Tünel ve NATM | 1

Tünel ve NATM

Alternatif ulaştırma alanları oluşturma, doğal engelleri geçme, depolama vb. amaçlarla zemin veya kaya ortamlar içerisinde oluşturulan mühendislik yapılarına tünel denilmektedir. Tünel kazıları ve kazı sonrası oluşabilecek deformasyonlar tarih boyunca mühendislerin ilgisini çeken ve üzerinde çalışma gerektiren en önemli konulardan biri olmuştur.

Teknolojinin gelişmesi ile birlikte tünel kazılarında kullanılan yöntemlerde değişmiş, makinelerin kullanıldığı mekanize kazı yöntemleri yaygınlaşmıştır. Geliştirilen bu mekanize kazı yöntemleri ile yer değiştirme ve sekil değiştirme davranışları daha kontrol edilebilir olmuştur. Günümüz tünel kazı ve inşaat aşamalarında kullanılan başlıca yöntemler şunlardır:

  • Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi (NATM)
  • Tünel Açma Makineleriyle (TBM) Kazı
  • Aç-Kapa Tünel Açma Yöntemi
  • Delme-Patlatma Yöntemi

Bu yazı içeriğinde tünel kazı yöntemlerine kısaca değinilmiş olup, NATM yöntemi detaylı olarak ele alınmıştır.

1. Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi (NATM)

Günümüz tünel inşaatlarında yaygın olarak kullanılan bir tünel inşa yöntemi olan Yeni Avusturya tünel açma yöntemi 1963 yılında Rabcewicz tarafından geliştirilmiştir. Kazı sonrası geçici bir destek sistemi kurulup deformasyona izin verilen verilerek ikincil gerilmelerin tüneli çevreleyen ortama dağıtılmasını amaçlayan bir yöntemdir. Böylelikle nihai tünel kaplaması daha az jeolojik yüke maruz kalacaktır.

NATM tünel inşaatlarında iksa sistemi olarak püskürtme beton, hasır çelik, çelik profil iksalar, kaya ankrajları ve sürenler kullanılmaktadır. İksa sistemine karar verilmesinde tünelde ve çevre zeminde meydana gelebilecek olası deformasyonlara ve kaya kütle sınıflandırma sistemlerine göre karar verilmektedir.

Yeni Avusturya tünel açma yönteminin yaygın bir şekilde kullanılmasına olanak sağlayan bazı avantajları vardır. Natm tüneller istenilen çap ve uzunluklarda oluşturulabilmektedirler. Beklenmeyen jeolojik şartlarla karşılaşıldığında anlık müdahaleler ile iksa sisteminde değişiklik yapılabilir. Ayrıca kademeli kazı yapılabildiği için yer değiştirme ve deformasyonlar mühendislik açısından daha kontrol edilebilir olmaktadır (Şekil 1).

Tünel ve NATM
Şekil 1. Kademeli tünel kazısı (Lunardi, 2008)

Yeni Avusturya tünel açma yönteminde tasarım yapılırken Fenner-Pacher Konverjans Eğrisi kullanılmaktadır. Bu yöntemde; iksa elemanları yerleştirilmesine kadar geçen sürede meydana gelebilecek deformasyonların hesaplanması ve bu deformasyonlara karşı koyacak iksa basıncının önceden belirlenmesi temel amaçtır. Şekil 2 de verilen Konverjans eğrisinde, zemin reaksiyon eğrisi ile iksa reaksiyon eğrisinin kesişimi C noktasını vermektedir. NATM metodu ile tasarımda en temel esas bu C noktasının mümkün mertebe sağa doğru çekilmesidir. Bu durum yapılırken optimum kesişim noktasının plastikleşme bölgesinin solunda kalması gerekmektedir. Böylece izin verilebilir yer değiştirmeler altında esnek bir iksa sistemi elde edilmektedir. İksa sisteminin erken yerleştirilmesi durumunda büyük iksa basınçları elde edilirken, geç yerleştirilmesi durumunda ise yüksek yer değiştirilmeler ile göçme mekanizmaları kaçınılmaz olacaktır.

Tünellerde kullanılan konverjans eğrisi
Şekil 2. Konverjans Eğrisi

Tünelde oluşacak iksa basıncı Şekil 3 de verilen denklem ile hesaplanmaktadır. Şekil 3 de verilen Pi değeri iksa basıncını, c tünelin açıldığı ortamdaki kohezyon değerini, r açıklık yarıçapını, R koruyucu bölge yarıçapını ifade etmektedir.

Şekil 3. Tünelde oluşacak iksa basınıcı denklemi

Tünelde oluşacak radyal gerilme değeri Şekil 4 de verilen denklem ile analitik olarak bulunmaktadır. Şekil 4 de verilen fi değeri içsel sürtünme açısını (sigma r üssü sıfır) değeri ise tünel cidarında oluşan radyal gerilmeyi ifade etmektedir.

Şekil 4. Tünelde oluşacak radyal gerilme denklemi

Şekil 5 de Kaya (2021) tarafından yapılan bir çalışmada oluşturulan 30 cm kalınlığında püskürtme beton ile oluşturulan tünel kaplaması ve eklemli kaya ortam parametreleri için elde edilen zemin-iksa reaksiyon eğrisi verilmiştir.

Şekil 5. Zemin iksa eğrisi (Kaya, 2011)

Şekil 5 de verilen zemin iksa reaksiyon eğrisinde de görüldüğü üzere eğrilerin kesişim noktası optimum durumu ifade etmektedir. Yapılan bu çalışmada yüksek olmayan iksa basınçlarında esnek bir kaplama teşkil edilmeye çalışılmıştır.

2. Tünel Açma Makineleriyle (TBM) Kazı

Tünel açma makineleri (Şekil 6) ile yapılan tünel kazıları günümüzde en çok tercih edilen modern yöntemdir. İlk yatırım maliyeti yüksek olan tünel açma makineleri uzun tünellerde daha çok tercih edilerek zaman ve ekonomi bakımından avantaj sağlamaktadır. Kullanıldığı zemin cinsine göre kalkanlı, kalkansız, bulamaç tipi ve toprak basınç dengeleme makineleri olmak üzere çeşitleri mevcuttur.

Şekil 6. TBM görüntüsü (URL 1)

3. Aç-Kapa Tünel Açma Yöntemi

Aç-kapa tünel açma yöntemi (Şekil 7) ise örtü kalınlığının düşük olduğu durumlarda genel itibariyle istasyon bölgesi inşaatlarında ve şaft kazılarında kullanılmaktadır. Örtü kalınlığının artması bu yöntemin kullanılmasını zorlaştırmakta ve maliyeti arttırmaktadır. İstenilen bölgede kazı yapılmakta daha sonra gerekli imalatlar gerçekleştirip oluşturulan açıklığın üstü kapatılır.

Şekil 7. Aç kapa kazı yöntemi (URL-2)

4. Delme-Patlatma Yöntemi

Delme-patlatma yöntemi (Şekil 8) şehirleşmenin az olduğu ya da mühendislik yapılarına zarar verme olasılığının az olduğu bölgelerde sıklıkla kullanılan bir yöntemdir. Tünel aynasında Jumbo adlı iş makineleri ile delikler açılıp içlerine patlayıcı yerleştirilmesi prensibiyle uygulaması yapılmaktadır. Delme-Patlatma ile tünel kazıları hızlı tünel kazısı sağlamasının yanı sıra deformasyonların kontrolünü güçleştirmesi sebebiyle tecrübeli ve teknik bir ekiple uygulanması gerekmektedir.

Şekil 8. Delme patlatma yöntemi

Tünel kazı yöntemlerini ele aldığımız bu yazı içeriğini hazırlayan İnş. Yük. Müh. (Geoteknik Uzmanı) Yusuf KAYA ya ve siz değerli okurlarıma teşekkür ediyorum.

Sevgiyle Kalın 🙂

Kaynaklar:

  • Lunardi, P., (2008). Desıgn And Constructıon Of Tunnels. Milano: Springer.
  • Zhao, (2019). Mechanized tunneling induced ground movement and its dependency on the tunnel volume loss and soil properties, İnternational journal for numerical and analytical methods in geomechanics
  • Kaya, Y., ( 2021). ” Eklemli Kayalarda NATM Tünellerinin Yol Açtığı Yüzey Oturmalarının Sayısal Analizler ile İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, YTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir