Yatay ön araştırma delgi verileri ile kayacın jeomekanik özelliklerinin ilişkilendirilmesi melen boğaz geçiş tüneli örneği
Correlation of geomechanical properties of rock with horizontal pre-drilling data Melen Bosphorus crossing tunnel example
Yazar: AYDIN BAKIR
Danışman: PROF. DR. ENVER VURAL YAVUZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering ; Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Boğaz demiryolu tüp tünel geçişi = Bosphorus railway tupe tunnel crossing ; Büyük Melen Nehri = Great melen River ; Mühendislik jeolojisi = Engineering geology ; Su sondajı = Water drilling ; Temel sondajları = Foundation borings

Özet:
TBM'in (Tunnel Boring Machine) kullanılacağı tünel projelerinde, jeolojik araştırmaların özenle ve detaylı bir şekilde gerçekleştirilmesi, TBM'in kazı sırasındaki performansını tahmin etmek için önemli veriler sağlar. Kazı öncesi elde edilen bulgular ve çıkarılan sonuçlar, teknik, ekonomik, morfolojik ve jeolojik faktörler nedeniyle mühendislik yaklaşımı açısından belirli sınırlamalara tabidir. Bu nedenle, çoğu kez araştırma aşamalarında belirlenemeyen yer ve boyut gibi bazı sorunlar, tünel kazısı sırasında karşımıza çıkabilir.
Kazı sırasında önerilen araştırmalardan biri, kazı aynası önünde yatay ön araştırma delgilerinin açılmasıdır. Açılan bu sondajlardan elde edilen veriler analiz edilerek, sondaj mesafesi kadar olan kazı ortamındaki jeolojik-hidrojeolojik koşullar ayrıntılı olarak belirlenebilmektedir. Yatay ön araştırma delgileri sırasında kaydedilen anlık delme hızı (Instantaneous Advance Speed – IAS), uygulanan baskı (Itme Pressure – TP) ve tork (Torque Pressure - TQ) değerlerindeki değişim oranlarının, geçilen formasyonların karakteristiklerini büyük oranda yansıttığı bilinmektedir.
Delgilerden elde edilen penetrasyon oranı, tork ve baskı gibi verilerinin doğru bir yaklaşımla analiz edilmesi ve ortam özelliklerini tam olarak yansıtması için makina ve operatörden kaynaklı hatalardan arındırılması gerekmektedir.
Kazı ortamının jeolojik ve hidrojeolojik koşullarına uygun EPB Hard Rock tipi TBM (Earth Pressure Balance Tunnel Boring Machine) kullanılarak kazılan tünelin çapı 6,15 metre, uzunluğu ise 3145 metredir. Projede kullanılan TBM'in kesici kafası ile kazı aynası arasındaki bir segment genişliği olan, 1,2 metrelik kesimde, ortalama her 36 metrede bir tekrarlanan ayrıntılı belgeleme çalışmaları (foto, video, ölçümler) yapılmıştır. Yapılan her bir delgi sonucunda; birim ilerleme için gerekli uç baskısı ve tork değişimleri ile gözlemsel bulgular değerlendirilerek geçilen litolojiler tanımlanmış, su gelirine yönelik gözlem ve değerlendirmeler yapılmıştır. Ayrıca kazı odasına girilerek kazı aynasının görülebilen alanlarında fotoğraf çekimleri gerçekleştirilmiş, çatlak sistemleri ve tabaka konumları belirlenmeye çalışılmıştır.
Büyük Melen Projesi Boğaziçi tünelinin kazısı sürecinde gerçekleştirilen yatay ön araştırma delgi verileri üzerinde yapılan çalışmaların analizleri esas alınarak, RQD değerleri ile değişim trendleri arasında, bir yaklaşımda bulunulmuştur.
Bu kapsamda, delgi verileri normalize edilerek, güzergah araştırmaları için yapılan sondajların RQD (Rock Quality Designation) değerleri ile olan ilişkileri belirlenmiştir. Bu analizler sayesinde, tünel güzergahında yapılan düşey sondajlardan elde edilen RQD değerleri ile değişim trendleri ortaya konmuştur. Bu verilerden elde edilen trendler yardımı ile formasyon karakteristikleri ve yatay ön delgi performansı arasındaki ilişkiler ortaya konulabilecektir. Ayrıca, daha fazla düşey sondaj ve yatay ön araştırma delgi verilerine dayanarak TBM performans tahmin modelleri geliştirmek de mümkün olacaktır.
Tünel güzergahı mühendislik jeolojisi modelinin oluşturulması aşamasında, bölgede daha önce yapılmış olan jeoloji ve mühendislik jeolojisi çalışmalarından, tünel güzergahı boyunca yapılmış ve proje eki olarak sunulmuş olan temel araştırma amaçlı sondaj ve deneysel çalışmalardan, kazı öncesi hazırlanmış olan tünel jeoteknik boy kesiti verilerinden ve ortalama 36 metre derinliğindeki tünel çapı kadar bindirmeli, tünel eksenine paralel konumlu ileri araştırma delgilerinden yararlanılmıştır.
Tünel güzergahı üzerinde gerçekleştirilen araştırmalar kapsamında, toplam uzunluğu 1692,15 metre olan 14 adet düşey sondaj kuyusu açılmıştır. Bu sondajlar aracılığıyla 1128 adet RQD değeri elde edilmiştir. Ortalama RQD değerleri hesaplanarak bir dağılım aralıkları belirlenmiştir. Aynı zamanda, yatay ön araştırma delgi verilerinin değerlendirilmesiyle birlikte, penetrasyon ve tork oranlarındaki değişimlerin kaya dayanımı ve jeolojik özellikleri doğru bir şekilde yansıttığına dair elde edilen veriler bu tez kapsamında incelenmiştir.
Tünel kazısı sırasında volkanik dayklardan alınan kaya numunelerin tek eksenli basınç dayanımları, 63 ila 120 MPa arasında değiştiği test edilmiştir. Hatta bazı numunelerde bu değerin 200 MPa'a kadar olduğu görülmüştür. Bu bulgular, projenin güzergahındaki daykların, İstanbul'da daha önce yapılan projelerde test edilen dayklardan yaklaşık 2,25 kat daha sağlam olduğunu göstermesi açısından önemlidir.
Bu tür yüksek dayanımlı kayaçlar, TBM'nin (tünel açma makinesi) kesici kafasındaki kesici disklerin aşınmasını önemli ölçüde etkileyebilir. Daykların yüksek dayanımı, disklerin daha hızlı aşınmasına ve daha sık değiştirilmesine neden olmuştur. Bu durum, kazı süresini uzatmış ve maliyetleri arttırmıştır.
Tünel kazısı boyunca, yapılan yatay delgilerden alınan ve iki milyondan fazla noktadan oluşan veri setindeki veriler, delgi derinliğine bağlı değerlendirilerek, birim ilerleme için gerçekleşen baskı ve tork değerleri hesaplanmıştır. Bu şekilde elde edilen veriler, gerekli dönüşümler yapıldıktan sonra, grafik haline getirilmiştir. Farklı zonların belirlenmesinde ilerleme hızı, normal baskı ve normal tork değişimi aralıkları esas alınmıştır.
Yapılan değerlendirmelerde, her kesim için belirlenmiş olan delgi anlık ilerleme hızları, itme ve tork basıncı değerlerine göre normalize edilmiş penetrasyon oranları ile RQD değerleri karşılaştırılmıştır. Değerlendirmeye alınan her bir kesimde, yatay ön araştırma delgilerinin verileri ortalama alınarak "delgi anlık ilerleme hızı" ortalaması hesaplanmıştır. Daha sonra, delgi anlık ilerleme hızları itme ve tork basıncı değerlerine göre normalize edilmiştir. Bu sayede, her bir kesim için itme ve tork basıncına göre delgi ilerleme hızı arasındaki ilişkiyi gösteren ortalama değerler elde edilmiştir.
Tüm parametreler, RQD'ye negatif bir korelasyon gösterir, yani kaya kalite göstergesi (RQD) ne kadar iyi olursa anlık ilerleme hızları ve normalize edilmiş penetrasyon oranları da o kadar düşük çıkmaktadır. Ancak sınırlı sayıda sondaj verisine dayanan bu korelasyon ifadelerinin geçerliliği daha fazla veri ilave edilmesi ile artacağı muhakkaktır. Ayrıca, delgi anlık ilerleme hızları için oluşturulan grafiklerin benzer bir seyir izlediği ve uyumlu olduğu görülmektedir. Bu da verilerin ortam koşullarını doğru şekilde yansıttığını ve güvenilirliğini teyit etmesi bakımından önemlidir.
Bulunan bu ilişkiler yardımıyla benzer jeolojik koşullarda yatay delgi verilerine dayanarak belirli bir yaklaşımla daha güvenli kazı ortamlarının ön görüsünde bulunabilinecektir. Ayrıca, benzer özellikteki formasyonlarda ve sondajlardan elde edilen jeomekanik büyüklükler kullanılarak TBM performans parametreleri belirli bir yaklaşıklık içerisinde tahmin edilebilecektir. Buna göre, kazı ortamının tariflenmesi açısından, RQD değerlerine göre yorumlanmış anlık ilerleme hızları ve normalize edilmiş penetrasyon oranlarının kullanılmasının doğru bir yaklaşım olduğu söylenebilir.
Çalışmada ortaya konulan trendler, RQD değerleri arttıkça anlık ilerleme hızının azaldığını göstermiştir. Bu çalışma daha fazla sondaj verileri içeren bir veritabanı ile istatistik analiz yapılarak, formasyon karakteristikleri ile yatay ön delgi performansı arasındaki ilişkileri ortaya koyacak şekilde ve yatay ön delgi verilerine dayanarak TBM performans tahmin modeli geliştirmek üzere devam ettirilmesi gerekmektedir.
Tünel hattı boyunca yapılan 14 adet araştırma sondajından elde edilen RQD değerleri ile düşey sondajların yapıldığı kesimlere isabet eden yatay ön araştırma delgi parametreleri birlikte değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirmelerde, litolojik ve dayanım özelliklerinin karakterize edilmesinde başarılı sonuçlar vermiştir. Bu anlamda RQD ve kullanılan delgi anlık ilerleme hızlarının, kuvvetli bir ilişkisi olduğu belirlenmiştir. Aynı şekilde, penetrasyon oranına göre normalize edilmiş olan tork/anlık ilerleme hızı ve itme/anlık ilerleme hızı değişimlerinin de yüksek bir RQD korelasyonuna sahip olduğu görülmüştür. Bu durum, kaya kalite göstergesi (RQD) ne kadar iyi olursa anlık ilerleme hızları ve normalize edilmiş penetrasyon oranlarının da o kadar düşük çıktığını göstermesi açısından önemlidir.
Yapılan değerlendirmede, yatay ön araştırma delgilerinden elde edilen anlık ilerleme hızlarındaki değişimin, kayanın sertliği (Dayanım), ortamın çatlaklılığı ve heterojenliği ile ilgili olduğu anlaşılmıştır. Elde edilen verilerin değerlendirilmesiyle başta RQD değerleri olmak üzere, tünel kazısında karşılaşılacak olan jeolojik birim ve yapıların geometrisi hakkında da ayrıntılı bilgi edinileceği sonucuna varmıştır.
Normalleştirilen veriler kullanılarak oluşturulan modellerdeki litolojik durum, değerlendirilerek ayna ilerisinde gerekli olabilecek sızdırmazlık veya konsolidasyon enjeksiyonlarına yönelik zonlar belirlenebilmiştir. Enjeksiyona tabi tutulacak zonun kalınlığı, geometrisi, su geliri, suyun kökeni (Mühendislik Jeolojisi Modeli) belirlenebilmiştir.
Jeolojik ortamın tariflenmesi, yatay delgi anlık hızları ile kullanılmasının doğru bir yaklaşım olduğunu göstermesi açısından önemlidir. Ancak sınırlı sayıda sondaj verisine dayanan bu korelasyon ifadelerinin geçerliliği, daha fazla veri ilave edilmesi ile yapılacak yeni çalışmalarda artacağı muhakkaktır.

Abstract:
In tunnel projects where Tunnel Boring Machines (TBMs) are used, detailed geological investigations realised with an attention provides crucial data to predict the performance of the TBM during an excavation. Findings and results obtained before an excavation are subject to certain limitations in terms of engineering approaches due to technical, economic, morphological and geological factors. Therefore, some issues such as location and dimensions which can not be determined during research stages, may arise during tunnel excavations.
One of the recommended investigation method is the horizontal probe drillings performed in the tunnel excavation face. By analyzing the data obtained from these drilled holes, detailed geological-hydrogeological conditions covered the excavation route and located within the drilling range can be determined. It is known that the variations in parameters such as Instantaneous Advance Speed (IAS), Itme Pressure (TP), and Torque Pressure (TQ) recorded during the implementations of horizontal probe drillings reflect mostly the characteristics of the geological formations. The penetration rate obtained from the probe drills, as well as data such as torque and pressure, needs to be analyzed with precision by eliminating the errors related to machine and operator for an accurate reflection of the environmental characteristics. 
The tunnel, excavated using an EPB Hard Rock type TBM (Earth Pressure Balance Tunnel Boring Machine) which is suitable for geological and hydrogeological conditions, has a diameter of 6.15 m and a length of 3145 m. In the project, detailed documentation activities (photos, videos, measurements) with a frequency of every 36 meters approximately in a 1.2-meter segment between the cutting head of the TBM and the excavation face were conducted. As a result of each drilling, observational findings were evaluated, and the lithologies traversed were identified by assessing the necessary itme pressure and torque variations for unit advancement. Moreover, observations and assessments related to water ingress were made. Additionally, photography of the visible areas by entering the excavation chamber for the determination of crack systems and layer positions. 
An approach is presented based on the analysis of horizontal probe drilling data conducted during the excavation process of the Boğaziçi Tunnel in the Büyük Melen Project by focusing on Rock Quality Designation (RQD) values and their change trends.
In this scope, relationships between the RQD (Rock Quality Designation) values obtained from the vertical boreholes which were executed for investigation of the project route and the normalized data of the horizontal drillings were determined. Through these analyses, the trends of change were identified using RQD values obtained from vertical boreholes along the tunnel route. The trends derived from these data can contribute to be understand of the relationships between formation characteristics and horizontal probe drillings performance. In addition, it is possible to develop the prediction models of performance of Tunnel Boring Machine (TBM) based on additional vertical drilling and horizontal probe drilling data.
During the design of the engineering geological model for the tunnel route, various sources were utilized including previous geological and engineering geological studies in the region, foundational research-oriented boreholes and experimental works directed along the tunnel route, geotechnical cross-sectional data prepared before excavation, and advanced investigation drillings positioned parallel to the tunnel axis at an average depth of 36 meters  extending as much as the tunnel diameter.
As part of the investigation conducted along the tunnel route, a total of 14 vertical boreholes, with a cumulative length of 1692.15 meters, were drilled. Through these boreholes, 1128 Rock Quality Designation (RQD) values were obtained. Average RQD values were calculated, and distribution intervals were determined. Additionally, data obtained from the evaluation of the horizontal pre-investigation drillings along with the changes in penetration and torque ratios reflecting the rock strength and the geological features accurately were examined within the scope of this thesis.
These formations are intersected by diabase dykes and sills. The uniaxial compressive strengths of rock samples taken from volcanic dykes during tunnel excavation were tested to vary between 63 and 120 MPa. In fact, it has been observed that this value is up to 200 MPa in some samples. These findings align with the project's route. It is important because it shows that the dykes are approximately 2.25 times stronger than the dykes tested in previous projects in Istanbul. Such high-strength rocks can significantly affect the wearing out of the cutting discs in the cutter head of the TBM (tunnel boring machine). The high strength of the dykes has caused the discs to wear out faster and be replaced more frequently. This situation extended the excavation time and increased the costs. 
Throughout the tunnel excavation, data obtained from horizontal drillings comprising over two million points were evaluated based on the drilling depth to calculation of the itme and torque values for unit advancement. The obtained data were represented graphically after realisation necessary transformations. The progress speed, normal itme, and normal torque change intervals were considered fundamentally to determine the different zones.
In the assessments, the penetration ratios normalized based on the average instantaneous advancement speeds, itme and torque determined for each section were compared with Rock Quality Designation (RQD) values. For the selected sections, average values were obtained by normalizing "instantaneous drilling advancement speeds" according to itme and torque pressures, using the averages of horizontal pre-investigation drilling data.
All parameters exhibit a negative correlation with RQD, meaning that the better the rock quality indicator (RQD) the lower the instantaneous advancement speeds and normalized penetration ratios. However, the validity of these correlation expressions created with limited number of borehole data will increase undoubtly with the addition of more data. Moreover, it is observed that the graphs generated for instantaneous drilling advancement speeds follow a similar trend with a consistency. This is crucial in terms of that the data reflects the environmental conditions with an accuracy.
With the aid of these identified relationships, it is possible to make predictions about safer excavation environments using a specific approach based on horizontal drilling data under similar geological conditions. Additionally, it is feasible to predict TBM performance parameters with a certain level of approximation by utilizing geomechanical parameters obtained from similar formations and boreholes. Therefore, it can be stated that interpretation of instantaneous advancement speeds and normalized penetration ratios based on RQD values is a correct approach. 
The trends identified in the study indicate a decrease in instantaneous advancement speed as RQD values increase. It is essential to continue the study with a larger database containing more borehole data, and conducting statistical analyses to elucidate the relationships between formation characteristics and horizontal drilling performance. Furthermore, the study should aim to develop a TBM performance prediction model based on horizontal drilling data.
The RQD values obtained from 14 exploration boreholes along the tunnel alignment were evaluated in conjunction with the horizontal drilling parameters corresponding to sections where vertical boreholes were carried out. The assessments provided successful results in characterizing of lithological and strength properties. In this regard, a strong correlation between RQD and the used drilling instantaneous advancement speeds was determined. Similarly, it is observed that there is a high degree of RQD correlation between the changes in torque/instantaneous advancement speed and itme/instantaneous advancement speed normalized by penetration ratio. This observation is crucial as it indicates that the better the rock quality indicator (RQD), the lower the instantaneous advancement speeds and normalized penetration ratios. 
The evaluation revealed that the variation in instantaneous advancement speeds obtained from horizontal pre-drilling is associated with rock hardness (strength), fracture density, and heterogeneity of the environment. Through the assessment of the collected data, it was concluded that the detailed information about the geometry of geological units and structures encountered during tunnel excavation including RQD values, could be obtained.
Lithological conditions in the models created by using normalized data allowed for the identification of zones where sealing or consolidation injections might be necessary in the further excavation faces. The thickness, geometry, water ingress, and the origin of water for the zones subject to injection (Engineering Geological Model) could be determined.
Geological environment description is crucial as it demonstrates the appropriateness of utilization of horizontal drilling instantaneous speeds. However, the validity of these correlation expressions based on a limited number of borehole data is expected to increase with additional data in future studies.