Yeraltı açıklıklarında geleneksel yöntemlerle belirlenen tavan yükü yaklaşımlarının sayısal çözümleme yöntemleri ile karşılaştırılması
Comparison of roof load approaches determined by traditional methods in underground openings with numerical analysis methods
Yazar: HÜSEYİN ONUR DÖNMEZ
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN TUNÇDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Günümüzde artan nüfus ve kentleşme oranı insanların sınırlı alanlarda büyük kitleler halinde yaşamasına neden olmaktadır. Bu durum beraberinde birtakım sorunlar getirmektedir. Yeryüzündeki alanlar giderek yetersiz hale gelmekte ve insanların yaşam standartlarını olumsuz etkilemektedir. Ulaşım olumsuz etkilenen bu yaşam standartlarından biridir. Bu nedenle daha güvenli ve konforlu bir ulaşım için karayolu ve demiryolu tünelleri büyük önem arz etmektedir. Aynı zamanda artan nüfusun ihtiyaçlarını karşılayabilmek adına üretim miktarları da artmaktadır. En önemli hammadde kaynağımız olan yeraltı zenginliklerimiz, doğası gereği kıt kaynaklar olduğundan üretim seviyeleri gittikçe derinleşmektedir. Bu da yeraltı madenciliğinin giderek yaygınlaşmasına ve daha derin seviyelerde çalışılmasına neden olmaktadır. Bu iki örnek göstermektedir ki yeraltı yapılarına olan ihtiyaç son derece fazladır ve giderek artmaktadır.
Bir yeraltı mühendislik yapısında arzu edilen en önemli husus yapının kullanım ömrü boyunca güvenli bir şekilde ayakta kalmasını sağlamaktır. Bu nedenle planlama aşamasında doğru tahkimat sisteminin seçimi büyük önem arz etmektedir. Seçilecek tahkimat sistemi taşıyıcılık ve ekonomiklik olmak üzere iki ana şartı birlikte sağlamalıdır. Doğru tahkimat sisteminin seçilebilmesi ve boyutlandırılabilmesi için öncelikle tahkimat sistemine etkiyecek yüklerin belli bir yakınsaklıkla ortaya konulması gerekmektedir.
Tavan yükünün tahminine yönelik teoriler 20. yüzyılın başlarında oluşmaya başlamıştır. Teoriler bu alanda çalışan mühendislerin tecrübelerini sayısal verilere ve eşitliklere dönüştürmesiyle başlamış ve sonrasında çalışılan farklı ortamların sınıflandırılmasıyla devam etmiştir. 1960'larda ilk olarak havacılık sektöründe kullanılan ve hızla her mühendislik dalında kullanım alanı bulan sonlu elemanlar yöntemi, yeraltı yapılarına da uygulanmış ve çeşitli bilgisayar yazılımları geliştirilmiştir.
Bu çalışma kapsamında 3 farklı kaya ortamı için aynı boyutlarda açılan bir tünele etkiyecek tavan yükleri önce geleneksel teorilerle, sonrasında sayısal çözümleme yöntemi esaslı yazılımlarla hesaplanmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. 
Literatürdeki vaka analizlerinden faydalanılarak seçilen zayıf, orta ve iyi ortamlar için bu çalışma kapsamında ele alınan tavan yükü teorileriyle tahkimata etkiyecek yükler hesaplanmıştır. Aynı ortamlar RocScience'ın sonlu elemanlar yöntemini esas alan RS2 yazılımında modellenmiştir. Gerlime azaltma yöntemi kullanılarak her bir ortam için RS2'den elde edilen sonuçlarla arazi tepkime eğrileri oluşturulmuş ve tahkimata etkiyecek yükler tespit edilmiştir. Aynı ortamlar RocScience'ın RocSupport yazılımında oluşturularak RS2'den elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır.
Geleneksel yöntemlerle ve RS2 ile yapılan analizler at nalı kesitli bir tünel veya galeri için yapılmıştır. Ancak RocSupport yalnızca tam dairesel kesitli açıklıkların modellenmesine imkan sağlamaktadır. Bu nedenle oluşturulan modellerin karşılaştırılmasında bir sorun yaşanmaması adına RocSupport'ta modellenen aynı açıklıkta dairesel kesitli tüneller aynı ortamlar için RS2'de tekrardan modellenmiştir.
RS2'de tahkimatsız ve tahkimatlı arazi tepkime eğrileri çizilmiştir ve tahkimat yerleştirildiğinde arazi tepkime eğrilerinden elde edilen yer değiştirmelerin teoriyle parallel olarak sınırlandığı teyit edilmiştir.
Tahkimatsız RS2 ve tahkimatsız RocSupport arazi tepkime eğrileri arasında yüksek tahmin yeteneğine sahip ilişki tespit edilmiştir.
Önceki yargılara göre RocSupport tek başına tahkimat tasarım yazılımı olarak kullanılmamakla beraber, ele alınan kaya ortamı ve kesit için RS2 ile RocSupport sonuçları arasında yer değiştirmeler açısından yüksek dereceli ilişkiler bulunduğundan benzer ortamlar için yer değiştirme değerlerinin tahmin edilebileceği görülmektedir.

Abstract:
Today, the increasing population and urbanization rate cause people to live in large masses in limited areas. This situation brings with it some problems. Areas on earth are becoming increasingly inadequate and negatively affect people's living standards. Transportation is one of these negatively affected living standards. For this reason, road and railway tunnels are of great importance for safer and more comfortable transportation. At the same time, production amounts are increasing in order to meet the needs of the increasing population. Our underground resources, which are our most important source of raw materials, are scarce resources by nature, so the production levels are getting deeper. This causes underground mining to become more widespread and work at deeper levels. These two examples show that the need for underground structures is extremely high and increasing.
The most important thing desired in an underground engineering structure is to ensure that the structure survives safely throughout its useful life. For this reason, choosing the right support system at the planning stage is of great importance. The support system to be chosen must meet two main conditions, which are bearing and economy. In order to select and dimension the correct support system, first of all, the loads that will affect the support system must be revealed with a certain convergence.
Theories for estimating the roof load began to form in the early 20th century. Theories started with the engineers working in this field transforming their experiences into numerical data and equations, then continued with the classification of the different working environments. Researchers either classified the rocks or made use of an existing rock classification when constructing their roof load theory. Therefore, in this study, frequently used rock load theories and rock classification systems were examined together.
In the first theories made in this area, it was suggested that the load on the tunnel roof that would affect the support was the height of the area that was loosened during excavation. Then the researchers rated and classified the rocks. According to these ratings for the rocks, various researchers have proposed equations that can be used to estimate the roof load.
The finite element method, which was first used in the aviation industry in the 1960s and quickly found use in every engineering branch, was also applied to underground structures, and various computer software was developed. RS2, developed by RocScience, is one of this software. RS2 is a software that uses the finite element method as a numerical analysis method and performs two-dimensional elastoplastic analyzes.
In the convergence-confinement method, a hypothetical pressure is applied to the tunnel wall to simulate the surface effect in the tunnel cross-section behind the tunnel face. The hypothetical pressure decreases with increasing radial displacement in the tunnel wall, which correlates with the ground reaction curve (GRC). The longitudinal displacement profile (LDP) is used to describe the change in radial displacement due to tunnel face advance along the tunnel. 
RocSupport is software from RocScience that uses the convergence-confinement method to estimate the amount of deformation that can occur in circular excavations, especially in weak rocks. Considering the tunnel radius, in situ stress conditions, rock parameters, and support parameters, it creates a ground reaction curve and a support reaction curve. The intersection of these curves determines a factor of safety for the support system and gives an idea about the load that will affect the support.
Within the scope of this study, the roof loads that will affect a tunnel opened in the same dimensions for 3 different rock masses were calculated first with traditional theories, then with software based on the numerical analysis method, and the results were evaluated.
Using the case studies in the literature, the loads that will affect the support were calculated with the roof load theories discussed in this study for the weak, medium, and good rock masses selected. The same rock masses are modeled in RocScience's RS2 software, which is based on the finite element method. By using the stress relief method, ground reaction curves were created with the results obtained from RS2 for each rock mass, and the loads that would affect the support were determined. The same rock masses were created in RocScience's RocSupport software and compared with the results obtained from RS2.
Analyzes with traditional methods and RS2 were performed for a horseshoe section tunnel or gallery. However, RocSupport only allows modeling of full circular cross-section openings. For this reason, in order to avoid any problems in the comparison of the models created, the circular cross-section tunnels with the same opening modeled in RocSupport were remodeled in RS2 for the same rock masses.
Within the scope of this thesis, the roof loads that will affect the support for the same gallery or tunnel to be opened in 3 different rock masses selected from the literature as weak, medium, and good were first calculated with traditional methods and then in RocScience - RS2 software (circular and horseshoe) and RocSupport software based on the finite element method.
Accordingly, the roof loads affecting the support obtained by traditional methods are lower than the roof loads calculated by numerical methods, only the roof loads can be calculated with traditional methods, whereas both the roof loads and the corresponding displacement values can be calculated with numerical analysis methods, in RS2 unsupported and supported ground reaction curves are plotted and it is confirmed that displacements from ground reaction curves are limited in line with theory when supports are placed, a highly predictive relationship was found between the unsupported RS2 and unsupported RocSupport ground reaction curves, according to previous judgments, although RocSupport is not used as a stand-alone support design software, it is seen that displacement values can be estimated for similar rock masses since there are high-order relationships between RS2 and RocSupport results for the rock mass and section under consideration.
By repeating the sequence of methods applied in this study for more rock masses and sections, the upper and lower limits of the roof load obtained can be strengthened, and the results can be improved.