Ataköy-İkitelli metro hattındaki yeryüzü oturmalarının ampirik ve nümerik yöntemlerle tahmini
Estimation of the ground subsidence of the Atakoy - Ikitelli metro line by ampirical and numerical methods
Yazar: UFUK CEMALİ ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. CEMAL BALCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Granüler zeminler = Granular soils ; Killi zeminler = Clay soils ; Kohezyonlu zemin = Cohesive soil ; Kohezyonsuz zemin = Cohesionless soil ; Kumlu zeminler = Sand soil ; Yumuşak zemin = Soft soil ; Zemin oturması = Ground subsidence

Özet:
Bu tezin amacı Ataköy-İkitelli Metro Projesi kapsamında yapımı gerçekleşen hattın Tünel Açma Makinası (TAM) kazılarına bağlı olarak gelişen yüzey deformasyonlarının, hattın jeolojik özelliklerini de dikkate alarak zeminin jeolojik ve mekanik parametreleri ışığında incelemek ve ikiz tünel kazılarına bağlı gelişen yüzey deformasyonlarını analiz etmektir. Tez kapsamında bölgenin jeolojik özellikleri, bölgedeki mühendislik uygulamaları ve uygulama sırasında oluşan çevresel etkileri ortaya koyan izleme verileri birlikte değerlendirilmiştir. Ataköy-İkitelli metrosunun geçtiği hat İstanbul'un en yoğun bölgelerinden biridir ve 5 ilçeyi birbirine bağlamasıyla bir ilktir. 
Projenin toplam uzunluğu yaklaşık 13'km dir. İnşaatın tamamlanması ile beraber Bakırköy, Bahçelievler, Bağcılar, Küçükçekmece ve Başakşehir ilçeleri birbirine bağlanacaktır. Projede 4 adet, ön kalkan çapı 6550 mm olan TAM'ler Çobançeşme Şaftı'ndan kuzey-güney yönlerinde kazılarına devam etmektedir. Kabaca hattın 9 km'lik kısmı TAM, geri kalan kısmı ise NATM yöntemi ile açılmaktadır. İstasyonlarda ise NATM ve aç-kapa yöntemleri ile inşa devam etmektedir. 
Çalışma bölgesinin geneli yerleşim alanı ve iş yeridir.  Bu sebepten ötürü yapılan kazıların etkilerinin ve deformasyonların minimize edilmesi önem taşımaktadır. Güzergâh boyunca kazı ile gelişen deformasyonların gözlemlenebilmesi için tünel içinde ve tünel dışında (yeryüzünde) ölçme ve izleme ağı kurulmuş, bunlar kazı ilerlemesine bağlı olarak önceden tasarlanmış zaman aralıklarında ölçülmektedir. Ancak uygulama sırasında, anomali ile karşılaşılması durumunda ölçüm sıklığı belirli noktalarda revize edilmiştir. Tünel dışına (yerüstüne) yerleştirilen ölçüm sistemlerini; bina oturma bulonları, üç boyutlu bina ölçüm bulonları, ekstensometreler, inklinometreler ve çatlak ölçerler, tünel içerisine yerleştirilen ölçüm sistemlerini ise konverjans ölçüm noktaları, tünel içi ekstensometreler, tünel içi inklinometreler, basınç ölçerler, gerilim ölçerler ve boşluk suyu basınç ölçerler oluşturmaktadır. Proje bölgesinde değişik tarihlerde yapılmış birçok sondaj çalışmasından yararlanılmıştır. Çalışma kapsamında Standart Penetrasyon Testi (SPT) gibi yerinde deneyler yapılmıştır. Ek olarak sondajlardan alınan numuneler üzerinde su muhtevası, Atterberg limiti, elek analizi, özgül ağırlık ve birim hacim ağırlığı, drenajsız üç eksenli basınç, konsolidasyonlu-drenajsız üç eksenli basınç, konsolidasyonlu drenajlı yavaş kesme testi, tek eksenli konsolidasyon ve şişme deneyleri gerçekleştirilmiş olup bunlara ilave olarak, kaya karot örneklerinde ise doğal su muhtevası, özgül ağırlık, birim hacim ağırlık, nokta yükleme, üç eksenli basınç, şişme indeksi, Cerchar aşınma, çekme kesme deneyleri gerçekleştirilmiştir.
Tez kapsamında TAM tünel güzergâhı boyunca seçilen 5 kritik kesit hattı belirlenmiş ve bu hatların TAM tünel kazılarına bağlı gelişen yüzey deformasyonları irdelenmiştir. 
Analiz edilen kesitlerde ilk olarak incelenecek kesitin jeolojik profili oluşturulmuş ve bu profil Plaxis sonlu elemanlar yazılımına yüklenerek tünellerdeki kazı adımları da göz önünde tutularak modellenmiş ve analiz edilmiştir. Elde edilen yüzey deformasyon eğrileri kayıt edilmiş ve analiz neticesinde beklenen oturma formu oluşturulmuştur. Oluşturulan modellerdeki değerler gerçek okuma değerleri ve ampirik yöntemlerden elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. Bu analiz ve değerlendirmeler sonucunda; 
•Ataköy-İkitelli hattına ait hattın deformasyonların modellenmesi hattın devamında meydana gelebilecek oturmaları tahmin etmek ve benzer formasyonlarda Ayna Pasa Basınçlı (EPB) TAM'ler ile gerçekleştirilecek kazılarda ortam Zemin davranışlarının belirlenmesi, kazı kaynaklı yüzey deformasyonlarının kestirimi ve denetimi açısından büyük yarar sağlamıştır. 
•Proje kapsamında yüzeyde deformasyona müsait kısımların oturma eğrileri detaylı bir şekilde incelenmiş ve deformasyona yatkın kısımlar tespit edilmiştir.
•Sonuç olarak, yüzey deformasyonlarının kritik olduğu tünel projelerinde, TAM kazıları sırasında EPB, enjeksiyon miktarı ve basıncı parametrelerine uymak büyük önem taşır. Kazı sırasında zemindeki dökülmeleri alınan pasa miktarı ile takip etmenin ve zemindeki oturmaları ölçüm ekibi yardımı ile takip edip kritik noktalarda teknik müdahalede bulunmanın önemi büyüktür.

Abstract:
The aim of this thesis is to analyze the surface deformations due to TBM excavations in line with the geological characteristics of the line and to analyze surface, building deformations due to twin tunnel excavations. Within the scope of the thesis, by  focus on geological characteristics of the region, engineering practices in the region and the monitoring data revealing the environmental impacts during the implementation were evaluated together. The line where the Ataköy-Ikitelli subway line passes is one of the busiest areas of Istanbul and it is the first one with connects where 5 districts.
The total length of the project is approximately 13 km. With the completion of the construction, Bakirkoy, Bahcelievler, Bagcilar, Kuçukcekmece and Basaksehir districts will be connected to each other. In the project, 4 TBMs which have front shields diameter 6550 mm continue excavations in north-south directions from Cobancesme Shaft. Roughly 9 km of the line would open by TAM and the rest by NATM method. The stations continue to be constructed with NATM and open-closure methods. The working area is the residential area and the workplace. For this reason, it is important to minimize the excavations impact. In order to observe the deformations developed along the route, a network of measurement and monitoring has been established within the tunnel and outside the tunnel (on the earth), which are measured at predetermined time intervals depending on the excavation progress. However, during the application, if the anomaly is encountered, the measurement frequency is revised at certain points. Measurement systems placed on the outside of the tunnel (above ground); building seating bulges, three dimensional building measurement bumps, extensometers, inclinometers and crack gauges, and measurement systems placed within the tunnel are convergence measurement points, in-tunnel extensometers, in-tunnel inclinometers, pressure gauges, tension gauges and pore water pressure gauges. 
Many drilling works were carried out on different dates in the project area. On-site tests such as SPT were conducted. In addition, water content, atterberg limits, sieve analysis, specific gravity and unit weight, undrained triaxial pressure, consolidation-undrained triaxial pressure, consolidation drainage slow shear test, uniaxial consolidation and swelling tests were performed on the samples taken from the drillings. In addition, natural water content, specific gravity, unit weight, dot loading, triaxial pressure, swelling index, cerchar abrasion, Brazil tensile shear tests were performed in rock core samples.
Within the scope of the thesis, 5 critical section lines selected along the TBM tunnel route were determined and surface deformations of these lines due to TBM tunnel excavations were examined. Construction of a tunnel changes the state of stresses and displacements in a region around the tunnel. The size of this sphere of influence depends on the type of soil, on-site stresses, characteristics of the environment, depth and diameter of the tunnel and the characteristics of the support system.
Among the important reasons of the stabilization problems encountered in the underground excavations, it is appropriate to focus on the nature of the rock, the state of the stresses and the groundwater. Regardless of the excavation method, it is important to determine the points that are prone to deformation both at project start and momentum.
Apart from the analyzes, it is important to regularly monitor the displacements in the tunnel, surface and surrounding structures during excavation. Before the start of the tunnel excavation in the areas where the building is transitioned, the existing condition control of the buildings around the excavation area (including the buildings in construction) will be made and the displacements of the related buildings and tunnel supporting systems will be monitored by means of the readings to be made regularly during the excavation. If necessary, the necessary measures will be required to be taken without delay. 
Over time, the condition of the superstructure on the routes of the subway tunnels may vary. In this case, since the distances between the upper elevation of the tunnel and the base level of the building will vary, it may not be appropriate to construct the high-rise building of different sizes. When the settlement on the tunnel line changes for any reason, the convergence and settlements in the tunnel should be monitored again and the ground should be kept under control.
The ground settlements in the tunnels opened with TBM were compared with the actual readings, the Plaxis model and the empirical models and they were found to be close to each other. About "i" and "Smax"  parameters, there are many different approaches and the most appropriate values have been entered for the geology of the region.
In the analyzed sections, firstly a geological profile of the section was  created and this profile was modeled and analyzed by considering the excavation steps in the tunnels by loading them into the finite element software Plaxis 8.6. The Mohr-Coulomb  model was used in the Plaxis finite element program; m, internal friction angle φ, cohesion, c, modulus of elasticity E, density of ground γ, and poisson ratio υ, values are entered. Tunnel concrete elements are modeled using plate elements. The analyzes were modeled by networks of triangular elements.The obtained surface deformation curves were recorded and the expected sitting form was formed as a result of the analysis. The values in the models were compared with the actual reading values and the data obtained from the empirical methods. As a result of these analyzes and evaluations;
•Modeling the deformations of the line of Atakoy-İkitelli line, predicting settlements that may occur in the continuation of the line and determination of soil behavior in excavations to be carried out with EPB TBMs in similar formations has provided great benefit in terms of estimation and control of excavated surface deformations.
•Within the scope of the project, the seating curves of the parts suitable for deformation in the surface were examined in detail and the parts prone to deformation were determined.
•The application to stop the ground sitting at the Dogu Sanayi station face was included in the thesis and it was observed that the ground improvement operations stopped the settlements and stabilized the ground as a result of the follow-up of the related readings. Good face support and smooth manufacturing are very effective in minimizing ground movements. A combined consolidation process was performed. Combined methods are often used to strengthen areas with abundant water or poor geological formation. The ordinary methods used to control sitting include advanced strengthening, supporting, injection processes. Among these, it is very important to guarantee the effect of the grout injection.
•As a result, in tunnel projects where surface deformations are critical, it is of great importance to follow EPB, injection quantity and pressure parameters during TBM excavation, to follow up the ground spills with the amount of rust taken during excavation and to follow the ground settlements with the help of geotechnical team and to intervene at critical points.