Marmaray Yenikapı-Yedikule arası tünellerinde ortam koşullarından kaynaklanan problemlerin analizi
Analysis of problems arising from enviromental conditions in the Marmaray tunnels between Yenikapı-Yedikule
Yazar: SÜHA ABIK
Danışman: DOÇ. DR. YILMAZ MAHMUTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Marmaray Projesi BC1 sözleşmesi zaman zaman siyasi tartışmaların arasında kalmış olsa da gerek yapımı sırasında elde edinilen deneyimlerle Türk mühendislik camiasına kazandırdığı, gerekse yapımı sonrasında stratejik açıdan ülkeye kazandırdığı değerler açısından büyük bir öneme sahiptir. Proje 1387 m batırma tünel, 10 km çift tüp delme tünel (NATM+TBM), 670 m aç-kapa tünel ve 1790 m istinatlı dolgu, yarma ve yüzey yapılarından oluşmaktadır. Bu projenin en önemli istasyonlarından biri olan Yenikapı İstasyonu Yenikapı–Yedikule Tünelleri'nin son durağıdır. Toplam uzunluğu yaklaşık olarak 2440 m olan güzergah Yenikapı–Yedikule arasında denize yakın olarak paralel bir şekilde uzanmaktadır. Çift tüp olarak tasarlanan proje EPB tipi TBM ile açılmıştır.
Proje güzergahı Miyosen yaşlı kumlu ve killi birimlerin içerisinden geçmektedir. Bu birimler güzergah boyunca yapay dolgu ile örtülüdür. Yapay dolgu seviyelerinin yer yer arkeolojik kalıntılar içerdiği bilinmektedir. Güzergahın sonlandığı Yenikapı İstasyonu kazıları sırasında açığa çıkan Arkeolojik bulgular bu durumun bir göstergesidir.
Bu tez kapsamında Marmaray Projesi Yenikapı–Yedikule Tünelleri'nin bulunduğu zemin koşulları mühendislik jeolojisi açısından değerlendirilmiştir. Karmaşık zemin koşullarının ve sığ yer altı suyu seviyesinin egemen olduğu bir ortamda bulunan tünel güzergahı, jeolojik yapı kaynaklı içerdiği riskler açısından farklı bir önem taşımaktadır. Tünel güzergahı üzerinde yapılan saha araştırmaları ve laboratuvar deneyleri ışığında mevcut riskler etkileriyle birlikte değerlendirilerek yorumlanmaya çalışılmıştır.
Tez çalışması sırasında yararlanılan mevcut veriler kısaca şunlardır; Sondaj logları, Standard Penetrasyon Testi, PS Logging deneyi, Pressiyometre testi ve Geçirimlilik arazi deneylerine ait  sonuçlar ve laboratuvar deney sonuçlarıdır. Bu veriler ışığında ilgili analizler yapılmış ve tünel güzergahının mühendislik jeolojisi modeli oluşturulmuştur.
Araştırma aşamasında elde edilen veriler esas alındığında kum birimlerin geçirimlilik değerlerinin genellikle 10-4-10-6 m/s, SPT değerlerinin 20-25 ve Em değerlerinin 18-522 kg/cm2 aralığında olduğu belirlenmiştir. Güzergah boyunca bulunan kil birimlerin SPT N30 değerleri 10-60, Em değerleri 6-140 kg/cm2 aralığında değişmektedir.
Güzergah boyunca açılan sondaj kuyularında farklı tarihlerde yapılmış yeraltı suyu seviyesi ölçümleri sonucunda yeraltı suyu seviyesinin 2,39-11,2m aralığında değiştiği görülmektedir.
Güzergah boyunca alınan su örneklerinde yapılmış olan kimyasal analiz sonuçlarına bakıldığında örneklerdeki çözülmüş Klor oranları 30-3840 mg/l, Sülfat oranları 30-590 mg/l arasında değiştiği ve suların genellikle korozif özellikte olduğu görülmektedir. 
Mühendislik projelerinde genellikle üzerinde durulan ve etkileri açısından önem taşıdığı düşünülen başlıca riskler; sıvılaşma, kum kaynaması, su patlamaları, oturmalar, kabarmalar ve heyelanlardır. Bu tez kapsamında ise sıvılaşma, kum kaynamaları ve su patlamaları risklerine yoğunlaşılmış ve çeşitli yöntemler ile bilimsel açıdan ele alınmaya çalışılmıştır.
Yapılan değerlendirmeler ışığında;
Sıvılaşma potansiyeli (FL) değerlendirmelerinde Seed ve Idriss'in önerdiği deterministik yaklaşım esas alınmıştır. Hesaplamalarında deprem büyüklüğünün Mw:7,5 ve deprem sırasında meydana gelen maksimum yer ivmesinin (amax) 0,49-0,54 aralığında olduğu kabul edilerek yapılan değerlendirmelerde elde edilen sonuçlardan tünelin geçtiği hattın yaklaşık %70'lik kısmının sıvılaşmaya duyarlı olduğu sonucuna ulaşılmıştır. 
İnceleme alanının Kuzey Anadolu Fayı'na çok yakın bir konumda olması sebebiyle 1. Derecede deprem bölgesi sınırları içerisine girmektedir. Bu durum sıvılaşma riskini büyük oranda arttırmaktadır. Nitekim güzergah boyunca yapılan Sismik Değerlendirme raporlarında deprem sırasında oluşacak amax değerlerinin 0,49-0,54 aralığında olacağı öngörülmektedir.
Kum kaynaması riski, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu konuda yapılan değerlendirmeler sonucunda ise tünel ve çevresindeki yer altı suyu akışı sırasında meydana gelen kuvvetin kohezyonsuz kum merceklerini hareket haline geçirebileceği sonucuna varılmıştır. Nitekim bu riskin güzergah boyunca bazı bölgelerde var olduğu tünel kazısı sırasında yaşanan gözlemler ile de doğrulanmaktadır. 
Bir diğer risk olan su patlamasının, tünel kazısı sırasında Kocamustafapaşa civarında meydana geldiği belirtilmiştir. Yapılan nümerik analiz sonucu bir segment boyu mesafedeki yüzey alanından yaklaşık 240 lt/dk'lık bir su gelişinin söz konusu olduğu öngörülmektedir. Nitekim Km: b 0+300 ile b 0+800 arasındaki kalan bölgedeki su akışını kesmek için her iki tüpte toplam ~60000 kg'lık bir poliüretan enjeksiyon uygulaması yapılmıştır. 
Sonuç olarak, jeolojik yapı ve zemin koşullarına bağlı oluşabilecek risklerin önceden tanımlanması ve bu risklerin etkilerine göre bazı azaltıcı tedbirlerin alınması gereklidir. Nitekim tez kapsamında ele alınan bu risklerin hem uygulama sırasında yarattığı problemler açısından, hem de projenin hizmet ömrü ve güvenliği açısından göz önünde bulundurulması önerilmektedir.
Yenikapı-Yedikule Tünelleri'nde karşılaşılan malzeme akmaları, su patlamaları, sıvılaşma, sızdırmazlık risklerinin üstesinden gelinmiş olduğu görünmektedir. Toplamda yaklaşık 90500 kg'lık miktarda uygulanan poliretan enjeksiyonların yukarıda bahsedilen riskleri azalttığı görülmektedir.
Nitekim tez kapsamında ele alınan bu risklerin hem uygulama sırasında yarattığı problemler açısından, hem de projenin hizmet ömrü ve güvenliği açısından büyük bir öneme sahip olduğu göz önünde bulundurulmalıdır.

Abstract:
Marmaray Project-BC1 contract, although it was occasionally subjected to political criticisms regarding to governments acts, has significantly contributed to the enhancement of experience and knowledge of Turkish Engineering society and has brought a strategic importance to Turkey.
The project consists of; 1387 m immersed tunnel, 10 km bored double tube (NATM+TBM), 670 m cut & cover tunnel and 1790 m filling with retaining walls. Yenikapi station, which is one of the most important stations in the project, is the last station of the tunnels between Yenikapi-Yedikule. The project route, approximately 2440 m in total length, runs parallel and relatively close to seaside and lies between Yenikapi and Yedikule. Additionally, Yenikapi-Yedikule Project was designed as double tube and excavated by EPB type tunnel boring machine.
Çekmece Formation observed through the tunnel route and it is divided to three member. These members that Miocene-aged are respectively Bakırköy, Çukurçeşme and Güngören Member. Geological profile of the project area shows that Bakırköy Member, which is dominated by limestone with marl intercalations, is found at the beginning sections of the tunnel (Km: 1+200- b0+300). Besides Çukurçeşme Member is composed of sand lenses whereas Güngören consists of clayey units that seem to prevail along the project route. 
The units exist along the tunnel route are overlaid by made ground, therefore geology of the route has been evaluated with the aid of available borehole data. Additionally, It is known that the made ground in the area partly contains archaeological remains. Archaeological remains and artefacts found during the excavation of Yenikapi station gives the indication of that the made ground partly contains archaeological remains. 
Within the scope of this thesis, the ground conditions of Marmaray Yenikapi-Yedikule tunnels have been evaluated in terms of engineering geology. The tunnel route that is located in rather complex ground conditions and shallow groundwater regime has a particular importance in terms of risks concerning geological structure. In the light of site investigations performed at the tunnel route and laboratory tests, existing risks and their effects have been evaluated and interpreted. By the help of these data, relevant analyses have been performed and geological profile of the tunnel has been prepared. 
Based on available data, engineering features of the units are as follow; permeability values for sand units are between 10-4-10-6 m/s, STP values are about 20-25 and modulus of elasticity is between 18 and 522 kg/cm2. Whereas for clay units SPT N30 values and modulus of elasticity range between 10-60 and 6-140 kg/cm2, respectively. Based on chemical analyses performed on water samples taken from/through the route, it can be clearly seen that proportion of dissolved chloride and sulphate varies between 30-3840 mg/l and 30-590 mg/l, respectively. These results are a clear indication of that the water is fairly corrosive.
Major risks that are concerned and considered vital in terms of their effects in engineering projects are; liquefaction hazards, quick sand conditions, water inrushs, settlements, heaves and landslides. This thesis has mainly focused on liquefaction, quick sand and water inrush risks and these risks have been scientifically evaluated by using a number of methods. 
Assessments and results can be summarised briefly as follows;
Deterministic approach proposed by Seed & Idriss was used to calculate the liquefaction potential. The earthquake magnitude and peak acceleration (amax) value has been assumed as 7.5 and 0.49-0.54, respectively. The results have shown that, there is a potential for liquefaction to occur in approximately 70% of the tunnel route. The potential for liquefaction can be estimated by comparing cyclic resistance ratio (CRR) to cyclic stress ratio (CSR), which is generally expressed safety factor. A magnitude-scaling factor (MSF) has been used/is to correlate the factor of safety for different magnitudes. A factor of safety lesser than 1.25 indicates that liquefaction resistance doesn't exceed the cyclic stress, and therefore that the liquefaction would be expected to occur. 
FS=〖(CRR〗_7.5÷CSR)×MSF
The project area is located quite close to North Anatolian Fault, thus it falls in first order seismic zone. This considerably increases the liquefaction potential of the area. In fact, seismic report assessing the area has indicated that amax value is expected to range between 0.49-0.54 in the potential future earthquake. 
The finite element analysis has been used to estimate quick sand risk. Results have shown that cohesionless sand lenses can be mobilized by the forces occurring during groundwater outflow and seepage in and around the tunnel. The risk of quick sand condition has been verified by the experience gained during tunnel excavation. 
Critical hydraulic gradient is the ratio of effective unit weight to water unit weight. According to literature, it can be assumed that, the effective unit weight is fairly close to water unit weight. Factor of safety for quick sand condition can be defined as the ratio of critic hydraulic gradient (ic) to hydraulic gradient (ie.). A factor of safety greater than 3.0 means that quick sand condition wouldn't be expected. 
〖FS=i〗_c/i_e
Quick sand hazard has caused several problems such as; unfavourable segment geometry that leads to sealing problems related to water tightness and mobility of tunnel boring machine. Another common problem encountered due to quick sand condition was the loss of initial bearing capacity of soil. These kinds of problems have adversely affected the course of the project and have required special solutions. Such problems have also imposed extra expenses.
Water inrush flow rate was calculated by using Darcy equation. Numerical analysis have been used determine the Darcy velocity (v) variation through the tunnel route. Based on results that have been obtained from numerical model, average water inrush flow rate has been calculated. 
v=k×i
Q=v×A
It has been reported by site staff that water inrush problem has been encountered during tunnel excavation around Kocamustafapaşa. By the aid of numerical analysis performed, it has been found that water flows with approximately 240lt/m velocity from the surface area of a segment length distance. As a result of this, a total 60,000 kg polyurethane injection has performed to repair leakage of water between km: b 0+300 and b 0+800.
It is important to predict dynamic water inrush in the area and implement appropriate protective measure since uncontrolled water inrush can pose several problems such as submersion of tunnel boring machine operating in the route, which costs additional project budget.
Running ground (quick sand) and water related problems have crucial importance as they can cause dramatic impacts that affect the course of the project. Thus, the designers should identify these problems and develop proper solutions before they lead to catastrophic damages to the project. In other words, one can infer that it is very important to have a good understanding of geological structure of the project area as it is the only way to assess potential geotechnical risks and ensure all security measures and precautions are taken for. 
In conclusion, possible risks associated with geological structure of area should be predicted, assessed and minimised by the correct choice of control method. Therefore, the risks encountered during the project and discussed in this thesis have a significant importance not only due to the problems that faced during practise, but also in terms of service life and safety of the project.
The strategies have been developed to handle geological risks involved in Yenikapı-Yedikule tunnels such as water and material inflows, water tightness, liquefaction and have successfully implemented. It is clear that the risks that are stated in this thesis have been minimised by the 90,500 kg polyurethane injection performed through the tunnels.