Sehir içi EPB tünel projelerinde jeolojik formasyonlara göre jeoteknik veri analizi ve değerlendirmesi
Geotechnical risk data analaysis and evaluation of urban EPB tunnel projects based on geological formations
Yazar: BAKİ ÖMER FURAT
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN DALĞIÇ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Hata fonksiyonları = Error functions ; Mühendislik jeolojisi = Engineering geology ; Risk analizi = Risk analysis ; Tünel açma makineleri = Tunnel boring machinery ; İstatistik = Statistics ; İstatistiksel analiz = Statistical analysis

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında tünelcilik mühendisliğinin önemli bir boyutu olan Tünel Açma Makinesi (TBM) teknolojisi, modern altyapı projelerinde vazgeçilmez bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, TBM teknolojisi ve özellikle Pasa Basınçlı (EPB) TBM'lerin performansı üzerine odaklanılarak, tünel kazı süreçlerini optimize etmeye yönelik kapsamlı bir analiz sunulmaktadır. Çalışmanın ilk bölümleri, TBM teknolojisine dair teorik temelleri, ayna basıncı hesaplama yöntemlerini ve bu yöntemlerin tünel kazı performansı üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde ele almaktadır. Ayrıca, risk yönetimi ve olasılıksal analiz yöntemleri gibi kritik yaklaşımlar hem teorik hem de pratik bağlamda değerlendirilmektedir. Çalışmanın sonraki bölümlerinde ise, Ataköy-İkitelli ve Halkalı-Yeni Havalimanı metro hatları örneği üzerinden, jeoteknik ve hidrojeolojik koşulların TBM performansı üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Sonuçlar, büyük ölçekli tünel projelerinde hem kazı süreçlerinin iyileştirilmesine hem de risklerin etkin bir şekilde yönetilmesine yönelik uygulanabilir çözümler sunmaktadır.
Çalışmanın ikinci ve üçüncü bölümünde, tünelcilik yöntemleri ve TBM (Tünel Açma Makinesi) teknolojisi üzerine temel bilgileri detaylandırarak, çalışmaya teorik bir temel sunmaktadır. Özellikle, EPB (Pasa Basınçlı) TBM'lerde ayna basıncı hesaplama yöntemleri, kullanılan formüller ve bu hesaplamaların tünel performansına etkileri kapsamlı bir şekilde ele alınmıştır. Bu bölüm, TBM kazı süreçlerinin optimizasyonu ve performans iyileştirilmesi için kritik öneme sahip teorik bilgiler içermektedir. Ayrıca, risk kavramları ve olasılıksal metotlara yönelik terminolojik açıklamalar ile farklı risk analiz yöntemlerinin ayrıntılı incelemesi de bu bölümlerin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Risk değerlendirme yaklaşımları hem teorik çerçevede hem de uygulamalı olarak ele alınarak, çalışmanın metodolojik altyapısını sağlamlaştırmaktadır. Bu bölümler, tünelcilik ve risk yönetimi alanındaki akademik bilgi birikimini pratik uygulamalarla birleştirerek bilimsel bir zemin oluşturmaktadır.
Dördüncü ve beşinci bölümde, Ataköy-İkitelli ve Halkalı-Yeni Havalimanı metro hatlarının jeoteknik ve hidrojeolojik özelliklerini inceleyerek, bu özelliklerin Tünel Açma Makinesi (TBM) kazı performansı üzerindeki etkilerini değerlendirmektedir. Çalışma kapsamında, farklı formasyonlarda gerçekleştirilen laboratuvar ve arazi deneyleri kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Ayrıca , EPB ayna basıncı değerlerinin hesaplama yöntemleri arasındaki farklar ve benzerlikler istatistiksel olarak değerlendirilmiş ve 5x5 L Tipi Matris Yöntemi kullanılarak risk değerlendirmesi yapılmıştır. Bu analizler, büyük ölçekli tünel projelerinde risk yönetimi stratejilerine yönelik önemli bilgiler sunmaktadır.
Elde edilen sonuçlara göre, jeoteknik koşulların TBM performansı üzerindeki belirgin etkisini ortaya koymuştur. Ataköy-İkitelli Metro Hattı'nda, birim hacim ağırlık ve su içeriği EPB bar değerleri üzerinde anlamlı etki göstermiştir. Halkalı-Yeni Havalimanı Metro Hattı'nda, birim hacim ağırlık ve plastik limit kazı performansı üzerinde anlamlı bulunmuştur. Ayrıca hidrojeolojik zorlukların tünel kazısı üzerindeki rolü detaylı bir şekilde irdelenmiştir. Metro hatları arasında yapılan karşılaştırmalar, farklı zemin koşullarının kazı verimliliğine olan etkilerini anlamaya olanak tanımıştır. EPB basınç hesaplamalarına yönelik regresyon analizleri ile model önerileri geliştirilmiş ve bu modellerin doğruluğu literatürle karşılaştırılarak test edilmiştir. Sonuç olarak, çalışma, tünel kazı süreçlerini optimize etmek ve riskleri minimize etmek adına uygulanabilir öneriler sunmaktadır.
Sonuç olarak, bu tez çalışması, tünelcilik sektöründe ön ve detay jeolojik çalışmaların önemini vurgulamaktadır. Projelendirme ile uygulama arasındaki uyumsuzlukları minimize etmeyi hedefleyen çalışma, jeolojik parametrelerin tünel açma makinası performansına etkilerini daha iyi anlamayı amaçlamaktadır. Elde edilen bilgilerin, gelecekteki projelerde kullanılarak sektördeki mühendislik uygulamalarına katkı sağlayacağı öngörülmektedir.

Abstract:
In the thesis, the Tunnel Boring Machine (TBM) technology, a significant aspect of tunneling engineering, plays an indispensable role in modern infrastructure projects. This study presents a comprehensive analysis aimed at optimizing tunneling excavation processes, focusing on TBM technology and particularly the performance of Earth Pressure Balance (EPB) TBMs. The initial sections of the study delve into the theoretical foundations of TBM technology, methods for calculating face pressure, and the impact of these methods on tunneling performance in detail. Additionally, critical approaches such as risk management and probabilistic analysis methods are evaluated in both theoretical and practical contexts. In subsequent sections, the effects of geotechnical and hydrogeological conditions on TBM performance are analyzed using the Ataköy-İkitelli and Halkalı-New Airport metro lines as examples. The results provide actionable solutions aimed at improving excavation processes and effectively managing risks in large-scale tunneling projects.
The second and third sections of the study provide a theoretical foundation by detailing fundamental knowledge on tunneling methods and TBM (Tunnel Boring Machine) technology. Specifically, the methods for calculating face pressure in EPB (Earth Pressure Balance) TBMs, the formulas employed, and the impact of these calculations on tunneling performance are thoroughly discussed. These sections contain critical theoretical insights essential for optimizing TBM excavation processes and improving performance. Furthermore, terminological explanations regarding risk concepts and probabilistic methods, along with a detailed examination of various risk analysis methods, form an important part of these sections. By addressing risk assessment approaches both within a theoretical framework and through practical applications, the study establishes a robust methodological foundation. These sections integrate academic knowledge in tunneling and risk management with practical applications, creating a scientific basis for the study.
The fourth and fifth sections examine the geotechnical and hydrogeological characteristics of the Ataköy-İkitelli and Halkalı-New Airport metro lines and evaluate the effects of these characteristics on Tunnel Boring Machine (TBM) excavation performance. Within the scope of the study, laboratory and field tests conducted in different formations are comprehensively analyzed. Additionally, the differences and similarities among calculation methods for EPB face pressure values are statistically evaluated, and a risk assessment is performed using the 5x5 L-Type Matrix Method. These analyses provide critical insights into risk management strategies for large-scale tunneling projects.
According to the obtained results, the geotechnical conditions have demonstrated a significant impact on TBM performance. On the Ataköy-İkitelli Metro Line, unit weight and water content were found to have a significant effect on EPB pressure values. On the Halkalı-New Airport Metro Line, unit weight and plastic limit were identified as significant factors influencing excavation performance. Furthermore, the role of hydrogeological challenges in tunnel excavation was examined in detail. Comparisons made between the metro lines provided insights into the effects of varying ground conditions on excavation efficiency. Regression analyses for EPB pressure calculations led to the development of model proposals, which were validated by comparing their accuracy with the literature. In conclusion, the study offers practical recommendations for optimizing tunnel excavation processes and minimizing risks.
In conclusion, this thesis emphasizes the importance of preliminary and detailed geological investigations in the tunneling sector. Aiming to minimize discrepancies between design and implementation, the study seeks to enhance the understanding of the effects of geological parameters on tunnel boring machine performance. The knowledge gained is expected to contribute to future projects and improve engineering practices in the industry.