INS13204GENEL JEOFİZİK VE JEOLOJİYrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ

e-posta : orhan.arkoc@kirklareli.edu.trWeb : http://personel.kirklareli.edu.tr/orhan-arkoc

1

BÖLÜM 11Tünel Jeolojisi

2

Tüneller

• Tünel’ler; herhangi bir ulaştırma işleminin gerçekleştirilebilmesi amacıyla yapılan ve her iki ucu zemin yüzeyine açılan, dışarıyla bağlantılı olan açılmış yapay yeraltı geçitleri ya da yeraltı açıklıklarıdır.

• Tüneller, yer altında yapılacak kazı ile istenilen kesitte boşluk oluşturulması ve desteklenmesi ile inşa edilen yapay yeraltı yapıları olarak da tanımlanmaktadır.

3

• Tünel tanımındaki ulaştırma işlemi, karayolu tüneli, metro gibi trafik ulaşımı veya baraj derivasyonu, kanalizasyon gibi su-malzeme iletimini yer altından daha kısa veya amaca uygun olarak istenilen bir yolla sağlanması anlamındadır.

• Tüneller, insan veya malzemenin zaman, emniyet ve ekonomik açıdan yararlı şekilde en kısa yoldan iletiminin sağlanması için inşa edilirler.

4

5

6

7

8

Tünel ve galerilerde kullanılan terimler

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

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

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

9

• Tünel ya da galerinin en kesiti göz önüne alındığında kazı boşluğunun alt kısmına taban, üst kısmına tavan (kemer), yan kısımlara ayak (duvar), tavanın ayaklarla birleştiği kısma üzengi, üzengileri birleştiren çizgiye üzengi düzeyi, üzengi düzeyi ile tavan arasında kalan kısma kalot, üzengi düzeyi ile taban arasındaki kısma stros, tünel çalışması sırasında bir kerede açılan tünel uzunluğuna ise ano denmektedir.

10

TÜNEL AÇILMASI SIRASINDAMALİYETİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER• 1- Tünel güzergahının jeolojik ve hidrojeolojik durumu

• 2 -Tünelin desteklenmesi ve destek türü

• 3 -Tünelin yüzeyden derinliği

• 4 -Tünelin çapı ve şekli

• 5 -Tünelin uzunluğu

• 6 - İşçilik

• 7 - Çalışılan günler

• 8 – Makine arızaları

11

TÜNEL JEOLOJİSİ ÇALIŞMALARI

• • Ön jeolojik araştırmalar

• • Ayrıntılı jeolojik araştırmalar

• • Tünel açılırken yapılan çalışmalar

• • Tünel açıldıktan sonra yapılan çalışmalar

12

Ön Jeolojik ÇalışmalarJeoloji- Mühendislik Jeolojisi modelinin oluşturulması

• Tünel güzergahının belirlenmesine yönelik çalışmalardır.

• Güzergah ve dolayında yüzey jeolojisi araştırmalarına odaklanır.

• • Litolojik özellikleri• • Yapısal özellikleri• • Örtü kalınlığı ve doğal gerilmeler• • Kayaçların mühendislik özellikleri• • Hidrojeolojik özellikler• • Isı sorunu• • Gaz sorunu• • Depremsellik

13

Yeraltı araştırmaları; sondaj, yarma, kuyu, galeri ve jeofizik yöntemlerden yararlanılır.

Kayaçların;

• • Litolojik ve petrografik özellikleri

• • Ayrışma derecesi ve derinliği,

• • Sertlik ve kazılabilirlik

14

• Kazı yöntemi ve makine seçimi• Süreksizliklerin mühendislik özellikleri• Yeraltı su seviyesi, kaynaklar, suların kimyasal bileşiminin beton ve çimentoya etkileri, debileri ve ısıları, ortamın geçirgenliği• Kayaçların suya karşı hassasiyetleri (erime, şişme-kabarma, karstlaşma)• Sondaj ve kazılarda arazi deneyleri, alınan örneklerde iselaboratuar deneyleri ile fiziksel ve mekanik özelliklerin tayini• Kazı malzemesinin (pasa), kaplamalarda agrega olarak kullanılabilirliği• Tünel destek türleri ve yerleri

hakkında ayrıntılı sayısal veriler toplanır.

15

Tünel Açılırken Yapılan Çalışmalar

• Tünel güzergahının harita ve kesitlerinin oluşturulması (1/100 – 1/50 ölçekli)

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

• Açım sırasında karşılaşılan sorunların türleri (kaya patlaması, aşırı sökülmeler), ve yerlerinin kesitlere işlenmesi.

• Su gelirleri, debileri ve kimyasal analizler

• Taban, tavan, yan duvarlar ve aynada görülen süreksizliklerin özelliklerinin, konum ve geometrilerinin (doğrultu-eğim) ölçülmesi ve kesitlere işaretlenmesi

16

17

18

KAYA KÜTLE SINIFLAMALARI

• • RQD

• • RMR

• • Q

19

20

21

• RMR sınıflaması

• Kaya Kütle Değerlendirmesi (RMR, Rock Mass Rating)

22

23

24

25

Kaya kütlesi kalitesi (Q- Sistemi) • Q-sistemi 1974 yılında Norveç Jeoteknik Enstitüsü araştırmacılarından

Barton, Lien, ve Lunde tarafından geliştirilen bir kaya sınıflama sistemidir.• İskandinavya'da 200'den fazla maden galerisi ve tünelde yapılan

incelemelere dayanmaktadır.

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

• Bu formülasyonda;• RQD: Kaya kalite değeri• Jn: Süreksizlik takım sayısı• Jr: Süreksizlik pürüzlülük durumu• Ja: Süreksizlik ayrışma durumu• Jw: Süreksizlik suyu indirgeme değişken faktörü• SRF: Gerilme indirgeme katsayısı

26

27

28

Tünel Açılması SırasındaKarşılaşılan Sorunlar• Kemerlenme

• Aşırı Sökülme

• Kaya Patlaması

• Yeraltı suyu

• Isı

• Gaz

29

KEMERLENME-AŞIRI SÖKÜLME-KAYA PATLAMASI• Ana etmen doğal gerilmelerdir.

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

• Oluşan yeni gerilmelere ikincil gerilme adı verilir.

• İkincil (sekonder) gerilme koşulları altında;

• Tünel yan duvarları, taban ve tavanında sert kayaçlarda kaya patlamaları ve aşırı sökülme ayrımış ve yumuşak kayalarda şişme ve kabarma türü olaylar ile karşılaşılabilir.

30

Kayaçların içerisinde bulunan gerilmeler;• Yerçekimi gerilmesi

• Su basıncı

• Buzul erimesi,

• Kayaların erozyonu

• Tektonik hareketler

• Magmatik faaliyetler

• Metamorfizma

• Yeniden kristallenme

31

32

33

34

KEMERLENME• Yeraltı kazısı yapıldığında, kazı boşluğunun etrafındaki kayalar

gerilmelerin etkisi ile açılan boşluğa doğru hareket etmek isterler.

• Bu hareket, süreksizlikler boyunca kayaların birbirlerine dayanması ile bir dereceye dek kendiliğinden önlenir ve denge oluşur. Bu denge haline kemerlenme adı verilir.

• Kemerlenme; kayalarda açılan boşlukların destek (iksa) gerekmeden durabilme özelliği olarak da tariflenir. Kemerlenme; litolojik ve yapısal özelliklere, yapısal özelliklerin (süreksizlikler: fay, tabakalanma düzlemi, kıvrım eksenleri, vb.) doğrultu eğimi ile tünel doğrultusu arasındaki ilişkiye,desteksizkalan kısmın uzunluğuna bağlı olarak değişir

35

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

• 1. Elastik Bölge (Kazıdan etkilenmemiş)

• 2. Koruyucu bölge• 3. Plastik bölge (gevşeme zonu)• Gevşeme zonunun mekanik

dayanım parametreleri (kohezyon, c ve içsel sürtünme açısı, f), elastik

• bölgeninkinden daha küçüktür.

• Kazı kesitinin şekli gerilme dağılımı• üzerinde etkilidir. Köşeli kesitlerde• gerilme yoğunlaşması yüksektir.• Duraylık açısından risk oluşturur.• Oysa dairesel kesitli tünellerde,• gerilme kemerlenmesi büyük

gerilme• yoğunlaşması olmaksızın oluşur.

36

AŞIRI SÖKÜLME• Yeraltı kazılarında profil fazlası kazılara

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

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

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

• B çizgisi dışında kalan kazılar için ödeme yapılmaz.

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

• Bu tür aşırı sökülmelere profil fazlası da denir.

37

KAYA PATLAMALARI

• Doğal gerilmeler etkisinde bulunan kayalarda açılan tünellerde, kazı türü ve hızına bağlı olarak, tavan, taban ve yan duvarlardaki kayaların aniden patlayarak kazı boşluğuna düşmesi olayıdır.

• Küçük parçalar halinde ise; kaya fırlamaları büyük parçalar halinde ise; kapak atma adını alır.

• Mal ve can kaybına neden olur.

• Ek maliyet getirir.

• Doğal gerilmelerin yanı sıra jeolojik koşullarında rolü büyüktür.

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

38

YER ALTI SUYU SORUNU

• Yeraltı su seviyesi altında açılan tünellerde yeraltı suyu tünel içine hareket eder. Tünel drenaj galerisi gibi çalışır. Kayaçların permeabilitesi, süreksizlikleri ve kazı civarındaki karstik boşluklar (kireçtaşları) önemlidir.

Sakıncaları aşağıdaki gibidir;

• Boşluk suyu basıncının oluşumu nedeniyle dayanım azalması.

• Eriyebilen ve şişen kayaçlar.

• Çalışma koşullarının zorlaşması.

• Mal ve can kaybı riski, maliyet artışı.

• Killi ortamlarda şişme ve kazı boşluğuna akma.

39

• CaSO4, NaSO4, MgSO4, H2S, CO2 ve Ca(HCO3)2 içeren sular, desteklemede kullanılan çelik ve beton üzerinde olumsuz etki yapar.

Bu maddelere;

• Jipsli

• Anhidritli

• Piritli

• Kömürlü ve kükürtlü sahalardan gelen sularda daha çok rastlanır.

40

ISI SORUNU

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

• Çalışma koşullarını güçleştirir.

• Problemin çözümünde etkin yol havalandırmadır.

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

• tünele açılan bacalar ile sağlanır.

41

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

oranında solunum güçlüğü.• Su ile reaksiyonunda karbonik asit, tünel kaplama ve

metallerde korosiftir.• Karbonmonoksit (CO): % 0.025 den fazlası zehirlenmelere

%0.04-0.06 oranı ise ölümlere yol açar.• Metan (CH4):Hava ile karışımındaki oran %5 civarında ise

patlayıcıdır (Grizu).• Kükürtdioksit (SO2): Suda erimesiyle oluşan sülfiröz asit

kaplama betonunu etkiler.• Hidrojen sülfür (H2S): Havada %1’den az orandaki karışımı

zehirleyicidir. %6 oranından fazla ise patlayıcıdır.• Gazların olumsuz etkilerinden kurtulmanın etkin yolu

havalandırmadır.

42

43

TÜNEL AÇMA YÖNTEMLERİ

• Tüneller genel olarak üç yöntemle inşa edilir:

• Aç - Kapa

• Delme – Patlatma

• Mekanize tünel açma

44

• a. Kayada tünel açma b. Zeminde tünel açma

• * Gerilmeler fazla * Gerilmeler az

• * Duraylılık fazla * Duraylılık az

• * Geçici su sorunu * Devamlı su sorunu

• * Masraf az * Masraf fazla

45

Aç-Kapa Tünel Açma Yöntemi

• Tünel inşası sığ olarak yapılması planlandığında bu yöntem tercih edilir. Kazı yapılarak tünel inşa edilir daha sonra kazı örtülerek inşaat tamamlanır.

46

47

Delme ve Patlatma ile Tünel Açma Yöntemi• Bu yöntemde aşağıdaki iş sırası takip edilir.

• Tünel ve tünel kayası özelliklerine göre deliklerin açılması,

• Deliklere patlayıcı madde türlerine göre hesaplanmış miktarda patlatıcıların yerleştirilmesi,

• Patlatma sırasına göre deliklerin ateşlenmesi,• Patlatma sonucu gaz ve tozların temizlenmesi için

havalandırma yapılması• Düşme tehlikesi olan blokların düşürülmesi,• Koparılan malzemelerin ( pasa ) dışarı taşınması,• Bu işlemler tünel bitene kadar tekrarlanır.

48

Tünel açma makineleri (TBM)

49

50

Tünellerde Yapılan Sağlamlaştırma Yöntemleri• Püskürtme beton

• Tel kafes

• I profil

• Çelik hasır

• Ankraj

• Yalıtım

• Beton kaplama

51

Tel Kafes

52

Püskürtme beton

53

Ankraj

54

Ankraj, çelik hasır ve püskürtme beton

55

Yalıtım

56

Beton kaplama

57

58

59

60

61

62

63

BİR PROJE ÖRNEĞİ:

• – Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi –

64

65

66

67

68

69

• Earth Pressure Balance Machines (EPBMs) are shield machines specially designed for operation in soft ground conditions containing water under pressure. Loose sedimentary deposits with large boulders and a high water table will challenge ordinary TBMs

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

INS13204GENEL JEOFİZİK VE JEOLOJİYrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ

e-posta : orhan.arkoc@kirklareli.edu.trWeb : http://personel.kirklareli.edu.tr/orhan-arkoc

84