İstanbul metrosu Kirazlı-İkitelli arasında ikiz tünel kazılarına bağlı oluşan yüzey oturmalarının değerlendirilmesi
Evaluation of excavation induced surface settlement of Kirazlı and Ikitelli twin metro line
Yazar: SAVAŞ DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. Yılmaz Mahmutoğlu
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Zemin oturması = Ground subsidence

Özet:
Kentsel yerleşimlerde metro tünelleri gibi sığ yeraltı yapılarının inşasına bağlı oluşan yüzey oturmalarının hat üzerindeki üst yapılara etkileri büyük önem arz etmektedir. Tünel kazılarına bağlı gelişen oturmalar tünelin sürüldüğü zemin koşulları, tünel üzerindeki örtü kalınlığı, kazı kesitinin boyutu ve şekli, yeraltı suyu ve yapım metodu gibi birçok faktörün denetimindedir.
Bu çalışma kapsamında Kirazlı-İkitelli arasındaki birbirine yakın, paralel ve biri diğerini arkadan takip eden asenkron tünel kazıları sırasında oluşan örselenmenin oturmalara etkisi değerlendirilmiştir. Çalışmanın odak noktası Kirazlı-İkitelli arasında inşa edilen sığ derinlikteki ikiz tünel kazılarına bağlı gelişen yüzey oturmalarının modellenmesi ve ölçülen oturmalar ile hesaplanan oturmaların karşılaştırılmasıdır. 
İkiz metro tünelleri 2006 ile 2010 yılları arasında 4 adet tünel delme makinesi (EPB-TBM) ile kazılmıştır. İkiz tünellerin eksenden eksene aralarındaki mesafe 14.5-15.5 m arasında değişmekte olup kazı çapı 6.50 m'dir. Bu tez kapsamında değerlendirilen kesimin uzunluğu 2.2 km'dir. Tünel kazıları Miyosen yaşlı Güngören Formasyonu'nda yapılmıştır. 
İncelenen kesimde, metro tünelleri grimsi yeşil renkli, kum mercekli, yer yer kum ve silt seviyeli, üste doğru marn arakatkılı Güngören Formasyonu içerisinde açılmıştır. Kazılar 25-41 m arasında değişen derinliklerde olup, yeraltı su seviyesinin altında sürülmüştür. Genellikle, kum seviyeleri ve merceklerinin olduğu bölgelerde daha fazla yeraltı suyu geliriyle karşılaşılmıştır. Çalışmada hattın fizibilite etüdü sürecinde belirlenen araştırma verileri baz olarak alınmıştır. İkiz tünel güzergahının mühendislik jeolojisi en ve boy kesitleri, hat üzerinde açılan araştırma sondajı verileri ve tünellerin açımı sırasında aynalarda karşılaşılan formasyon ve ortam koşulları birlikte göz önünde tutularak hazırlanmıştır. 
Hat üzerindeki yüzey oturmalarını takip etmek amacıyla, mevcut bina cephelerine önceden tesis edilen ölçüm noktalarının koordinatları zamana bağlı olarak periyodik olarak ölçülmüş ve izlenmiştir. Belirli izleme kesitleri için elde edilen periyodik okumalar, geçilen jeolojik ortamın özellikleri, örtü kalınlığı ve hidrojeolojik koşullar ile birlikte değerlendirilmiştir. Biri diğerini izleyen ikiz tünel kazılarından önde ilerletilenin jeolojik ortamda neden olduğu örselenmenin tasman eğrisi üzerindeki etkileri irdelenmiştir. İzleme verilerinden elde edilen yüzey oturmaları Gaus fonksiyonu yardımıyla değerlendirilmiş ve 3 boyutlu sonlu elemanlar analizi ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Analizler en kritik kesit üzerinde detaylı olarak yapılmıştır. İncelenen en kesitte, tünel kumlu kil ve kum seviye ve mercekleri içerisinden geçtiği için, ilksel gerilmelerin değiltiği ve analizlerde drenajlı şartların geçerli olduğu kabulü yapılmıştır. Zemin drenajlı parametreleri seçimi için ise Mohr-Coulomb liner elastik modeli kullanılmıştır.  
Önde ilerletilen tünel açıldıktan sonra oluşan oturmalar ile arkadan gelen ve aynı kesitten geçen ikinci tünelin geçtiği aşamada oluşan oturmalar karşılaştırılmış, birinci tünelin neden olduğu örselenmenin oturmalar üzerindeki etkisi, imalat aşamalarına bağlı olarak incelenmiştir. İncelenen kesitte sonlu elemanlar analizi sonuçları ile izleme verilerinden elde edilen oturma teknesi karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmada sonucunda, sonlu elemanlar analizi ile hesaplanan yüzey oturma profili ile izleme verilerinden elde edilen oturma profilinin benzer olduğu görülmüştür.
Analiz kesitinde 31.25 m örtü kalınlığında tünel kazısı 13 mm maksimum oturmaya sebep olmuştur. Birinci tünelin geçişi sonrasında doğal gerilme durumu ve ortam koşullarındaki olumsuz değişim nedeniyle, ikinci tüp üzerinde ölçülen ve hesaplanan oturmaların bu değeri (13 mm'yi) aştığı belirlenmiştir. Birinci tüpün kazısı 13 mm'lik oturmaya neden olurken, ikinci tüpün kazısı sonrasında bu değer 30 mm'ye ulaşmıştır. Sonlu elemanlar ile hesaplanan maksimum oturma miktarı ise 25 mm'dir. Sonuç olarak, sonlu elemanlar yöntemi ile hesaplanan oturmaların ölçülen oturmalara yakın olacağı anlaşılmıştır.
İçsel sürtünme açısı ile oturma teknesinin genişliğini veren k parametresi arasında iyi bir korelasyon katsayısı (R2= 0,99) belirlenmiş olup mekanize tünel kazısının yapıldığı Güngören Formasyonu için k parametresinin 1-tan ile ilişkilendirilebileceği görülmüştür.

Abstract:
The control of ground settlement induced by construction of metro tunnels in metropolitans and their effects on buildings are of great importance. Surface settlement induced by tunnelling is dependent on many factors such as soil and groundwater conditions, the thickness of the cover over the tunnel, the size and shape of the excavation section and construction techniques.
Within the scope of the thesis the subsidence which was observed during the asynchronous tunnel excavations which are parallel ,and close to each other, evaluated. The thesis focus on modelling and prediction ground subsidence associated with construction of Kirazlı-İkitelli twin tunnels bored by TBM mechines. The focal point of the study is the modeling of surface settlements due to the shallow twin metro tunnels built between Kirazlı and İkitelli and is the comparison of calculated and mesured settlement.  
The tunnels was excavated between 2008 and 2010 with four Tunnel Boring Machine (EPB-TBM). The excavation diameter of tunnels is 6.50 m. The investigated section of metro tunnels is 2.2 km. long and excavation was carried out in Miocene aged Güngören Formation. 
The metro tunnels were opened in the Güngören Formation with grayish green color, clay, sand and silt level, and upward marl intercalation. The excavations made with the TBM machine are at a depth of 25 m. to 41 m. and are driven below the groundwater level. Generally, more groundwater has been found in areas where sand levels and lenses are located. In the study, the research data determined in the feasibility study of the line were taken as basis. 
The engineering geology of the twin tunnel route was prepared by taking into consideration the exploration drilling data on the line and the formation and conditions encountered during the opening of the tunnels. Coordinates of the measuring points pre-installed on existing building facades have been measured and monitored periodically, depending on the time, to monitor and control the surface subsidance on the line. 
The periodic readings obtained for specific monitoring sections, characteristics of the geological environment, progresses, cover thickness and hydrogeological conditions were evaluated together, and the effects of tunnelling on soil disturbance were examined. The measurements of surface settlements were analyzed to highlight the impacts of contruction two side by side tunnels. The surface subsidance obtained from the monitoring data were evaluated by Gauss function and 3D finite element analysis results were compared. Since most of the investigated tunnel passes through sandy clay-sand levels, it is assumed that the drained conditions are valid for the analyzes and Mohr-Coulomb liner elastic model is used for the soil parameters. 
The settlement formed after the opening of the tunnel advanced from the front were compared with the settlement formed from the second tunnel passing from the same section. The influence of the surrounding soil on the settlement magnitude during tunnel boring process was analysed by using phased tunneling. It has been recognised that the settlement trough calculated in cross-sections, using finite element method is similar to the settlement trough observed in field measurements. 
In the analysis section, tunnel excavation at 31.25 m. covering thickness causes a maximum settlement of 13 mm. It was determined that the amount of settlement measured on the second tube after the passage of the first tube exceeded this value (13 mm) due to the change in natural stress condition 
The computed surface settlements by finite element analysis are compared with the field measurements. The comparison indicates that the surface displacement profile computed by the FEA has the same trend as the surface displacement profile obtained from the monitoring data. Driving of the first tube resulted in a settlement of 13 mm, this value reached 30 mm after the second tube was excavated. The maximum settlement computed by finite element analysis is 25 mm. 
A good correlation coefficient (R2 = 0,99) was determined between the internal friction angle and the k parameter which gives the width of the settlement trough. For the Güngören Formation k parameter can be determined by 1-tan.