Tünel tasarımına etki eden faktörlerin incelenmesi
Investigation of the factors affecting the design of tunnel structures
Yazar: ONUR EFE HEPBOSTANCI
Danışman: PROF. DR. TURGUT ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü / Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Bolu Dağı Tüneli = Bolu Mountain Tunnel ; Kapasite tasarımı = Capacity design ; Sulama tüneli = Irrigation tunnel ; Tüp tüneller = Submerged tunnels

Özet:
TÜNEL TASARIMINA ETKİ EDEN FAKTÖRLERİN İNCELENMESİ
ÖZET
Tünellerin tasarımı için zemin koşullarına, kullanım amacına ve imalat tekniklerine
bağlı olarak ortaya çıkabilecek faktörler göz önünde bulundurularak farklı yaklaşımlar
ve yöntemler geliştirilmiştir. Bunları kullanarak ülkemizde ve dünyada toplumsal
refah seviyesini arttıracak yapılar inşa edilmiş ve devreye alınmıştır. Dünya nüfusunun
hızla artışı göz önüne alındığında bu yapılara olan ihtiyacın günden güne artacağı
kolayca tahmin edilecektir. Tünellerin tasarımının daha doğru olarak
gerçekleştirilmesi için tasarımda göz önünde bulundurulması gereken faktörlerin
gerçeğe yakın bir şekilde ele alınması, yapının inşa edileceği zemin hakkında yeterli
araştırma yapılması büyük önem taşımaktadır.
Tünellerin yapımında kullanılan betonarme elemanların geometrisi ve üretim
yöntemleri tünel açma yöntemlerine göre değişiklikler göstermektedir. Ekonomik
koşullar dikkate alınarak bu yöntemlere tasarımcı tarafından karar verilmektedir. Fakat
yapım aşamaları içerisinde dikkate alınmayan sebepler ile hem yapım süresi
gecikmekte hem de onarım masrafları ortaya çıkmaktadır. Yapıda onarım yapmak
zorunda kalınmaktadır ve onarılmış bir yapı doğru yapılmış bir yapıdan daha maliyetli
ve daha güvensiz olmaktadır. Hataların en aza indirilmesi amacıyla tasarım süreci
yapımın tamamını kapsaması, tüm parametrelerin doğru değerlerle ele alması
gerekmektedir. Bu amaçla bu yayında tasarım aşamaları, bu aşamaların yürütülmesi,
ortaya çıkabilecek hatalar üzerinden değerlendirmeler sunulmaya çalışılmıştır.
Tüneller metro yapıları olarak yaygınlaştıkça şehirlerde yapı tünel etkileşimli
problemler de artmaktadır. Hesap aşamasında tünel üzerine yapılacak bir yapının
tünelde meydana getireceği etkiler incelenecektir.
Birinci bölümde tünellerin kullanım amaçları, ülkemizde yapılan tüneller
incelenmiştir. Tünel açma yöntemlerine ve kullanım amacına göre değişen tünel
kesitleri verilmiştir. Tünel tasarımı konusunda günümüze kadar yapılmış ulusal ve
uluslararası başlıca çalışmalar incelenmiştir. İkinci bölümde farklı tünel açma
yöntemlerine göre tasarım ve üretimin nasıl şekillendiği özetlenmiştir. Bu bölümde del
patlat yöntemi, aç kapa yöntemi, mekanize tünel açma yöntemleri ve diğer
yöntemlerden bahsedilmiştir. Tünellerin yapım amaçlarına göre hangi yöntemin daha
uygun olacağına dair fikirlere yer verilmiştir. Farklı zemin koşullarında tünel açılması
amacıyla üretilmiş tünel açma makinelerinden örneklere yer verilmiştir. Üçüncü
bölümde ise tasarımın konusu olan destek yapısı hesabının hangi yöntemler ile
yapıldığı, hesap aşamasında gerekli olan bilgiler ortaya konulmuştur. Tünel projesinin
oluşturulması ve yapım aşamasında tasarımın gözden geçirilmesi amacıyla yapılması
gereken proje adımlarından bahsedilmiştir. Günümüze kadar olan süreçte kullanılan
sınıflandırma yöntemleri incelenmiş ve bu yöntemlere ait sınıflandırma tabloları
verilmiştir. Sınıflandırma tablolarından elde edilen parametreler ile destek yapısının
belirlenmesine ait çalışmalar verilmiştir. Bu bölümde sonlu elemanlar yöntemi
açıklanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan örnek çalışmalar ve modeller
incelenmiştir. Bu modellerde oluşan destekli ve desteksiz tünel açma aşamalarının
xxiv
hesap sonuçlarındaki yük dağılımları ortaya konulmuştur. Dördüncü bölümde Makine
kazısı sırasında ortaya çıkmış kafes (truss) kuvvetinin sebebiyet verdiği destek yapısı
hasarları incelenmiştir. Yapım aşamasında ortaya çıkan hasarlardan bahsedilmiştir.
Hesaplarda tünel zemin modeli haricinde dikkate alınması gereken ve hasarların
oluşmasına sebebiyet veren yapım aşamalarından bahsedilmiştir. Deprem durumuna
bir örnek olan Wenchuan depreminin meydana getirdiği hasarlar incelenmiştir.
Tünellerde ortaya çıkması muhtemel hasarlar ve bu hasarlar için uygulanabilecek
onarım yöntemleri verilmiştir. Tünel kaplamasında meydana gelebilecek hasarlar
destek yapısının beton hasarları, kullanımı etkileyen hasarlar, taban yüzeyinin
hasarları gibi çeşitli kusurlar olarak oluşabilmektedir. Gözlemler sonucunda, destek
yapılarında çeşitli çatlakların meydana geldiği tespit edilmiştir. Türk Standardında
[TS500] bu çatlaklar 0.3mm'de sınırlandırılmıştır. Fakat belirtilen mertebenin tünel
destek yapısında elde edilebilmesi için dış basıncın tüm tünel yapısına dağılımı ve
denge durumunun sağlanması gerekmektedir. Bu durumun çeşitli nedenlerle
sağlanamadığı, zeminin değişken yapısı ve yapım yöntemlerinin etkisi
gözlemlenmiştir. Kaplamalarda üretim, taşıma, yerleştirme ve diğer yapım
aşamalarında dahi çatlakların oluşabildiği gözlemlenmiştir. Günümüzde hasarların
giderilmesi amacıyla kimyasal ürünler ile çözümler üretilmektedir. Bu ürünlerin
uygulanması için yapılması gerekenler ve nerelerde uygulanabileceğine dair öneriler
sunulmuştur. Yapım aşamasında olan bir tünelde yapılan enjeksiyon ve onarım
uygulaması verilmiştir. Tünel yapısını destekleyebilecek ve tünel açılmasında zemin
koşullarını iyileştirerek daha uygun koşullarda tünel açılmasına müsaade edecek olan
öncül enjeksiyon yöntemi incelenmiştir.
5. bölümde Plaxis programından yararlanılarak zemin içerisine mevcut tünel olması
durumunda yüzeyde yapılan yapının tünelin konumuna dayalı olarak ve farklı zemin
koşullarında tünel içerisinde meydana getireceği taban deformasyonu değişimi
irdelenmiştir. Trakya formasyonuna ait olan grovak parçalı kil ve az ayrışmış grovak
zeminlerde, tünel örtü kalınlığının 5, 10 ve 15 metre olduğu yapımı tamamlanmış,
Kartal –Kadıköy metro hattı projelerinde A1 kesiti ile verilen mekanize açılmış tünel
üzerine yapılan 5, 10 ve 15 katlı bir yapının tünel kaplamasında oluşturacağı etkiler
hesaplanmıştır. Hesaplarda ray üstü düşey yer değiştirmeleri ve tünel kaplaması kesit
tesirleri elde edilerek elde edilen değerler irdelenmiştir. Tünel örtü kalınlığına bağlı
olarak iki farklı zemin tipinde yapı yapılması durumunda ortaya çıkacak düşey yer
değiştirmelere ait bağıntılar elde edilmiştir. Bu bağıntıların hesabı için ray üstü
noktalarında elde edilen meydana gelecek düşey deformasyonun sonuçları yapım
zamanı ile ilişkilendirilerek eğriselleştirilmiştir. Hesaplar 7 aşamada
gerçekleştirilmiştir. 5. aşama, 6. aşama ve 7. aşamalar tünel-yapı etkileşimini ele
almaktadır. Bu aşamalarda üçer adet nokta olmak üzere iki hesap için toplam 6 adet
nokta tespit edilmiştir. Bu noktaların birbiriyle ilişkili olan her üçünden geçen eğrinin
bağıntısı yazılarak grovak parçalı kil zemin ve az ayrışmış grovak zeminde 5 metre ile
15 metre arasında iki adet bağıntı önerilmiştir. Fakat düşey yer değiştirmelerin
belirlenmesi için kesin hesap yapılması gerekmektedir.
Sonuçlar kısmında, tünel tasarımının yapılması sırasında ek kazı yükleri, elemanların
taşınması sırasında oluşan yükler gibi ön koşulların da iyi bir şekilde değerlendirilmesi
gerekmektedir. Bu durumlara özgün, bölütlerin korunmasını amaçlayan donatım
sistemlerinin ve ek detayların düşünülmesi gerekmekte olduğu belirtilmiştir. Yapım
aşamalarının detaylı bir şekilde ele alınarak her aşamada kullanılacak olan makine,
donanım ve diğer etkenlerin tünel kaplamasına olan etkisi değerlendirilmelidir.
Tasarım aşamasının tünel yapımı boyunca devam etmesi gerektiği ortaya konulmuştur. 
xxv
Ortaya çıkabilecek hasarların önlenmesi özellikle zeminin farklı yüklerinin tünel
kaplaması üzerinde ortaya çıkaracağı farklı yük ve yer değiştirmelerin tünele etkisinin
azaltılması ile mümkün olmaktadır. Bu amaçla tünel kaplaması arkasına yapılacak
enjeksiyon harcının sıkışabilir tipte olmasının faydalı olduğu belirlenmiştir. Ayrıca
tünel destek yapısı ile zemin arasına enjeksiyon uygulanarak zeminin kendi içinde
kenetlenmesi ve farklı yük dağılımlarının engellenmesi sağlanarak tünel iç yüzeyinde
meydana gelecek hasarlar önemli ölçüde azaltabilir. Tünel kaplaması arkasından gelen
suyun engellenmesi için sırasıyla enjeksiyon harcı ve daha sonra kimyasal birleşimler
kullanılması önerilmiştir. Tünel-yapı etkileşimi incelendiğinde grovak parçalı kil
zeminlerde, az ayrışmış grovak zemine oranla daha yüksek kesit tesirleri ve ray üstü
yer değiştirmeleri meydana geldiği görülmüştür. Tünel örtüsünün 10 metreden daha
az olması durumunda ray üstü yer değiştirmeleri 1 cm değerini geçmektedir. Tünel
örtüsü arttıkça düşey yer değiştirmelerin azalması eğrilerden elde edilen eğimler
incelendiğinde 5 metre örtü kalınlığına sahip iken grovak parçalı kil zeminde kat
sayısıyla orantılı olarak negatif yönde arttığı elde edilmiştir. Aynı zeminde 10 metre
ve 15 metre örtü kalınlıklarında düşey deformasyonun eğiminin kat sayısına bağlı
olarak negatif yönde azaldığı tespit edilmiştir. Az ayrışmış grovak zeminde 5 metre
örtü kalınlığında düşey yer değiştirmelerin yapının yapım sürecinde eğiminin arttığı
gözlenirken 10 metre ve 15 metre örtü kalınlıklarında artış azalışların çok daha düşük
değerlerde meydana geldiği gözlenmiştir.

Abstract:
INVESTIGATION OF THE FACTORS AFFECTING DESIGN OF TUNNEL
STRUCTURES
SUMMARY
In many places of the world tunnels are playing an essential role. Tunnels can connect
two points directly under the ground. This feature makes tunnels unique. If we
generalize the main uses of tunnel structure, tunnels can be designed for Electricalmechanical
works, transportation, irrigation, drainage, service or military purposes etc.
Design methods of tunnel structures vary. New approaches are including more
information about the geological details and the effective forces. Many structures have
been designed by using these methods.
This study will investigate the different methods and the details of the design impact
and how it is getting addressed in the design. Tunnel lining damages, the possible
causes and damage mechanisms are investigated. The precautions and advices are
explained. Tunnel structure resists to earth and water pressure, also the excavation
machine pressure and vibrations. During the transportation to destination tunnel parts
can be damaged. These damages or cracks can be visible or invisible but under loading
conditions it has been observed that damages are getting more visible.
To prevent damage mechanisms precautions must be unique for tunnel design.
Loading on the segment plate's start at early stages and the compaction injection plays
key role to minimize any damage.
The geometry and production methods of the reinforced concrete elements used in the
construction of tunnels vary according to the tunneling methods. The designer
considering the economic conditions decides these methods. However, due to reasons
not considered during the construction phases, the construction period is delayed and
repair costs arise. It is forced to make repairs in the structure and a repaired structure
is more costly and unsafe than a properly constructed structure. To minimize errors,
design process should cover all parameters with correct values. For this purpose, in
this publication, the design phases, the execution of these phases, the evaluations based
on the errors that can occur are tried to be presented. As tunnels become more prevalent
as subway structures, problems related to building tunnel interactions are also
increasing in cities. In the last part, the effects that will be on the tunnel will be
examined.
In the first part, the purpose of the tunnels and the tunnel made in our country are
examined. Tunneling methods and tunnel sections varying according to the purpose of
use are given. The main national and international studies on tunnel design have been
studied up to date. The second section summarizes how the design and production are
shaped according to different tunneling methods. In this section, drill and blast method,
open cover method, mechanical opening method and other methods are mentioned.
Some ideas about which method would be more suitable for the purposes of production
of the tunnels are given. Examples of the tunneling machines that produced for
tunneling under different ground conditions are given. In the third part, the support 
xxviii
structure account which is the subject of the design is provided with the necessary
information in the account phase. The project steps that must be done to create the
tunnel project and visualize the design during construction phases are mentioned.
Classification methods used in the process up to the sun are examined and
classification tables of these methods are given. The parameters obtained from the
classification tables and studies on the determination of support structure are given.
This section describes the finite element method. Model studies and model studies with
finite element method have been investigated. The load distributions of the results of
calculations of supported and unsupported tunnel opening stages in these models are
presented. In the fourth chapter, damage of supporting structure caused by truss caused
by machine excavation is investigated. Damage that occurred during the construction
phase is mentioned. The calculations mention the construction steps that should be
considered except for the tunnel floor model and which cause damage to occur.
Damage caused by Wenchang earthquake, an example of an earthquake, has been
investigated. Possible damages to be found in the tunnels and repair methods which
can be applied for these damages are given. Damage that may occur in tunnel walls
may be caused by various defects such as concrete damage, damage affecting the use,
damage to the floor surface. Because of observations, it has been found that various
cracks occur in support structures. In the Turkish Reinforced Concrete Code [TS500]
these cracks are limited to 0.3mm. However, to be able to obtain the specified order at
the tunnel support structure, it is necessary to distribute the external pressure to the
entire tunnel structure and to provide the equilibrium state. The effect of the variable
structure of the ground and the construction methods, which this condition cannot be
achieved for various reasons, has been observed. It has been observed that cracks can
occur in the linings even during production, transportation, installation and other
construction stages. Nowadays chemical products and solutions are being produced to
eliminate the damages. Suggestions on how to apply these products and where to apply
them are presented. Injection and repairs were made in a tunnel in construction phase.
The ground an injection body is built up in front of the tunnel face using injection drills
through the cutter head and the shield method which can support the tunnel
construction. This method will allow the tunnels to be opened in more favorable
conditions by improving the ground conditions.
In the fifth section, using the Plaxis program, in case of existing tunnel inside the soil,
the change of the base deformation due to the construction of the tunnel based on the
position of the tunnel and in the tunnel under different soil conditions is examined.
Tunnel cover thickness of 5, 10 and 15 meters was completed in the greywacke clay
and lowly dispersed greywacke soils belonging to the Trakya formation. Tunnels of 5,
10 and 15 stories made on the tunnel opened by the A1 section of Kartal-Kadıköy
metro project. The effects that will occur in the lining are calculated. In the
calculations, the values obtained by obtaining the vertical deformation on the rail and
the sectioning effects of the tunnel lining were examined. According to the tunnel
cover thickness, the correlations of the vertical deformations that would occur in case
of construction in two different soil types were obtained. The results of the vertical
deformation on the rafts obtained at the rail points for these relational accounts are
curved in relation to the construction time. The calculations were carried out in 7
stages. Phase 5, Phase 6 and Phase 7 address the tunnel-structure interaction. At these
stages, a total of 6 points were determined for the two accounts, including three points.
The relationship of these three points to each other is suggested, and two correlations
between 5 meters and 15 meters are proposed in the greywacke clay soil and the
slightly separated greywacke soil. However, a precise calculation is required to 
xxix
determine vertical deformations. In the conclusion, preliminary conditions such as
additional excavation loads during loading of the elements, loads during the movement
of the elements should be evaluated well in the tunnel design. In these cases, it is stated
that the original equipment, the equipment systems aiming to protect the seats and
additional details should be considered. The effects of the machinery, equipment and
other factors to be used at each stage on the tunnel lining should be evaluated,
considering the construction steps in detail. It has been demonstrated that the design
phase should continue throughout the tunnel construction. Prevention of damage that
may occur is possible by reducing the tunneling effect of different loads and
deformations, which will occur especially on the tunnel lining of different loads of the
soil. For this purpose, it has been determined that it is beneficial for the injection mortar
to be made of a compressible type behind the tunnel lining. In addition, by injecting
between the tunnel support structure and the soil, the soil can be clamped and different
load distributions can be prevented, which can significantly reduce damages on the
inner surface of the tunnel. It has been proposed to use injection mortar and then
chemical compounding to prevent excessive water behind the tunnel lining,
respectively. When the tunnel-structure interaction is examined, it is seen that in clay
soils with greywacke fragments, higher cross-sectional effects and over-rail
deformations occur compared to less-diffused greywacke floors. If the tunnel cover is
less than 10 meters, the on-rail deformations exceed 1 cm. As the tunnel cover
increases, the vertical deformation decreases. When the slopes obtained from the
curves are examined, it has a cover thickness of 5 meters, whereas the clay layer with
greywacke clay has increased in the negative direction in proportion to the number of
floors. It has been found that the vertical slope of 10 m and 15 m of cover thickness
decreases in the negative direction due to the number of coats of the same slope. It was
observed that the vertical slope of the 5-meter cover thickness of the greywacke soil
was slightly increased, while the increase in the 10-meter and 15-meter cover
thicknesses occurred at much lower values.