Karayolu tünellerindeki deformasyonların sonlu elemanlar yöntemi ile belirlenmesi (Aydıncık Tüneli, Mersin)
Determination of deformations in highway tunnels using the finite element method (Aydıncık Tunnel, Mersin)
Yazar: İREM KIZILDAĞ
Danışman: PROF. DR. KIVANÇ ZORLU ARAS
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Deformasyon = Deformation ; Mersin-Aydıncık = Mersin-Aydıncık ; Modelleme = Modelling ; Sonlu elemanlar = Finite elements ; Tüneller = Tunnels

Özet:
Karayolu tünelleri ulaşım konforu ve zaman yönetimi açısından yapılan en önemli mühendislik yapılarıdır. Bu yapıların tasarımından inşa aşamasına kadar her adımda çok yönlü düşünerek analizler yapılmalı ve doğru yöntemler kullanılarak proje ilerlemelidir. Projenin emniyetli bir şekilde ilerlemesi amacıyla tünelin açılacağı kaya ortamının tüm jeolojik ve jeomekanik özelliklerine hâkim olunmalı, bu özellikler dikkate alınarak tünel tasarımı yapılmalıdır. Kazı sırasında karşılaşılacak olan problemler ve oluşacak deformasyonlar için uygun destek sistemleri belirlenip, kazı işlemi kaya kütlesi duraylı bir hale geldikten sonra devam etmelidir.
Bu çalışmada New Austrian Tunnel Method (NATM) ile yapılan; Mersin-Anamur-13.Bl.Hd. Devlet Yolu, Km:125+050 – 153+560 arasında bulunan ve Yeşilovacık – Aydıncık kesimini kapsayan T2 tüneline ait öngörülen destek sisteminin, gerilmelerin ve deformasyonların Sonlu Elemanlar Metodu (SEM) kullanılarak modellenmesi amaçlanmıştır. Tünel genelleştirilmiş stratigrafik kesite göre Sipahili Formasyonunda ve kaya kütlesi ortamında açılmış olup çift tüplü ve uzunluğu 1885 metredir. Tünel altyarı ve üst yarı olmak üzere 2 kademede kazılmıştır. Karayolları Genel Müdürlüğü (KGM)   tarafından yüklenici olarak atanan firmadan sağlanan verilere göre tünel güzergâhı şist, şeyl ve kireçtaşı birimlerinden oluşmaktadır. Bu birimler Rock Mass Rating (RMR) sınıflama sistemine göre çok zayıf, zayıf ve orta kaya sınıfındadır. Q sınıflama sistemine göre ise birimler çok fazla zayıf kaya ve çok zayıf kaya sınıfında bulunmaktadır. Yüklenici firma tarafından tünel portallarında birimleri temsil eden sondaj kuyularından alınan örnekler üzerinde laboratuvar deneyleri yapılarak jeolojik ve jeomekanik özellikler belirlenmiştir.. Kaya kütlesinin süreksizlik özellikleri ile bir Süreksizlik Yüzey Koşulu Puanı (SCR) ve Yapısal Özellik Puanı (SR) belirlenerek GSI (Geologıcal Strength Index) hesaplanmıştır. RMR ve Q değeri bir bütün olarak değerlendirilerek NATM ÖNORM 1994'a göre uygun kazı yöntemi ve destek sistemleri tanımlanmıştır. Kayaçlara ait Deformasyon Modülü (Erm), Elastiste Modülü (Ei), mb, s ve a gibi parametreler Roclab 1.0 yazılımı ile hesaplanmıştır.
Destek sistemlerinin ve deformasyonların modellenmesi için Phase 2D (Plastic Hybrid Analysis of Stress for Estimation of Support) bilgisayar programı kullanılmış, uygun yenilme ölçütü olarak Hoek- Brown yenilme ölçütü seçilerek kaya kütlesinin parametreleri modele tanımlanmıştır. Her bir sınıf için belirlenen destek elemanları kademeli olarak modellenmiş ve oluşan deformasyonlar belirlenmiştir. Ayrıca kazı öncesi ve sonrası gerilim dağılımları da 2 boyutlu olarak gösterilmiştir. Bu çalışmada tünel portalları çalışmanın dışında tutulmuştur. Modelleme sonucu belirlenen referans noktalarına göre tünel içerisinde beklenen en yüksek deformasyon kireçtaşı biriminde, en düşük deformasyon ise şist biriminde görülmüştür. Tünel içerisinde en yüksek deformasyonların görüldüğü yer tünelin tepe noktasıdır. Gerilme analizlerine göre, en yüksek gerilmeler kireçtaşı birimine en düşük gerilmeler ise şist birimine aittir. Kazı öncesi ve kazı sonrası gerilmelerin karşılaştırılmaları yapıldığında kazı sonrası gerilmelerin büyük ölçüde azaldığı gözlenmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre tünelde gözlenen deformasyon değerlerinin deformasyon toleransı içerisinde kaldığı ve destek sistemlerinin yeterli olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Highways tunnels are the most important engineering structures in terms of transportation comfort and time management. From the design of these structures to the construction stage, analyzes should be made by considering all aspects and the project should proceed by using the right methods. In order for the project to proceed safely, all geological and geomechanical features of the rock environment where the tunnel will be opened should be mastered, and a tunnel design should be made considering these features. Appropriate support systems should be determined for the problems and deformations to be encountered in during the excavation, and the excavation process should continue after the rock mass becomes stable.
In this study, was made with NATM (New Austrian Tunnel Method); Mersin-Anamur-13.Bl. Hd. which is located between the State Highway, Km:125+050 – 153+560 and covers the Yeşilovacık
– Aydıncık section. It is aimed to model the deformations and the applied support system of the T2 tunnel, using FEM (Finite Element Method). According to the generalized stratigraphic section, the tunnel was dug in the Sipahili Formation and in the rock mass environment, with double tubes and a length of 1885 meters. The tunnel was excavated in 2 steps as the lower half and the upper half. According to the data provided by the company appointed as the contractor by KGM (General Directorate of Highways), the tunnel route consists of schist, shale and limestone units. These units are in the very weak, weak and medium rock class. Geological and geomechanical properties were determined by using laboratory experiments on the samples taken from the drillings representing the units in the tunnel portals by the contractor company. With these parameters, the rock mass was classified by choosing the RMR (Rock Mass Rating) and Q System from the classification systems. The discontinuity properties of the rock mass and the GSI (Geological Strength Index) were calculated. By evaluating the RMR and Q values as a whole, appropriate excavation method and support systems were defined according to ÖNORM 1994 NATM. Parameters such as Deformation Modulus (Erm), Modulus of Elasticity (Ei), mb, s and a of the rocks were calculated with Roclab 1.0 software.
Phase 2D (Plastic Hybrid Analysis of Stress for Estimation of Support) computer program was used for modelling the support systems and deformations, and the parameters of the rock mass were defined in the model by choosing the Hoek-Brown failure criterion as the appropriate failure criterion. The support elements determined for each class were gradually modeled and the resulting deformations were determined. In addition, pre- and post-excavation stress distributions are also shown in 2 dimensions. In this study, tunnel portals were excluded from the study. According to the reference points determined as a result of the modeling, the highest deformation expected in the tunnel was observed in the limestone unit, and the lowest deformation was observed in the schist unit. The point where the highest deformations are seen in the tunnel is the peak of the tunnel. According to the stress analysis, the highest stresses belong to the limestone unit and the lowest stresses belong to the schist unit. When the pre-excavation and post-excavation stresses were compared, it was observed that the post-excavation stresses were greatly reduced. According to the results determined from the study, it was observed that the deformation values observed in the tunnel remained with in the deformation tolerance and the support systems were sufficient.