Yapı-tünel etkileşimi
Structure-tunnel interaction
Yazar: OĞULCAN ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Nufüs yoğunluğu fazla olan ve plansız kentleşmeye maruz kalan büyük şehirlerde, ulaşım büyük bir sorun haline gelmektedir. Bu sorunun çözümü için raylı sistemler önerilmekte ve uygulanmaktadır. Farklı tiplerde bulunan raylı sistemler, gidilecek güzergahların konumuna göre yeraltı ve yerüstü yapıları olarak inşa edilmektedir. Metro sistemleri bu konuda uygun bir çözüm olmaktadır fakat büyük şehirlerde metro inşaatının zemin içerisinden ve civarındaki yapılara hasar vermeden geçebilmesi ciddi bir mühendislik problemidir. Bu çözümlerin doğru yapılabilmesi için tünel-yapı ilişkisinin iyice incelenmesi lazım gelmektedir.
Tünel yapımında zeminde meydana gelecek gerilmeler ve deplasmanlar veya tünel civarında inşaası yapılacak olan yapıdan kaynaklı tünellerde oluşacak muhtemel gerilmeler ve deplasmanların incelenmesi tünel inşaası ve sonrası için büyük önem arz etmektedir.
Zemin, homojen ve izotrop olmayan bir malzemedir. Bu nedenle zeminin mühendislik özelliklerinin her proje sahası için deneysel olarak belirlenmesi, zemini anlayabilme ve yorumlayabilmek açısından ciddi anlamda önem taşımaktadır.
Bu tez kapsamında tünel civarında inşaası yapılacak yapıdan kaynaklı tünelde oluşan deplasmanların bilgisayar programı yardımıyla hesaplamaları yapılmış ve 6 bölümde anlatılmıştır.
İlk bölüm giriş kısmı olup bu çalışma ile hedeflenen amaçtan, bu çalışmanın konusunun öneminden ve üzerimizdeki etkisinden bahsedilmiştir.
Yukarıda bahsedildiği gibi zeminin karmaşık bir malzeme olması sebebiyle gerilme-deformasyon analizleri yapmak oldukça zordur. Genel bir yaklaşım olarak Elastisite Teorisi kullanılmaktadır. İkinci bölümde ise hesap yöntemleri anlatılmıştır. Düşey yükler etkisinde meydana gelen yatay gerilmeler yine elastisite teorisi kullanılarak bulunmaktadır. Yatay gerilmeler, zeminin elastisite modülüne ve poisson oranına bağlı olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı zemin parametre değerlerinin saptanması ciddi önem taşımaktadır.
Üçüncü bölümde ise ampirik ve analitik yöntemler açıklanarak literatürde gerçekleştirilen zemin gerilmeleri ve deplasman hesapları hakkında çalışmalar anlatılmıştır. 
Dördüncü bölümde, bu çalışmada kullanılan sonlu eleman yöntemi ile hesap yapan Plaxis programı ve nümerik modelleme açıklanmıştır. Ayrıca analizde kullanılan elemanlar ve zemin parametreleri de paylaşılmıştır.
Beşinci bölümde Plaxis programında kullanılan veriler açıklanmıştır. Tünel çapı D= 7 m, kaplama kalınlığı 0,4 m temel genişliği 15 metre olarak sabit alınmıştır. Geri kalan H değeri temel alt kotu ile tünel arası düşey mesafeyi, L değeri ise tünel yapı arasındaki yatay mesafe değeridir. Farklı zemin türlerinde mevcut bir tünel yapısı kabul edilerek, yapının tünele olan düşey mesafesi (H=5, 10, 15m) ve yatay mesafesi (L=5, 10, 15m) kabul edilerek yapının inşaasından dolayı ray üstünde oluşturduğu deplasmanlar hesaplanmıştır. Farklı zemin türlerinin etkisinin görülebilmesi amacıyla da 8 farklı elastisite modülü esas alınarak 72 adet analiz gerçekleştirilmiştir. Model oluşturulurken Yeraltı su seviyesi yüksekliği 40 metreden daha düşük kabul edilerek analizde bir etkisi olmadığı kabulu yapılmıştır. Zeminin Gerilme-Şekil değiştirme davranışı elasto-plastiktir. Sonlu elemanlar yönteminde Pekleşen Zemin Modeli (HS Model- Hardening Soil Model) zemini Mohr-Coulomb'a göre daha doğru analiz etmektedir. Bu nedenle HS Model ile analizler gerçekleştirilmiştir. Tünel kazısı ile zemin arasındaki oluşan boşlukta oluşan hacim kaybını modelleyebilmek için büzülme (contraction) %0,4 olarak alınmıştır.
Altıncı bölümde ise; "Çizelge 5.2" den anlaşıldığı üzere tünel üstünde bulunan örtü kalınlığı(H) yapı tünel arası yatay mesafe(L) ve zeminin elastisite modülü(E) değeri arttıkça ray üstünde oluşan deplasman değerleri azalmaktadır. TCDD şartnamesine göre 3 mm deplasmana kadar izin verilmekte, 3 mm üstündeki değerler metro hattında ciddi sorunlara sebep olabilmektedir. Elastisite modülü 40 MPa seçilen bir ayrışmış grovak zemin için örtü kalınlığı 5 m ve yapı tünel arası mesafe 5 m olması durumunda ray da oluşan deplasman değeri 6,3 mm olmaktadır. Analiz sonuçları incelendiğinde h değerinin deplasmana etkisi L değerine göre daha fazla olmaktadır. h=5 m L=15 m durumunda deplasman değeri 2,70 mm iken h=15 m L = 5 durumunda deplasman değeri 2,48 mm dir.

Abstract:
Transportation becomes a major problem in big cities with high population density and unplanned urbanization. One of the most important solutions suggested to this problem is rail systems. Rail systems of different types can be determined as underground and aboveground according to their routes. Metro systems are a suitable solution for restricted transportation areas such as Istanbul. In these big cities, it is a serious engineering problem that subway construction can pass through the ground or rock without damaging the surrounding structures. In order for these solutions to be made correctly, the tunnel-structure relationship should be examined well.
Examination of the stresses and displacements that will occur on the ground during tunnel construction or the possible stresses and displacements that will occur in the tunnels arising from the structure to be constructed around the tunnel are of great importance for the tunnel construction and after.
Soil is a homogeneous and non-isotropic building material. For this reason, determining the engineering properties of the soil for each project site empirically is of great importance in terms of understanding and interpreting the soil.
Building loads are transferred to the soil through the foundation and due to additional stresses in the soil, deformations occur, especially in the parts where the load is affected. Knowing the intensity and distribution of the stresses that occur is important for the design to be made. Depending on the stress values, settlements can be calculated more realistically.
Within the scope of this thesis, the displacements in the tunnel due to the structure are calculated and it consists of 6 sections.
In the introduction part of the first chapter, the purpose aimed with this study, the importance of this study subject and its effect on us are mentioned.
As mentioned above, in the second part, it is very difficult to make stress-strain analysis because the soil is a complex material. Elasticity Theory is used as a general approach. In this section, calculation methods are explained. The horizontal stresses occurring under the effect of vertical loads are again found using the theory of elasticity. Horizontal stresses depend on the elasticity modulus of the soil and the poisson's ratio. For these reasons, determining the soil parameter values is of great importance.
In the third part, empirical and analytical methods are explained and studies on soil stresses and displacement calculations in the literature are explained. Empirical method, Volume loss method is the most used method for estimating tunnel settlements. The volume of surface settlement calculated for a simple tunnel in a ground is approximately equal to the volume loss of the ground.
As described in empirical methods, the prediction of ground settlements is formed by calculating the settlements obtained from tunnels with empirical correlations. While these formulas can only explain a few important factors, the results obtained are not considered as valid because extrapolations against other conditions are not similar conditions. Therefore, the studies conducted to develop analytical methods are described. Settlement estimation and horizontal deformation estimation formulas are explained.
In the fourth chapter, Plaxis program which calculates with finite element method used in this study and numerical modeling are explained. In addition, the elements and soil parameters used in the analysis are shared.
 In the fifth chapter, the data used in the Plaxis program are explained. Tunnel diameter D = 7 m, concrete thickness 0,4 m, foundation width is taken 15 meters. The H value is the vertical distance between the bottom of the foundation and the tunnel, and the L value is the horizontal distance between the tunnel and structure.
 By assuming an existing tunnel structure on different soil types, the vertical distance between the tunnel (H = 5,10, 15m) and the horizontal distance (L = 5,10,15m) were taken, and the displacement on the head of the rail due to the construction of the building was calculated.
72 analyzes were carried out using 8 different elasticity modules. While creating the model, the ground water level was considered lower than 40 meters and it was accepted that it had no effect in the analysis. The Stress-Strain behavior of the soil is elasto-plastic. In the finite element method, the Hardening Soil Model (HS Model - Hardening Soil Model) analyzes the soil more accurately than Mohr-Coulomb. Therefore, the analyzes were performed with the HS Model. Contraction was taken as 0.4% in order to model the loss of volume in the space between the tunnel excavation and the ground.
In the sixth part; As it can be understood from "Table 6", as the cover thickness (h) on the tunnel increases, the horizontal distance between the building and the tunnel (l) and the elasticity module (E) of the soil, the displacement values on the rail decrease. According to the TCDD(Turkish State Railways) specification, a displacement of 3 mm is allowed and values above 3 mm can cause serious problems in the metro line. With an elastic modulus of 40 MPa, the cover thickness(H) is 5 m and the distance between the tunnel(L) is 5 m, the displacement value on the rail is 6,3 mm. When the analysis results are examined, the effect of the h value on the displacement becomes more than the value of L. In the case of h = 5 m L = 15 m, the displacement value is 2.70 mm, while at h = 15 m L = 5 the displacement value is 2.48 mm.