İncirli-Bakırköy IDO istasyonları arasındaki metro tüneli etki alanının belirlenmesi ve olası yüzey oturma miktarlarının saptanması
Determination of the influence area and possible settlement amounts of the metro tunnel between İncirli- Bakırköy İDO stations
Yazar: SERPİL KARAKAYA
Danışman: DOÇ. DR. ENVER VURAL YAVUZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
İstanbul nüfusunun her geçen gün biraz daha kalabalıklaşması, var olan ulaşım sorunlarının daha da artmasına sebep olmaktadır. Bu sorunları çözmek ve yeni sorunların oluşmasını önlemek amacıyla ek metro ve bağlantı projeleri geliştirilmektedir. Sekiz bin sekiz yüz metre uzunluğundaki Bakırköy-Bahçelievler-Kirazlı Metro Hattı da, Başakşehir Metrokent-Kirazlı ve Olimpiyat-Kirazlı metro hatlarının devamı olacak şekilde planlanmıştır. Bu hat ile birlikte, bölgedeki yoğunluğun azalması ve ulaşımın kesinti olmaksızın sağlanması amaçlanmaktadır.
Bu araştırma kapsamında, söz konusu güzergahın İncirli-Bakırköy İDO istasyonları arasındaki kesimi (Hat-1, Km:4+680- Km:8+593) incelenmiş, gerçekleştirilen detaylı jeolojik ve jeoteknik araştırma çalışmalarının (arazi ve laboratuvar deneyleri) değerlendirilmesi sonucunda; çalışma sahasına ait etki alanı belirlenerek, oturma değerleri hesaplanmıştır.
İncirli-Bakırköy İDO istasyonları arası güzergahta her biri yaklaşık 6.2 km uzunluğunda çift tüp tam mekanize kazı yöntemi ile açılacak "hat yolu tünelleri", güzergahın nispeten daha kısa kesiminde de Yeni Avusturya Tünel Açma Metodu ile açılacak "hat yolu" ve "kuyruk tünelleri" bulunmaktadır. Güzergahın bu kesiminde 4 adet istasyon, hatlar arası geçiş imkanı sağlayan 2 makas yapısı, 1 kuyruk tüneli ve hat yolu tünellerinde birbirine geçiş imkanı sağlayan bağlantı tünelleri bulunmaktadır.
Belirlenen tünellerin açılması için, farklı tünel açma yöntemleri kullanılmıştır. Peron tünelleri ve makas tünellerinde Yeni Avusturya Tüneli Metodu ve Aç-Kapa (CC-Cut&Cover) yöntemleri kullanılmıştır. Anahat bağlantı tünelleri ile kuyruk tünellerin de ise Tam Cephe Tünel Açma Makinesi (TBM) kullanılması planlanmıştır. 
NATM tipi tünel açma metodunda, tünel kesitindeki geometriyi çevreleyen kayayı yük taşıyıcı bir tahkimat elemanı haline getirmek amaçlanır. Zamanla oluşacak deformasyonları izleyerek oluşmuş olan ikincil gerilmelere karşı üçüncül gerilmeler (kaya bulonu vb.) oluşturarak, kontrollü bir gerilme sağlanır. Tünel, önce kazılır sonra bulonlar, çelik hasır ve iksa elemanlarıyla güçlendirme yapılır. Ardından püskürtme beton yapılır. Daha ekonomik bir yöntem olmasına rağmen, ortam koşullarından fazlasıyla etkilenir.Bu da tünelde ilerleme süresini uzatır.
 TBM ise; kazarak ilerleyen,ortaya çıkan kazı malzemesini arkasındaki hafriyat nakliye elemanlarına ileten, aynı zamanda prefabrik hazırlanmış betonarme segmentleri kazıp geçtiği yerlere monte ederek ilerleyen bir makinedir. Diğer yöntemlere göre daha sessiz, titeşimsiz, hızlı ve daha güvenlidir. Çalışma sırasında bulunduğu litolojiden, geçiş yapacağı litolojiyi tespit eder ve hazırlıklarını ona göre yapar. Uygun delici başlık, tahkimat, işletletme ve taşıma sistemleri ile her ortamda uygulanabilir. 
Aç- Kapa Yöntemi ise genel olarak, yüzeye yakın kısımlarda, bazen bir taşıt yolunun çığlardan ve yamaç hareketlerinden korunması amacıyla yapılan çığ ve yamaç tünellerinde, kanalizasyon, içme suyu tünelleri ve yer altı geçitlerinin (yaya-menfez) inşaası amacıyla, kazı boşluğu çevresi desteklendikten sonra açık havada kazılması ve daha sonra üzerinin örtülmesi şeklinde uygulanan kolay ve ekonomik olan bir yöntemdir. Kazıya başlamadan önce, kazılacak alan beton duvar perdesi veya betonarme bulonlarla desteklenir. Sonra yüzeyden hendekler kazılarak alan açılır. Yeraltı suyu seviyesi normalin üzerindeyse su seviyesi düşürülür ya da su tamamen drene edilir. Kazı işlemi bittikten sonra, çalışma alanı betorme duvar ya da kemer yapısı oluşturularak kapatılır.
Ayrıca farklı tip tüneller de bulunmaktadır. Bunlar; hat yollarını içeren A tipi tüneller, platformları içeren P tünelleri,makas yapılarını içeren T tünelleri ve bağlantı tünelleri olan B tipi tünellerdir. Bununla beraber, her bir tünel tipi için özel olan tip kesitleri hazırlanır. 
Güzergah jeolojisine bakıldığında; ortamda Çekmece Formasyonu'na ait Bakırköy Üyesi'nin (Tçeb) hakim olduğu görülmektedir. Bu formasyon, alttan üste doğru genel bir sıralama ile kum-çakıl, kil-mil ve marn-kireçtaşının egemen olduğu üç farklı düzeyi kapsar. Birbiriyle yanal ve düşey girişim yapan ve biri diğerinin eşdeğer kaya türlerini de seyrek arakatkılar halinde bünyesinde bulunduran bu üç düzey, alttan üste doğru Çukurçeşme Üyesi, Güngören Üyesi ve Bakırköy Üyesi adlarıyla incelenmiştir. 
Güngören Üyesi, kum-mil ara katkılı killerden oluşmaktadır. Çekmece Formasyonu'nun üst düzeylerini oluşturan üst Miyosen yaşındaki Bakırköy Üyesi büyük bölümüyle kireçtaşından oluşur; değişen oranda kil ve marn ara katkılıdır. Referans olarak alınan 27 sondaj çalışmasından da yararlanılarak güzergahın jeolojik en kesiti çıkarılmış, ayrıca çalışma sahasından alınan örnekler kullanılarak arazi ve laboratuvar deneyleri gerçekleştirilmiş ve böylelikle ortam özellikleri saptanmıştır. 
Etki alanı belirlenirken; güzergaha ait bilgiler 20 m aralıklı olmakla birlikte, litoloji, hacim kaybı, örtü kalınlığı, tünel çapı, tüneller arası mesafe, litolojiye bağlı K ampirik sabiti gibi farklı parametreler kullanılmıştır. Etki alanı zonu 100 m olarak kabul edilip, sınırlar 1 mm, 5 mm,10 mm ve 20 mm olarak belirlenmiş ve güzergaha ait çizim üzerinde gösterilmiştir.
Örtü kalınlığının tünel çapının iki katından daha az olduğu kesimlerde hacim kaybı %1 den az iken örtü kalınlığının tünel çapının iki katından daha büyük olduğu kesimlerde hacim kaybı %1.5 dan büyük olmayacaktır. Yapılarda azami oturma/kabarma 25 mm yi aşmayacaktır. Kagir, yığma yapılar ile tarihi yapılar için limit değer 10 mm dir. Binalar için azami açısal dönme değeri 1/500 dür. 
Tünel kazısı nedeniyle oluşan zemin hareketleri çok sayıda arazi ölçümüne dayandırılarak geçerliliği kanıtlanmış ampirik metodlar ile hesaplanmaktadır. Peck (1969) yüzey oturma eğrisinin olasılık dağılım eğrisi (Gauss dağılımı) ile temsil edilebileceğini ifade etmiştir. Buna ek olarak, Mair (1993) yüzeyaltı oturmalarının da (bodrumlu yapıların temel alt seviyesinde oluşması beklenen oturma hesapları da bu gruba dahil edilebilir) yüzey oturmalarına benzer şekilde Gauss dağılımı ile karakterize edilebileceğini belirtmiştir. Tez kapsamında da bu yaklaşım kabul edilmiştir.
Temel olarak kazı yapılacak ortamın türüne bağlı olan (K) amprik sabiti oturma/tasman eğrisinin genişliğini tariflemektedir. Granüler zeminler için bu parametrenin genellikle 0.25 – 0.35; kohezif zeminler içinse 0.40 – 0.55 arasında değişen değerler (çok yumuşak siltli killer için 0.7 değerine ulaştığı rapor edilmiştir) aldığı varsayılmaktadır.
Beklenen yüzey oturmalarının temel sebebi tünel kazıları nedeniyle oluşan hacim kaybıdır. Birim uzunluktaki tünel için oturma eğrisinin üzerinde kalan alan teorik kazı hacminden daha büyük olan kazılacak zemin hacmine karşılık gelmektedir. Uzun dönemde, bu iki hacim değeri arasındaki farkın ihmal edilebilecek mertebelerde olması sebebiyle birbirine eşit olduğu düşünülebilir.
Çift tüp tünel kazısı nedeniyle oluşacak yüzey hareketleri "süperpozisyon" ilkesikullanılarak tahmin edilmiştir. İkiz tünellerin etkileşimi: Tünel eksenleri arasındaki mesafenin tünel kazı çapının 3 katından küçük olması halinde ikiz tünellerin etkileşimi ve zemin hareketleri üzerinde arttırıcı yönde tesiri dikkate alınmıştır. İkiz tünellerin etkileşimi, ikinci tünel kazısı sırasında oluşacak hacim kaybının ilk tünel kazısı sırasında zeminde oluşan gevşeme sebebiyle %10 arttırılması ile temsil edilmektedir. Bütün kazı hattı boyunca 1 bodrum katı (~3m) olduğu varsayılıp, oturma hesaplarında örtü kalınlığı ona göre azaltılmıştır.
Oturma analizleri, tünel kazıları nedeniyle oluşması beklenen zemin hareketlerinin tahmini amacıyla yarı-ampirik yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bunun sonucunda, tünel kazılarının oluşturduğu etki alanı içerisinde kalan binalar, uygulamada sıklıkla kullanılan ve farklı  aşamalardan oluşan bina risk değerlendirme metodolojisi esas alınarak incelenmiştir.
 I. aşama değerlendirme, hesaplanan "etki alanı" oturma ve açısal dönme değerleri esas alınarak yapılmaktadır. Buna göre, ilk olarak, hat boyunca binaların oturumlarını ve künye bilgilerini de içeren bir plan görünümü üzerinde hesaplanan yüzey oturmalarına karşılık gelen konturlar çizilir. 
Esas olarak, yapılarda; "estetik", "fonksiyonel" ve "stabilite" olmak üzere üç farklı tipte hasar oluşabilmektedir. Bahsi geçen ana hasar tipleri ve onarım/tadilat kolaylığı göz önünde bulundurularak, yapıların sınıflandırılması için altı farklı kategoriden oluşan bir hasar derecelendirmesi tanımlanmıştır.
Tünel veya yüzey kazılarının etkisiyle oluşacağı tahmin edilen oturmaların 10mm den ve/veya açısal dönmenin Ѳden küçük olduğu hat kesimlerinde bulunan yapılar için beklenen hasarlar "ihmal edilebilir" olarak sınıflandırıldığından daha detaylı bir değerlendirme yapılmayıp (2. aşamaya geçilmez) bu aşamada hasar değerlendirmesi sonlandırılır. İlk aşamada beklenen hasar derecesi az veya daha ağır olan yapılar II. aşama değerlendirmeye tabi tutulmaktadır
Bu modelde yapı; ağırlıksız, elastik, oturma (sagging) ve kabarma (hogging) deformasyon modlarına maruz dikdörtgen kesitli bir kiriş yardımıyla temsil edilmektedir. Bu yaklaşım, çatlak oluşumuna dair mekanizma hakkında fikir vermekte ve kritik birim uzama değerinin (eğilmeden dolayı oluşan birim uzama (εb) ile kesme tesiri nedeniyle oluşan birim uzamadan (εd) büyük olanı) hesaplanmasına imkan sağlamaktadır.
II. aşama değerlendirme, yapının rijitliğini göz ardı edip yapının "greefield" oturma eğrisine uyumlu bir şekilde deforme olacağını varsaydığından konservatif (korunumlu) bir yöntem olarak nitelendirilmektedir. Beklenen hasar derecesinin, "estetik" tipte belirlenmesi durumunda değerlendirme ilgili yapı için bu aşamada sonlandırılır. III. aşama değerlendirme, II. aşamada beklenen hasar derecesi orta veya daha ağır hasarlı olarak tanımlanmış bütün yapılar için yapılmalıdır.
Bu aşamada, çoğunlukla, tünel kazılarının mevcut yapılar üzerindeki etkisinin belirli sınırlar dahilinde benzeştirilmesine imkan sağlayan nümerik yöntemlere (sonlu elemanlar metodu – FEM vb.) dayalı yazılımların kullanımı gerektirir. III. aşama değerlendirmenin sonucunda, herhangi bir yapının hasar derecesinin orta veya daha ağır olarak tespit edilmesi durumunda ya zemin hareketlerini azaltacak yönde etki edecek zemin iyileştirme yöntemleri kullanılmalı ya da yapının tahmin edilen zemin hareketlerinin etkisi altında verdiği tepkiyi olumlu biçimde değiştirecek şekilde bina güçlendirme faaliyetleri gerçekleştirilmelidir.

Abstract:
The fact that the population of Istanbul is becoming more crowded with each passing day causes the existing transportation problems to increase even more. Additional metro and connection projects are being developed to solve these problems and prevent new issues. Eight thousand eight hundred meters long Metro-Bakırköy-Bahçelievler-Kirazlı Metro Line is planned to be the continuation of the Başakşehir Metrokent-Kirazlı and Olympic-Kirazlı metro lines. Together with this line, it is aimed to decrease the density in the region and to ensure transportation without interruption.
Within the scope of this research, the section of this route between Incirli-Bakirkoy IDO stations (Hat-1, Km: 4 + 680- Km: 8 + 593) has been examined and as a result of the detailed geological and geotechnical research studies (field and laboratory tests); By determining the impact area of the project site, the settlement values were calculated.
On the route between İncirli and Bakırköy IDO stations, the line road tunnels, which will be opened with double tube full mechanized excavation method, which is 6.2 km in length, will be opened with the New Austrian Tunneling Method in the relatively shorter section of the route. In this part of the route, there are 4 stations, 2 crossover structures which provide the possibility of transition between the lines, 1 tail tunnel and 'hat line way geçiş, connection tunnels that allow each other to switch between each other.
Different tunneling methods were used for the drilling of the identified tunnels. New Austrian Tunnel Method and CC-Cut & Cover methods were used in platform tunnels and truss tunnels. It is planned to use Full Tunnel Boring Machine (TBM) for outline connection tunnels and tail tunnels. In the NATM type tunneling method, it is aimed to make the rock surrounding the geometry in the tunnel section a load bearing fortification element.
 By controlling the deformations that will occur in time, secondary stresses are formed by creating tertiary stresses (rock bolts, etc.) and a controlled stress is provided. The tunnel is first excavated and then reinforced with bolts, steel mesh and shoring elements. Then the shotcrete is made. Although it is a more economical method, it is greatly affected by the environmental conditions. 
TBM that is a machine that progresses by digging, transmits the excavation material to the excavation transport elements behind it and also progresses by assembling the prefabricated prepared concrete segments to the places where they are excavated. It is quieter, inert, faster and safer than other methods. During the study, it determines the lithology from which it will pass and makes its preparations accordingly. It can be applied in any environment with suitable piercing head, support, operating and transportation systems.
The Cut and Cover Method is generally used in the avalanche and slope tunnels to protect a vehicle road from avalanches and slope movements in the vicinity of the surface, after the excavation space is supported for the construction of sewage, drinking water tunnels and underground passages (pedestrian-culverts). 
It is an easy and economical method to be excavated outdoors and then covered. Before starting the excavation, the area to be excavated is supported by concrete wall curtain or reinforced concrete bolts. Then the trenches were excavated and the area was opened. If the groundwater level is above normal, the water level is lowered or the water is completely drained. After the excavation process is completed, the working area is closed by forming a concrete wall or arch structure.
There are also different types of tunnels. These; A-type tunnels with line paths, P-tunnels with platforms, T-tunnels with shear structures and B-type tunnels with connecting tunnels. In addition, type sections are prepared for each type of tunnel.
Looking at the geology of the alignment; it is observed that Bakırköy Member of the Çekmece Formation (Tçeb) dominates. This formation covers three different levels, which are dominated by sand-gravel, clay-shaft and marl-limestone with an overall order from bottom to top. These three levels, which consist of lateral and vertical interference with one another and the equivalent of the other rock species as sparse intercalations, were investigated from bottom to top with the names of Çukurçeşme Member, Güngören Member and Bakırköy Member. Güngören Member consists of sand-mil intermixed clays. 
The upper Miocene aged Bakırköy Member, which forms the upper levels of the Çekmece Formation, consists of limestones; varying amounts of clay and marl interbedded. The geological section of the route was taken by taking advantage of 27 drillings taken as reference. In addition, field and laboratory tests were carried out using samples from the study area and an idea was given about the properties of the environment.
When determining the influence area; although the information about the route is 20 m apart, different parameters such as lithology, volume loss, cover thickness, tunnel diameter, distance between tunnels, empirical constant K depending on lithology were used. The area of influence is assumed to be 100 m and the boundaries are defined as 1 mm, 5 mm, 10 mm and 20 mm and shown on the drawing of the route.
Volume loss shall not be less than 1% in sections where cover thickness is less than twice the diameter of the tunnel and volume loss shall not be greater than 1.5% in sections where the thickness of the cover is greater than twice the diameter of the tunnel. The maximum seating / swelling of the structures shall not exceed 25 mm. The limit value for masonry, masonry and historic buildings is 10 mm. The maximum angular rotation value for buildings is 1/500.
Soil movements caused by tunnel excavation are calculated using proven empirical methods based on numerous land measurements. Peck (1969) stated that the surface seating curve can be represented by the probability distribution curve (Gaussian distribution). In addition, Mair (1993) stated that subsurface settlements (settlement calculations expected to occur in the basement lower level of basement structures can be included in this group) can be characterized by Gaussian distribution similar to surface settlements. This approach was accepted within the scope of the thesis.
The empirical constant (K), which mainly depends on the type of medium to be excavated, describes the width of the sitting / tasman curve. For granular soils this parameter is generally 0.25 - 0.35; for cohesive soils, values ranging from 0.40 to 0.55 (reported to reach 0.7 for very soft silty clays).
The main reason for the expected surface settlements is volume loss due to tunnel excavations area above the seating curve for a unit-length tunnel corresponds to the ground volume to be excavated, which is greater than the theoretical excavation volume. In the long run, the difference between these two volume values may be considered to be equal due to their negligible order.
Surface movements due to double tube tunnel excavation were estimated using the "superposition" principle. Interaction of twin tunnels: If the distance between the tunnel axes is less than 3 times the diameter of the tunnel excavation, the interaction of the twin tunnels and the increasing effect on the ground movements are considered. The interaction of twin tunnels is represented by increasing the volume loss during the second tunnel excavation by 10% due to the loosening of the ground during the first tunnel excavation. It is assumed that there is 1 basement (~ 3m) along the whole excavation line and the thickness of the cover is reduced accordingly.
Settlement analyzes were performed using semi-empirical methods to estimate the ground movements expected to occur due to tunnel excavations. As a result, buildings within the impact area created by tunnel excavations were examined on the basis of the building risk assessment methodology, which is frequently used in practice and consists of different phases. 
Stage I evaluation is based on the calculated "impact alan sitting and angular rotation values. Accordingly, the contours corresponding to the calculated surface settlements are drawn on a plan view including the sessions of the buildings and the identification information along the line.
Mainly, in structures; "aesthetic", "functional" and "stability" can occur in three different types of damage. A damage rating of six different categories has been defined for the classification of structures, taking into account the main types of damage and ease of repair / modification. Since the expected damages for the structures found in line sections where the settlements less than 10mm and / or the angular rotation tahmin which are predicted to be caused by tunnel or surface excavations are classified as ilebilir negligible may, no more detailed assessment is made (stage 2 is not completed) and the damage assessment is terminated at this stage. Buildings with less or heavier damage than expected in the first stage II. stage evaluation.
In this model; weightless, elastic, sagging and hogging. This approach gives an idea about the mechanism of crack formation and allows the calculation of the critical unit elongation value (the unit elongation caused by bending (εb) and the unit elongation (εd) caused by the shear effect).
II. stage evaluation is considered a conservative method because it ignores the rigidity of the structure and assumes that the structure will deform in accordance with the "greefield" sitting curve.
If the expected degree of damage is determined to be of "aesthetic" type, the assessment is terminated at this stage for the relevant structure. III. stage evaluation, II. The degree of damage expected at the stage must be performed for all structures identified as moderate or more severe damage.
At this stage, it often requires the use of software based on numerical methods (finite element method - FEM, etc.) that allow the simulations of the impact of tunnel excavations on existing structures within certain limits. III. As a result of the stage evaluation, if the damage level of any structure is determined as moderate or heavier, either soil improvement methods will be used to decrease the ground movements or building strengthening activities should be performed in a way that will positively change the response of the structure under the effect of the predicted ground movements.