İstanbul Kaynarca-Sabiha Gökçen metro hattı mühendislik jeolojisi ve karşılaşılan problemlerin tünel mühendisliği açısından incelenmesi
The engineering geology of Istanbul Kaynarca-Sabiha Gokcen metro line and analysis of the critical areas in terms of tunnel engineering
Yazar: CANSU ESMER
Danışman: DOÇ. DR. Yılmaz Mahmutoğlu
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
İstanbul'un nüfusunun son yıllarda hızlı bir artış göstermesi nedeniyle ulaşımdaki sorunların giderilmesi amacıyla çalışmalar hızlandırılmıştır. Bu doğrultuda metro projeleri ile hem bağlantıların sağlanması hem de ulaşımın kolaylaştırılması amacıyla birçok çalışma yapılmaktadır. Kartal-Kaynarca Metro Hattı'nın devamı niteliğinde olan Kaynarca-Sabiha Gökçen Metro Hattı ile önemli bir konumda olan havaalanına ulaşımın Kadıköy'den kesintisiz bir şekilde yapılması hedeflenmiştir. 
Güzergahın jeolojisi incelendiğinde; tünel seviyesinde genellikle Kurtköy, Gözdağ, Dolayoba ve Sultanbeyli Formasyonları'na ait birimlere rastlanacağı tahmin edilmektedir. Sağ hatta göre Km:0+780 ile Km:1+080 arasında eski taş ocağı varlığı tespit edilmiş ve bu bölge kontrolsüz olarak doldurulmuş olup, mevcut dolgu heterojen bir yapıya sahiptir. Yine sağ hatta göre Km:4+920'ye kadar Gözdağ ve Dolayoba Formasyonları'na, Km:6+220'ye kadar Kurtköy Formasyonu'na, Km:7+020'ye kadar Sultanbeyli Formasyonu'na ve Km:7+020'den tünel sonuna kadar ise yine Kurtköy Formasyonu'na ait birimlerde tünel kazısının gerçekleşeceği öngörülmektedir. Kurtköy İstasyonu tamamen Kurtköy Formasyonu içerisinde kazılacak olup, Sabiha Gökçen İstasyonu'na doğru ise yine kumtaşı, çamurtaşı-şeyl, çakıltaşı ardalanmalarından oluşan aynı formasyon ve bu formasyonun üzerindeki ayrışmış birimler içerisinde kazının gerçekleşmesi beklenmektedir. Tünel seviyesinde büyük bir oranda yer alan Dolayoba Formasyonu iyi kaya kalitesinin yanı sıra büyük boşluklar içermektedir.
Kaynarca-Sabiha Gökçen Metro Hattı'nın büyük bir bölümü delme-patlatma yöntemi ile açılmaktadır. Kaya kalitesinin düşük olduğu veya delme-patlama ile açılması mümkün olmayan bölgelerde ise geleneksel yöntemler kullanılarak tünel kazı işlemleri yapılmaktadır. Delme-patlatma veya geleneksel yöntemler ile açılan tüneller, kaya sınıfına göre uygun destek sistemi kullanılarak desteklenmektedir. İBB'nin şehir içi metro tünelleri için belirlemiş olduğu destek sistemine göre kazı destek sınıfı A1-A5 arasındadır ve projede de bu kazı destek sınıflaması kullanılmaktadır. 
Bu çalışma kapsamında Kaynarca-Sabiha Gökçen Metro Hattı'nın mühendislik jeolojisi incelenmiş ve özellikle kritik bölgelerdeki (Km:0+300-0+600, Km:0+850-0+980) sınır koşulları belirlenerek, bu kesimler sayısal olarak modellenmiş ve analiz edilmiştir. 
Tez kapsamında projenin jeolojisinin belirlenmesi ve güvenli bir kazı için doğru tasarımın yapılabilmesi için sondaj çalışmaları ve bu çalışmalardan elde edilen veriler doğrultusunda arazi ve laboratuvar deneyleri yapılmıştır. Projelendirme aşamasında elde edilen deney sonuçları değerlendirmelerde kullanılmıştır. 
Metro tünel kazılarında en çok karşılaşılan sorunlar; tünelin yapı ile etkileşimi, düşük örtü kalınlığı ve dolgu kalınlığından kaynaklanan kemerlenme, stabilite  problemi ve tünellerde su geliri olasılığı, yine bu tez içinde değerlendirilmiştir.
Güzergah üzerinde bulunan ve İstanbul'un en eski gaz beton üretim fabrikası olan Ytong Fabrikası altından geçişte, tünel kazıları ve kazının delme-patlatma yöntemi ile yapılması nedeniyle, fabrikaya ait tesislerde hasar ve güvenlik endişesi göz önünde tutularak detaylı bir irdeleme yapılmıştır. Kaya kütlesi kalitesi değerlerine göre belirlenen kazı destek sistemlerinden, öngörülen destek sınıfının kullanılması durumunda tünel deformasyonlarının çok düşük seviyelerde kalacağı ve projelendirilen patlatmalı kazının kritik bölgelerde herhangi bir hasar oluşturmayacağı tespit edilmiştir. Yapılan tünel kazılarının daha güvenli bir şekilde ilerletilmesi adına öneri izleme tekniklerine de yer verilmiştir.
Eski taş ocağı bölgesinin altından geçecek olan anahat tünellerinde kalın dolgu tabakası ve örtü kalınlığının yaklaşık olarak 17 m mertebesinde olması nedeniyle, bu kritik kesim dikkate alınarak, güvenlik ve yapım riskleri gerekçe gösterilerek, yaklaşık 130 metrelik kesim için projeci kuruluş tarafından pilot tünel uygulaması önerilmiştir. Bu durum bölgenin sayısallaştırılan modeli analiz edilerek, pilot tünelin gerekliliği araştırılmıştır. 
Yapılan analiz sonuçlarına göre bu bölgede açılacak olan A tipi tünel kesitinin A3 kazı destek sistemi kullanılması durumunda, pilot tünel uygulamasının gereksiz olduğu, tünellerin açılmasında bir sorun olmadığı ve deformasyonların maksimum 3 mm mertebesinde olduğu öngörülmüştür. Anakayanın geçirimliliği nedeniyle tünel içerisinde su gelirinin olma ihtimali incelenmiş ve sınır değerler elde edilmiştir. Yapılan sondajlardan alınan ortalama permeabilite değerine göre yapılan hesaplamalarda tünel kazıları açısından sorun oluşturmayacağı; fakat kazı hızını etkilemesi durumuna karşı tünel içerisinden enjeksiyon uygulaması önerilmiştir. Aynı şekilde kayanın sağlamlığından dolayı yapılacak olan delme-patlatma kazısı nedeniyle önceki araştırmacılar tarafından hazırlanan özel patlatma paternleri de gözden geçirilmiştir. 
Ayrıca, sorunlu kesimlerden Şeyhli İstasyonu'nda merdiven kazılarında meydana gelen göçüğün nedeni araştırılmış ve jeolojik kesitteki eksiklikler giderilmiştir. Yeraltı araştırma verilerine göre oluşturulan jeolojik modele göre, andezitik dayktan oluşan kesimin yatay olarak devam etmediği, bu kesimin anakayanın ayrışmış birimlerine ait olduğu öngörülerek jeolojik kesitte değişiklikler yapılmıştır. Bu kesimlerdeki göçüklerde merdiven tüneli aynalarının uzun süre desteksiz bekletilmesinin de etkili olabileceği sonucuna ulaşılmıştır. Zayıf birim nedeniyle tünel tavanına, anakayaya varıncaya dek zemin iyileştirme uygulaması yapılması öngörülmüş ve örnek uygulama paternine yer verilmiştir.

Abstract:
Due to the rapid growth  in Istanbul's population, construction industry has been accelerated in order to overcome the transportation problems. Within this context, large scale of metro projects are under construction for both improving connections and simplifying the transportation. With the Kaynarca-Sabiha Gökçen Metro Line, which is the continuation of the Kartal-Kaynarca Metro Line Project, it is aimed to connect Kadıköy to one of the most important location, airport, with  an uninterrupted line. Within the scope of this study, the engineering geology of Kaynarca-Sabiha Gökçen Metro Line was examined and the boundary conditions in critical areas were numerically modelled and analyzed.
As the geology of the alignment is examined, it is predicted that the tunnel excavation level will be encountered with units belonging to Kurtköy, Gözdağ, Dolayoba and Sultanbeyli Formations. According to the right line, the existence of an old stone quarry was determined between Ch:0+780 and Ch:1+080. This section is filled unrestrainedly and the existing filling has a heterogeneous structure. According to the right line again until Ch:4+920 Gözdağ and Dolayoba Formation, until Ch:6+220, Kurtköy Formation, until Ch:7+020 Sultanbeyli Formation and from Ch:7+020 to the end of the line Kurköy Formation are estimated that tunnel excavation will take place in these units. Kurtköy Station will be completely excavated in the Kurtköy Formation and towards the Sabiha Gökçen Station it is expected to be excavated again in the same formation consisting of intercalation of sandstone, mudstone-shale, and conglomerate and also the separated units upper this formation. Dolayoba Formation, which is located at a large proportion of the tunnel sections, has large voids as well as good rock quality.
A large part of the Kaynarca-Sabiha Gökçen Metro Line is being drilled and blasted. Tunnel excavation is carried out using conventional methods in areas where rock quality is low or where drilling-explosion is not possible. The drilling-blasting or the tunnel opened by conventional methods are supported using the appropriate support system according to the rock class. According to the support system that the IBB has determined for urban metro tunnels, the excavation support class is between A1 and A5. This excavation support classification is used in the project.
Within the scope of this study, the engineering geology of Kaynarca-Sabiha Gökçen Metro Line was investigated and boundary conditions in critical regions (Ch:0+300-0+600, Ch:0+ 850-0+980) were determined and numerically modeled and analyzed.

In the scope of the this thesis, in order to determine the geology of the alignment and modelling the correct design for a safe excavation, drilling studies, field and laboratory experiments were carried out in the direction of the data obtained from these studies. Test results obtained from the design stage experiments were used in evaluations.
The most common underground tunnel excavation issues such as; interaction of tunnel with the structure, the probability of stability problems due to lower overburden and thickness of the filling, and the probability of the water ingress inside the tunnels.
As per the safety reasons and the possibility of causing damages on buildings due to tunnel excavations and the use of drilling-blasting method under the Ytong Factory, which is the oldest gas concrete production factory in Istanbul, has been investigated with a wide perpective. It has been determined from the excavation support systems that the rock mass quality is determined. The tunnel deformation remains at very low levels and that no damage will occur to the structure as a result of using the determined maximum explosive in critical areas. Suggestion monitoring techniques are also included in order to make the tunnel excavations more secure.
The pilot tunnel application for approximately 130 meter along tunnel has been requested by the Project Designer because of the thick fill layer and the overburden of approximately 17 m from tunnel crown which will pass under the old stone quarry area. According to the analyzing the numerically modeled of this occasion, the necessity of the pilot tunnel was investigated. 
Due to the permeability of the mainland, the probability of water ingress in the tunnel was examined and limit values were obtained. In the calculations made according to the drilling data, which has the highest permeability value from the drilling, it is suggested to inject through the tunnel against the tunnel excavation but it would affect the excavation speed. In the same way, special patterns prepared by the university due to drilling-blasting excavation due to the stability of the rocks are included in this study.
In addition, the problematic sections have been investigated in Şeyhli Station which is 180 m long, according to the right line reference between Ch:3+406 and Ch:3+586. In these area, collapse occurred in the stair tunnel excavations. According to the geological model which is based on the data obtained from the underground research, it was determined that the section composed of andesitic basalt continued horizontally. The limestones belonging to Dolayoba Formation and feldspar sandstones belonging to Gözdağ Formation are located at the tunnel section of the station. In addition, dike intrusions were identified in these areas. While the drilling data are evaluated and the geological profile is prepared, dykes are shown in the horizontal position at the tunnel crown. However, core trays have been reconsidered it has been found that the separated units of the Gözdağ Formation are located in the openings of the B3 type stair tunnels at the tunnel crown, where these dykes are located vertically in some regions that have not progressed horizontally. It was observed that the limestones belonging to Dolayoba Formation under Sultanbeyli Formation were located in a certain region during the excavations.
These sections have reached the conclusion that stair tunnel face can be effective for long periods without support. Due to the weak unit, it is foreseen to apply the soil improvement application to the tunnel crown to the bedrock and the sample application pattern is included. On the other hand, it is thought that the interruption of the face excavations for a certain period of time (the unsupported face is kept waiting for a long time) is thought to be effective in the material coming from the tunnel crown.