Geçki araştırmasında jeolojik-jeoteknik ve diğer etmenlerin geçkiye etkilerinin karar matrisi ile belirlenmesi
Determining the effects of geological-geotechnical and other factors on the route in route study with decision matrix
Yazar: ONUR ÖZTÜRK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN BOZKURTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering ; Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Ulaşım yollarına ilişkin güzergahı belirlerken; proje hızına bağlı olarak belirlenen minimum kurp yarıçapı, maksimum eğim gibi sınırlayıcı ve zorlayıcı geometrik standartlar önemlidir. Kurp yarıçapı büyüyünce, eğim azalınca yolcu konforunda ve yol kalitesinde artış olur.
Bu değerlerin dışında çalışma yapılan bölgenin zemin yapısının karakteristik özellikleri de etkili olmaktadır. Bu özellikler topografik yapı, geoteknik yapı ve jeolojik yapıdır. Bu özelliklerin oluşturacağı etkiler yol güzergahının en uygun biçimde belirlenebilmesi için geometrik standartlarla birlikte ele alınmalıdır. Bu özelliklerden topografik yapının etkisi daha çok dolgu yarma oranlarını ve sanat yapılarını kapsadığı için proje maliyetini doğrudan etkiler. Topografik yapı fazla dalgalı ise, bölgedeki dolgu-yarma oranını ve sanat yapısı sayılarını ve uzunluğunu arttırması proje maliyetini yükseltmekte, aksi durum ise maliyeti düşürmektedir.
Güzergahın geçtiği bölgenin zemin özelliklerinin ve jeolojik özelliklerinin yol yapımına elverişli olması durumunda yapım maliyetleri düşer, elverişli değilse bazı yapısal önlemler almak gerekir ve maliyetler artar. Bu açıdan zeminle ve jeolojik yapıyla ilgili ilgili faktörlerin en uygun güzergahın seçimine etkisi daha belirgin olarak araştırılmalıdır. 
Geçki belirlemek için oldukça farklılık arz eden yöntem ve programlar olmakla birlikte, geçki seçenekleri arasından en uygununu belirlemeye yönelik araştırmalar oldukça az olup, çalışmada çok kriterli karar verme yöntemi (ÇKKVY) olan ''Karar Matrisi'' yöntemi kullanılması nedeniyle,  farklılık ortaya konulmaktadır. 


Ulaşım yollarının geçeceği noktaları gösteren alternatif güzergahlar arasından uygun olanını seçme sürecinde birçok parametre dikkate alınır. Birden fazla güzergah araştırması yapıldıktan sonra, alternatifler arasından en uygun olanı belirlenir. Klasik çözümü gerçekleştirmek için; teknik etüt, trafik-işletme etütleri, jeolojik-jeoteknik etütler, fizibilite-ekonomik etütler yapılır. Jeolojik, jeoteknik ve altyapısal özelliklerin, yol ömrünün uzun olması ve bakım problemlerinin minimize edilmesi için, güzergah seçimine etkisinin fazla olması gerekir. Bu çalışmada bu özelliklerin ağırlığını artırarak, uygun güzergaha karar vermeyi sağlayacak çok kriterli karar vermeye dayanan bir yöntem araştırılmıştır.

Tezin ilk kısmında detaylı literatür taraması yapılarak, güzergah araştırmasında kullanılan yöntemler incelenmiştir. Karayolu konusunda iyi durumda olan ülkelerden örnekler alınarak yapılan yeni uygulamalar ve çok kriterli karar verme yöntemleri (ÇKKVY) ile ulaştırma alanında yapılan çalışmalar özetlenmiştir. Güzergahın oluşturulmasına ilişkin çalışmalar incelenip, yeni yaklaşımlar, algoritmalar, formülasyonlar ve yazılımlar araştırılmıştır.
 
Çalışmada 'uygun güzergah belirlenmesi' konusuna farklı bir yaklaşım getirilmesi amaçlanmıştır. Belirlenen geometrik standartlar çerçevesinde ve arazi yapısına göre, belirlenen başlangıç-son noktaları arasında 5 adet güzergah araştırması yapıldıktan sonra, uygulanacak en uygun güzergah seçilirken çok kriterli karar verme yöntemi  kullanılmıştır. ÇKKVY'den olan ''karar matrisi yöntemi'' ile jeolojik yapı, jeomorfolojik yapı, geoteknik, çevre, altyapı özellikleri etkin şekilde seçim sürecine dahil edilmiştir. Bu açıklamalara bağlı olarak yeni bir yol güzergahını alternatifler arasından belirlerken, ''karar matrisi yöntemi'' kullanılarak, belirtilen özelliklerin etkin olduğu çözüm şeklini araştırmak, hedeflenmiştir. 

Tezde, Fatih Sultan Mehmet Köprüsü çıkışından İstanbul Havaalanı'na kadar olan kesimde 5 alternatif güzergah oluşturulup, geliştirilen yaklaşım kullanılmak suretiyle, en uygun güzergah belirlenmektedir.
 
Yüksek standartlı (ekspres/otoyol) yol için KGM tarafından belirlenen geometrik standartlar kullanılarak, "Civil 3D" programı yardımıyla 5 adet güzergah seçeneği plan ve boykesiti ile tanımlanmıştır. Örnek kesim için enkesit tipleri ve hattın inşaa maliyeti belirlenmiştir. 

Gerekli kısımlarda ArcGIS programıyla 3 boyutlu çalışma yapılarak, güzergah araştırması gerçekleştirildikten sonra, herbir güzergah için geometrik standartlardan yararlanılarak, bölgeleme (zonlama) işlemi yapılmıştır. Ayrıntılı literatür, bölgeye yakın bazı yollar için yapılan jeolojik, jeoteknik etütler, raporlar, saha çalışmaları, Kurumlardan alınan bilgiler dikkate alınarak matris etmenleri puanlanmıştır. 

Çözüm için puanlamaya katılan etmenler, 4 matris içinde toplanmış olup, bunlar;
-Geçkinin jeoloji ve jeomorfoloji ile uyumluluk matrisi,
-Geçkinin çevresel uyumluluk matrisi,
-Geçkinin mühendislik jeolojisi ve geoteknik ile uyumluluk matrisi,
-Geçkinin altyapı ile uyumluluk matrisidir. 

Çalışmanın devamında, ''karar matrisi yöntemi'' bu 4 grup uyumluluk matrisleri için kullanılarak, ele alınan tüm etmenler açısından uygun olan güzergahın nasıl belirleneceği ortaya konulmuştur. Güzergahların yaklaşık inşa maliyetleri de belirlenerek, inşa maliyetine göre yapılan sıralama sonucu, karar matrisine göre olan sıralama sonucu ile karşılaştırılmıştır.

Karayolu güzergahları için herbir uyumluluk matrisi ve oluşturulan herbir zona ilişkin hazırlanan sorular da dikkate alınarak, etmen puanları ortaya konulmuştur. Sayısal haritalar üzerinde ArcMap programının Buffer, Overlay, Proximity, Statistics gibi analiz özellikleri uyumluluk matrisleri etmenlerinin puanlamalarında kullanılmıştır. Bu işlemin ardından, her bir güzergahın alt bölümleri için üretilmiş olan karar matrislerinin her birine ait "etki ağırlığı (fe)" değerleri, "etkileme derecesi (Ni+Ei)" ve "etkilenme düzeyi (Ni-Ei)" ilişkisi incelenmiştir. Her bir uyumluluk matrisi zonlama detay değerlendirme çizelgelerine ait "dengeleme çarpanı (fd)" değerleri hesaplanmıştır. Sonra her bir güzergahın alt bölümleri için üretilmiş olan her bir uyumluluk matrisi için "ağırlık katsayısı (AK=fexfd)" değerleri bulunmuştur. AK değerleri hesaplanırken, ilk önce "zonlama haritaları için detay değerlendirme çizelgeleri" ile verilmiş olan her bir detaya ait (fexfd) değerleri hesaplandığı için, bu değerlerin aritmetik ortalaması alınarak, ilgili kısıma ait AK değeri elde edilmiş olmaktadır.  

Her bir güzergahın alt bölümleri için üretilmiş olan her bir uyumluluk matrisi için "ağırlık katsayısı" (AK) değerlerinden ilgili değerlendirme matrisi için "sonuç ağırlık katsayısı'' (SAK) değerleri hesaplanmaktadır. SAK değerleri ilgili güzergahın tüm matrisleri için belirlenmekte ve SAK değerlerinin geometrik ortalaması alınarak, önerilmiş olan her bir güzergahın "sonuç karar sayısı'' (SKS) elde edilmektedir. SKS değerlerinin en küçüğü en uygun, en büyüğü ise en uygun olmayan güzergah olmaktadır. Karar Matrisine göre yapılan değerlendirmenin sonucunda ve yol inşa maliyetine göre yapılan inceleme sonucunda en uygun güzergah 4. güzergah olarak saptanmıştır. 

Ayrıca Analitik Hiyerarşi Süreci (AHP) de aynı geçkilere uygulanarak önemli faktörler açısından uygun güzergah araştırılmıştır. Bu araştırmaya göre de bulunan sonuç doğrulanmıştır.

Böylece bu etmenler açısından en uygun olan ve bakım maliyetinin de minimize edilmesini sağlayabilecek olan güzergahın belirlenmesinin önü açılmış olmaktadır. Bu yöntem karayolunun yanısıra demiryolu ve boru hatları için de uygulanabilir bir yöntemdir. Sonuçlar örtüşmese bile uygulanan yöntemin sonucu dikkate almaya değerdir.

Kentiçi raylı sistem güzergah alternatifleri arasından en uygununu belirlemek için aynı yöntem ve parametreler uygulanabilir. Banliyö hattı güzergahlarının geometrik özellikleri karayoluna benzerlik gösterdiğinden, aynı çalışma banliyö hattı olarak da ele alınabilir. Gerekse başlangıç-son (O-D) mesafeleri, gerekse güzergah özellikleri nedeniyle çalışma kapsamına ve bölgesine en uygun raylı sistem türü banliyö hattıdır. Bu nedenle banliyö hattına yönelik de makale çalışması yapılmıştır.

Abstract:
When determining the route of transportation routes; Limiting and challenging geometric standards such as minimum curve radius and maximum slope determined depending on the project speed are important. As the curve radius increases and the slope decreases, passenger comfort and road quality increase.

Apart from these values, the characteristic features of the ground structure of the study area are also effective. These features are topographic structure, geotechnical structure and geological structure. The effects of these features should be considered together with geometric standards in order to determine the road route in the most appropriate way. Among these features, the effect of topographic structure directly affects the project cost, as it mostly includes fill cutting rates and engineering structures. If the topographic structure is too wavy, increasing the filling-cutting rate in the region and the number and length of engineering structures increases the project cost, otherwise it reduces the cost.

If the ground and geological characteristics of the region through which the route passes are suitable for road construction, construction costs will decrease; if they are not suitable, some structural measures will need to be taken and costs will increase. In this respect, the impact of relevant factors related to the ground and geological structure on the selection of the most suitable route should be investigated more specifically.

Although there are quite different methods and programs to determine the delay, there are very few studies on determining the most appropriate one among the delay options, and the difference is revealed due to the use of the "Decision Matrix" method, which is a multi-criteria decision-making method (MCDM) in the study.

Many parameters are taken into account in the process of selecting the appropriate one among the alternative routes showing the points where the transportation roads will pass. After multiple route studies are conducted, the most suitable one among the alternatives is determined. To realize the classical solution; technical studies, traffic-operation studies, geological-geotechnical studies, feasibility-economic studies are carried out. Geological, geotechnical and infrastructural features should have a strong impact on route selection in order to ensure long road life and minimize maintenance problems. In this study, a method based on multi-criteria decision making that will enable deciding on the appropriate route by increasing the weight of these features has been investigated.

In the first part of the thesis, a detailed literature review was conducted and the methods used in route research were examined. The studies carried out in the field of transportation with new applications and multi-criteria decision-making methods (MCDM) are summarized by taking examples from countries that are in good condition in terms of highways. Studies on the creation of the route were examined and new approaches, algorithms, formulations and software were researched.
 
The aim of the study is to bring a different approach to the issue of 'determining the appropriate route'. After 5 route surveys were conducted between the determined starting and ending points within the framework of the determined geometric standards and the land structure, a multi-criteria decision-making method was used to select the most suitable route to be implemented. With the "decision matrix method" from ÇKKVY, geological structure, geomorphological structure, geotechnical, environment and infrastructure features were effectively included in the selection process. Based on these explanations, while determining a new road route among the alternatives, it is aimed to investigate the solution method in which the specified features are effective, by using the "decision matrix method".

In the thesis, 5 alternative routes are created in the section from the Fatih Sultan Mehmet Bridge exit to Istanbul Airport, and the most suitable route is determined by using the developed approach.
 
Using the geometric standards determined by KGM for the high standard (express/motorway) road, 5 route options were defined with plans and length sections with the help of the "Civil 3D" program. For the sample section, cross-section types and the construction cost of the line were determined.

After the route research was carried out by performing a 3D study with the ArcGIS program in the necessary sections, zoning was carried out by using geometric standards for each route. Matrix factors were scored by taking into account detailed literature, geological and geotechnical studies conducted for some roads close to the region, reports, field studies and information received from institutions.
The factors involved in scoring the solution are collected in 4 matrices, which are;
-The compatibility matrix of the past with geology and geomorphology,
-The environmental compatibility matrix of the past,
-Compatibility matrix of the past with engineering geology and geotechnics,
-It is the compatibility matrix of the past with the infrastructure.

In the continuation of the study, the "decision matrix method" was used for these 4 groups of compatibility matrices and it was revealed how to determine the appropriate route in terms of all the factors considered. Approximate construction costs of the routes were also determined, and the ranking result based on construction cost was compared with the ranking result based on the decision matrix.

Factor scores were revealed by taking into account each compatibility matrix for the highway routes and the questions prepared for each zone created. Analysis features of the ArcMap program such as Buffer, Overlay, Proximity and Statistics were used to score the compatibility matrices factors on digital maps. Following this process, the "impact weight (fe)" values, "degree of impact (Ni+Ei)" and "level of impact (Ni-Ei)" relationship for each of the decision matrices produced for the subsections of each route were examined. "Balancing factor (fd)" values for each compatibility matrix zoning detail evaluation charts were calculated. Then, "weight coefficient (AK=fexfd)" values were found for each compatibility matrix produced for the subsections of each route. While calculating EC values, firstly the (fexfd) values of each detail given in the "detail evaluation charts for zoning maps" are calculated, and the AK value of the relevant section is obtained by taking the arithmetic average of these values.

For each compatibility matrix produced for the subsections of each route, the "result weight coefficient" (SAK) values are calculated for the relevant evaluation matrix from the "weight coefficient" (AK) values. SAK values are determined for all matrices of the relevant route and the "result decision number" (SKS) of each proposed route is obtained by taking the geometric mean of the SAK values. The smallest SKS value is the most suitable route, and the largest is the most unsuitable route. As a result of the evaluation made according to the Decision Matrix and the analysis made according to the road construction cost, the most suitable route was determined as the 4th route.

In addition, the Analytic Hierarchy Process (AHP) was applied to the same transitions and the appropriate route was researched in terms of important factors. According to this research, the result found was confirmed.

This paves the way for the determination of the route that is most suitable in terms of these factors and will minimize the maintenance cost. This method is applicable for railways and pipelines as well as highways. Even if the results do not coincide, the result of the applied method is worth considering.

The same methods and parameters can be applied to determine the most suitable urban rail system route alternatives. Since the geometric features of suburban line routes are similar to highways, the same study can also be considered as a suburban line. The most suitable rail system type for the scope and region of work is the suburban line, due to both the start-end (O-D) distances and route features. For this reason, an article was also prepared for the suburban line.