(30.04 -28.04)

-1,0 -1,0 2,0 -1,0 -1,0 1,0 -1,0 -1,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 -1,0 1,0 -1,0 0,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 1,0 -2,0 1,0 1,0 -2,0 -1,0

1,0 -1,0 1,0 2,0 -1,0 1,0 -1,0 2,0 2,0 2,0 -1,0 1,0 0,0 -1,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 1,0 -1,0 0,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 1,0

-3,0 0,0 -3,0 -2,0 0,0 -1,0 -1,0 -4,0 -2,0 2,0 -1,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 -1,0 0,0 -1,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 -1,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 -2,0 0,0 -1,0 1,0 -1,0 -1,0 -1,0 0,0 -2,0

3,31 1,41 3,74 3,00 1,41 1,73 1,73 4,58 3,00 2,83 1,41 1,41 0,00 1,41 0,00 1,73 1,73 1,00 1,00 1,73 0,00 0,00 1,73 1,73 0,00 1,00 1,00 0,00 1,73 0,00 2,00 0,00 1,73 1,73 2,44 1,73 1,41 2,24 2,45

2,45 1,05 2,77 2,22 1,04 1,28 1,28 3,39 2,22 2,10 1,05 1,05 0,00 1,05 0,00 1,28 1,28 0,74 0,74 1,28 0,00 0,00 1,28 1,28 0,00 0,74 0,74 0,00 1,28 0,00 1,48 0,00 1,28 1,28 1,81 1,28 1,05 1,66 1,81




Tablo 4. I. İstasyonun sağ yan duvarındaki noktanın deformasyon analiz sonuçları

Nokta No Periyot

Farkları dxi=xt2-xtt1

(mm) dyi=yt2-ytt1

(mm) dzi=zt2-ztt1

(mm) di

(mm) Ti

(tf,0.975=1,98) KARAR

4 (Sağ Yan)

t(24.02 -23.02) t(25.02 -24.02)

t(26.02 -25.02)

t(27.02 -26.02) t(28.02 -27.02) t(01.03 -28.02) t(02.03 -01.03)

t(03.03 -02.03) t(04.03 -03.03) t(05.03 -04.03) t(07.03 -05.03) t(09.03 -07.03)

t(11.03 -09.03) t(13.03 -11.03) t(15.03 -13.03)

t(17.03 -15.03) t(19.03 -17.03) t(21.03 -19.03)

t(23.03 -21.03) t(25.03 -23.03) t(26.03 -25.03)

t(27.03 -26.03) t(28.03 -27.03) t(29.03 -28.03)

t(30.03 -29.03) t(31.03 -30.03) t(01.04 -31.03)

t(02.04 -01.04) t(03.04-02.04) t(04.04-03.04)

t(14.04-04.04) t(16.04 -14.04) t(18.04 -16.04) t(20.04 -18.04)

t(22.04 -20.04) t(24.04 -22.04) t(26.04 -24.04)

t(28.04 -26.04) t(30.04 -28.04)

0,0 -1,0 1,0 -2,0 -2,0 -1,0 1,0 -2,0 -2,0 -2,0 1,0 -1,0 1,0 -1,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 1,0 -1,0 0,0 1,0 -1,0 0,0 1,0 0,0 -1,0 0,0

1,0 -1,0 2,0 -2,0 1,0 -1,0 1,0 -3,0 -3,0 -1,0 1,0 -1,0 0,0 -1,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 1,0 0,0 -1,0 0,0 1,0 -1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 -2,0

-1,0 0,0 -1,0 -2,0 -2,0 2,0 -2,0 -2,0 -1,0 -1,0 -1,0 -1,0 -1,0 -1,0 0,0 -1,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 -1,0 0,0 -2,0 0,0 -1,0 -1,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 -1,0

1,41 1,41 2,45 3,46 3,00 2,45 2,45 4,12 3,74 2,45 1,73 1,73 1,41 1,73 0,00 1,73 1,73 0,00 1,00 1,73 0,00 0,00 1,73 1,41 0,00 0,00 1,00 1,41 1,41 1,00 2,45 0,00 1,73 1,73 1,00 1,73 0,00 1,00 2,24

1,05 1,05 1,81 2,57 2,22 1,81 1,81 3,05 32,77 1,81 1,28 1,28 1,05 1,28 0,00 1,28 1,28 0,00 0,74 1,28 0,00 0,00 1,28 1,04 0,00 0,00 0,74 1,05 1,05 0,74 1,81 0,00 1,28 1,28 0,74 1,28 0,00 0,74 1,66


Tablo 2, 3 ve 4 incelendiğinde, sol yan duvarda bulunan 2 numaralı noktada y yönünde (+) ve x yönünde (-) ve sağ yan duvarda bulunan 4 numaralı noktada da y yönünde (-) ve x yönünde de (-) hareket olduğu görülmektedir. Bu iki nokta ve tavanda bulunan 3 numaralı noktada düşey yönde çökme şeklinde hareket olduğu belirlenmiştir. Bu durum diğer istasyonlarda da benzer biçimde saptanmıştır. 3.2. Geoteknik Ölçmeler Geoteknik ölçmeler, zemin özellikleri tam kestirilemeyen ve derin kazı gerektiren inşaatlarda zemin mekaniğinin belirtilmesinde, yapı malzemelerinde temellerin ilettiği yapı yükünü taşıyan desteklerin incelenmesinde kullanılır. Tünel inşaatlarında yüzeyde ve tünel içinde;

• Yüzey oturması (tasman) ölçümleri • Tünel içi deformasyon (konverjans) ölçümleri • Ekstansometre ve inklinometre ölçümleri • Tünel içinde radyal ve teğetsel basınç hücreleri, yerleştirme ve ölçme



• Ayna jeolojik haritası ve jeomekanik büyüklüklerin belirlenmesi

gibi geoteknik ölçüler yapılmaktadır (Arıoğlu v.d., 1994; Arıoğlu v.d., 2002b; Chrazanowski, v.d., 1986). KSDY Trabzon Şehir Geçişi 2. Tünelinde, zeminin basınç dayanımını belirleme araştırmaları ve inklinometre ölçümleri yapılmıştır.

• Zeminin Basınç Dayanımının Araştırılması Yapılan çalışma sonucunda, KSDY Trabzon şehir geçişi 2. tünelinin güzergahı boyunca genel olarak Eosen yaşlı Kabaköy Formasyonuna ait zayıf-çok zayıf dayanımlı Aglomera ve Tüf birimleri yer aldığı belirlenmiştir. Aglomeralar tüf ile ardalanmalı, hamur malzemesi tüften oluşan çok ayrışmış, ezik zonlu, su ile temasta dağılabilir kumtaşı, çakıltaşı görünümündedir. Sondaj çalışmalarında ara seviyelerde kireçtaşı mercekleri içerdiği tespit edilmiştir. Tüfler genel olarak sarımsı renkleri, çok fazla ayrışmış, su ile temasta ufalanabilir ölçüde zayıf-çok zayıf dayanımlıdır (c=0,35 MPa, Ø=25°). Yer yer 10°-11° kuzeye eğimli ezik zonlar içermektedir. Tüfler yatay tabakalı olup, tabakalar arasında kil dolgular bulunmaktadır. Temel güzergahı boyunca yapılan jeolojik-geoteknik incelemeler, sondaj ve laboratuar sonuçlarına göre tünel kayasının geomekanik tanımları Tablo 5’te verilmiştir.

Tablo 5. Kayanın basınç dayanım değerleri

RQD (Rock Quality Designation) Q (Rock Quality Index) RMR (Rock Mass Roting) Ø (Friction cone) C (Chosion) Geçirimlilik NATM Kaya Sınıfı

< 25 0,2 - 0,3 21 ≤ RMR ≤ 40 23°-25° 0,30 – 0,35 MPa Orta geçirimli C2 – C3

Tünel Kazısı sırasında tamamen kazıcı makinelerle ayna kazısı tamamlanmış olup, tünel kesitine başlangıçta yaklaşık 4 lt/dk su gelişi gerçekleşmiştir. Tünel kazısı çelik donatı destekli invert kazılı, çelik lifli püskürtme beton (ds=60–65 cm), H-200 çelik profil radyal sistematik bulonlama şeklinde destekleme ile sağlanmıştır. • İnklinometre Ölçümleri İnklinometre aleti, arazide açılmış deliklerin eksenlerinden düşey sapmalarını ölçmek için kullanılır. Ölçülen sapmalar, trigonometrik fonksiyonlarla ifade edilebilecek hale dönüştürülebilirler (Hill 2002). Bu alet, bir kontrol kutusu ve bir kabloya bağlı olarak esnek bir boru içerisinde deliğe indirilen probedan oluşur. Probelar genellikle içerisine 90° lik arayla yerleştirilmiş 4 adet yiv bulunduran esnek dairesel borular gerektirirler. Probedaki elektriksel çıkış kontrol kutusuna bağlı bulunmaktadır ve yapılan ölçümleri görsel verilere, grafik formlara dönüştürürler (Şekil. 3).



Şekil 3. İnklinometrenin kuruluşu ve ölçümü İnklinometre borusu, hareket beklenen bölge ile kesişen dike yakın bir deliğe kurulur. Açılan delik, hareket beklenmeyen bölge içerisinde (zemin veya kaya ortamı olabilir) hareket beklenen bölgenin 4.5 m ilerisine kadar uzatılmalıdır. İnklinometre boruları, 3.0 m uzunluğunda, plastik olarak kullanılırlar. Yivlerin dipten tepeye kadar aynı düşeyde kalmaları için kullanılan kılavuz sağa ve sola döndürülerek kurma işlemi tamamlanır. İnklinometre Borusunun kurulduğu andaki pozisyonuna göre, bütün deplasmanların hesaplanmasına kadar, en az iki ayrı set halinde yapılacak olan ölçümlere göre borunun ilk konumunun doğruluğu kanıtlanmalıdır. İlk ölçümler yapıldığında borunun tepesi, zemin yüzeyinde, hareket beklenen bölgenin dışında bir noktaya yönlenmiş olmalıdır. Ölçümlerin sıklığı çeşitli nedenlere bağlıdır, en önemli neden hareketin oranıdır. KSDY Trabzon Şehir Geçişi 2. Tünelinde yaklaşım yolu kazısı sırasında ve sonrasında oluşacak deformasyon miktarı ve derinliğini ölçmek amacıyla Km:0+519’a inklinometre-1 borusu ve Km:0+513’e inklinometre-2 borusu yerleştirilmiştir. Ocak 2004 tarihinden başlayarak periyodik olarak Slope Indicator aletiyle ölçümler yapılıp bilgisayara kaydedilmiştir (Şekil 4).

İnklinometre-1 borusu

İnklinometre aleti İnklinometre-2 borusu

Şekil 4. Tünelde tesis edilen inklinometre boruları ve aleti

Ölçüm sonuçları bilgisayar ortamında grafiğe dökülerek oluşan hareketler belirlenmiştir. inklinometre-1 ve inklinometre-2 borularında periyodik olarak yapılan ölçülerden elde edilen grafikler yaklaşık olarak aynı bulunmuştur. Örnek olarak, Mart 2005’de yapılan ölçülerden belirlenen hareketlerinin zamanla değişim grafiği verilmiştir (Şekil 5).



Cumulative Displacement (mm) Cumulative Displacement (mm) Cumulative Displacement (mm) Cumulative Displacement (mm)

Şekil 5. İnklinometre-1 ve inklinometre-2 borularında belirlenen deplasmanlar Şekil 5 incelendiğinde, en fazla deformasyon miktarının yaklaşık 4-5 mm olduğu görülmektedir. Ankrajlı geçici iksa sistemlerinde izin verilen yatay deformasyonun sınır değeri 10 mm olduğundan, belirlenen deformasyonun değerlerinin sınır değerini aşmadığı görülmüştür. 4. Sonlu Elemanlar Yöntemi Sonlu elemanlar yönteminin temel yaklaşımı; sıcaklık, basınç, gerilme veya deplasman gibi herhangi bir sürekli büyüklüğün küçük ve sürekli parçaların birleşmesi ile oluşan bir modele dönüştürülmesidir. Sonlu elemanlar yönteminde yapı, davranışı daha önce belirlenmiş olan bir çok elemana bölünür. Elemanlar "düğüm" adı verilen noktalarda tekrar birleştirilirlerek denklem takımları elde edilir. Elemanlar uygun biçimde seçilmeli ve problemin yapısına uygun olarak yerleştirilmelidir. Değişkenin ani değişim gösterdiği yerlerde elemanlar küçük seçilmelidir. Uygun elemanlar seçmek kadar bu elemanları ve onların düğüm noktalarını uygun numaralamak ta önemlidir. Sonlu elemanlara ayırma işleminden sonra, ifade edilmek istenen büyüklüğün bölge içerisinde değişimini gösteren bir enterpolasyon fonksiyonu belirlenir. Fonksiyon gerçeğe ne kadar yakın seçilirse çözümdeki yaklaşıklıkta o kadar iyi olur (Clough, 1960; Hinton v.d., 1977; Hillier v.d., 1965; Zienkiewicz v.d., 1983; Segrlind, 1984; Muaveni, 2003). KSDY Trabzon Şehir Geçişi 2. Tünelinde sonlu elemanlar yöntemiyle deformasyon belirleme çalışmaları yapılmıştır. Bu amaçla öncelikle tünel 674 elemana bölünmüş ve 841 düğüm noktası belirlenmiştir. Numaralamalar saat ibresi yönünde yapılmış ve özet olarak Şekil 7’de verilmiştir.



Şekil 7. KSDY Trabzon Şehir Geçişi 2. Tünelinde sonlu elemanlar yöntemi için oluşturulan elemanlar

Düğüm noktalarının yatay koordinatları Netcad programında belirlenmiş. Bu koordinatlardan yararlanarak Sab90 bilgisayar programında tünelin geometrisi oluşturulmuştur. Malzeme özellikleri dikkate alınarak tünelin deformasyonları, tünele etki eden yatay ve düşey yükler dikkate alınarak sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmiştir (Şekil 8). Şekilde görüldüğü gibi tünelin tavan kısmında çökme, yan duvarlarda da yatay hareketler oluşmuştur.

Kendi ağırlığında

Dış yükler altında

Şekil 8. Sonlu elemanlar yöntemiyle tünelin dış yükler altındaki deformasyonu

5. Sonuç ve Öneriler KDSY Trabzon Şehir Geçişi 2. Tünelinde gerçekçi deformasyonları belirlemek amacıyla, geoteknik, jeodezik ölçüler ve sonlu elemanlar metodu kullanılarak deformasyon belirleme çalışması yapılmıştır. Geoteknik incelemeler sonucunda tünelin zemin yapısı zayıf-çok zayıf olarak belirlenmiştir. Bu bilgiler ışığında, tünelin hareket beklenmeyen bölümlerinde inklinometre ölçülerini yapmak için iki inklinometre borusu yerleştirilmiştir. Bu borularda çeşitli periyotlarda yapılan inklinometre ölçüleri ile yaklaşık 4-5 mm deformasyon belirlenmiştir.



Jeodezik ölçüleri yapmak için tünel içerisinde beş istasyon belirlenmiştir. Her istasyonun tavanında 1 ve yan duvarlarında 1’er olmak üzere 3 obje noktası tesis edilmiştir. Tünel içinde tesis edilmiş olan 15 jeodezik noktanın koordinatları elektronik aletle çeşitli periyotlarda I. İstasyonda 40, II. İstasyonda 42, III. İstasyonda 39, IV. İstasyonda 27 ve V. İstasyonda 25 kez ölçülmüştür. Bu koordinatlarla yapılan istatistik analiz sonucunda, genelde tüm istasyonlarda, sol yan duvarda bulunan noktalarda y yönünde (+) ve x yönünde (-) ve sağ yan duvarda bulunan noktalarda da y yönünde (-) ve x yönünde (-) hareket olduğu gözlenmiştir. Yan duvarlardaki noktalarda yaklaşık düşeyde 2-3 mm çökme ve yatayda da 3-4 mm hareket; tavanda ise düşeyde 3-4 mm çökme ve yatayda 1-2 mm hareket olduğu gözlenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemiyle deformasyonları belirlemek amacıyla, tünel 674 elemana ve 841 düğüm noktasına ayrılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemiyle, tünelin dış yükler dikkate alınarak deformasyonları belirlenmiştir. Dış yükler dikkate alındığında tünelin tavan kısmında yaklaşık 8 mm çökme, yan duvarlarda eksene doğru yaklaşık 2-3 mm hareket olduğu gözlenmiştir. Görüldüğü gibi jeodezik ölçüler, inklinometre ölçüleri ve sonlu elemanlar metodu ile belirlenen deformasyonlar uyumlu bulunmuştur. Bu üç yöntem sonuçları karşılaştırılarak daha gerçekçi yorumlama yapılabilmiştir. Jeodezik ve geoteknik yöntemlerin yanı sıra sonlu eleman metodunun kullanılması yararlı olmuştur. Çünkü sonlu eleman metodu, çok yönlülük ve esnekliği karmaşık yapılarda, sürekli ortam, alan ve diğer problemlerde sebep sonuç ilişkilerini hesaplamak için çok etkin bir şekilde kullanılabilmesi nedeniyle, analitik ve deneysel metotlardan daha hassas sonuç vermektedir. Büyük mühendislik yapılarında deformasyonların belirlenmesi için jeodezik, geoteknik ve sonlu elemanlar yönteminin birlikte kullanılması önerilir. Böylece deformasyonların daha gerçekçi yorumlamaları yapılarak önlemlerin zamanında alınması sağlanır. Kaynaklar Arıoğlu, B., Yüksel, A., Ünlütepe, A. ve Arıoğlu E., (1994). İncirli-M.İnönü Tünelinde Uygulanan Geoteknik Ölçümler ve Değerlendirmesi, Ulaşımda Yeraltı Kazıları 1. Sempozyumu, TMMOB Maden Mühendisleri Odası, İstanbul. Arıoğlu, B., Yüksel, A., Kurtuldu, S. ve Arıoğlu, E., (2002a). İzmir Metro projesinde Yeni Avusturya Tünel Açma Metodu Uygulamaları, Yapı Dünyası, 73, 35-49, İstanbul. Arıoğlu, B., Yüksel, A. ve Arıoğlu, E., (2002b). İzmir Metro Projesi Nene Hatun Tünelindeki Geoteknik Çalışmalar ve Değerlendirilmesi, ECAS 2002 Uluslararası Yapı ve Deprem Mühendisliği Sempozyumu, ODTÜ, Ankara. Chrazanowski, A., Chen, Y., Romero, P. ve Secord, J. M., (1986). Integration of geodetic and geotechnical deformation measurements in the geosciences, Tectonophysics, 130, 369-383. Clough, R. W., (1960). The Finite Element Method İn Plane Stress Analysis, Proceedings of American Society of Civil Engineers, 2nd Conference on Elelctronic Compitations, 23, 345-378, USA. Domaniç, Y. ve Karahan, E., eds. (2005). Karadeniz Sahil Devlet Yolu Trabzon Şehir Geçişi 2. Tünel Etüt Proje Mühendislik Hizmetleri İşi Kesin Proje Raporu, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Karayolları 10. Bölge Müdürlüğü, Ankara. Hill, C. D. ve Sippel, K.D. (2002). Modern Deformation Monitoring: A Multi Sensor Approach, Proc. of 12th FIG Int. Symp. Deformation Measurements, Washington, DC, USA.



Hillier, F.S. ve Lieberman, G.J., (1995). Introduction to operations Research, 6th ed. New York. Hınton, E. ve Owen, D.R.J., (1977). Finite Element Programming, Academic Pres, London. Jancsecz, S., Krause, R. ve Langmack, L., (1999). Advantages of Soil Conditioning İn Shield Tunnelling Expriences of LRST İzmir, Proceeding of The World Tunnel Congress’99 OSLO “Challenges for The 21th Century” Alten et al (eds), Balkema, Rotterdam Leca, E., (1989), Analysis of NATM and Shield Tunnel in Soft Grounds, PhD Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburgs, USA. Moaveni, S., (2003). Finite Element Analysis, Pearson Education, New Jersey. Niemeier, W., (1981). Statistical Tests for Detecting Movements in Repeatedly Measured Geodetic Networks, Tectonphysics, 71, 335-351. Niemeier, W., (1985). Deformationsanalyse, In: Geodatische Netze In Landes- Und Ingenieurvermessung Ii, Kondrad Wittwer, 559-623, Germany. Koch, K.R. (1999). Parameter Estimation and Hypothesis Testing in Linear Models, Springer-Verlag, Berlin. Rabcewicz, L., (1964). The New Austrian Tunnelling Method, Water Power, Nov. Sauer, G., (1990). NATM in Soft Ground, World Tunnelling, 3, No. 6. Segrlind, L., (1984). Applied Finite Element Analysis, 2d. ed. John Wiley and Sons, New York. Welsch, W., (1981). Gegenwartigen Stand der Geodatischen Analyse und Interpretation Geometrischer Deformationen, Allgemeine Vermessungsnachrichten, 88 (2), 41-51. Welsch, W., (1983). Deformationsanalysen, Schriftenreihe Vermessungswesen HSBw, 9, München. Zienkiewicz O.C. ve Morgan K., (1983). Finite Elements And Approximation, A Wiley-Interscience Publication, New York.

Documents

TÜNELLERDE OLUŞAN HAREKETLERİN FARKLI ÖLÇÜ YÖNTEMLERİ VE SONLU ELEMANLAR ... · 2005-11-28 · Tünellerde Oluşan Hareketlerin Farklı Ölçü Yöntemleri ve Sonlu Elemanlar