Eklemli kayalarda NATM tünellerin yol açtığı yüzey oturmalarının sayısal analizlerle incelenmesi
Numerical investigation of surface settlements of NATM tunnels bored in jointed rock masses
Yazar: YUSUF KAYA
Danışman: PROF. DR. MEHMET MUHİT BERİLGEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Yeni Avusturya tünel inşa yöntemi = New Austrian tunneling method

Özet:
Dünya üzerinde artan nüfusla beraber yeryüzünün yanı sıra yeraltının da kullanılması insan ve taşıt yoğunluğunu azaltma amaçlı zorunlu hale gelmiştir. Yer altını efektif kullanmanın yollarından bir tanesi de tüneller açılmasıdır. Tünel insanoğlunun tarih boyunca çeşitli amaçlarla inşa ettiği bir mühendislik yapısı olmuştur. Gelişen teknoloji ile tünel açma yöntemleri de değişmiş ve gelişen imkanlarla makinelerin kullanıldığı mekanize kazı yöntemlerine geçilmiştir. Bu modern yöntemler eskiye nazaran daha başarılı ve mühendislik bakımından denetlenebilir olmuştur. Yer altı mühendislik yapısı olan tüneller zeminlerde olduğu gibi kaya ortamlarda da açılabilmektedir. Kayaçlar ise doğada masif halde bulunabildiği gibi eklemli veya çatlaklı yapıda da bulunabilmektedir. Kayacın bu yapısı tünel kazısı kaynaklı oluşacak deformasyonları etkilemektedir. Tünel kazısı nedenli oluşacak deformasyon ve oturma davranışlarının kazı ve çevre yapıların güvenliği için tespit edilmesi gereklidir. Bu tez çalışması kapsamında içerisinde eklemler bulunduran bir kaya ortamda kademeli kazısı gerçekleştirilen NATM tünelin inşaatı sonucunda yüzeyde meydana gelebilecek yer değiştirme ve şekil değiştirmelerin sayısal olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda en gerçekçi yaklaşım için doğrusal olmayan bütünleşik malzeme davranışını modelleyebilen sayısal analizlerin kullanılması tercih edilmiştir. Sayısal analizler için geoteknik mühendisliğinde yaygın olarak tercih edilen sonlu elemanlar programı PLAXIS 2D kullanılmıştır. Program bünyesinde bulunan Jointed Rock malzeme modeli ile kaya kütlesinde var olan eklemler modellenmiştir. Yapılan analizler kapsamında farklı örtü kalınlıkları ve eklem eğim açıları için tünel tasarımları gerçekleştirilip elde edilen sonuçlar Lineer Elastik, Tam Plastik ve Hoek-Brown bünye modellerinin sonuçları ile mukayese edilmiştir. Sayısal analizler, NATM tünellerin 2 boyutlu sayısal analizlerinde Panet ve Guenot (1982) tarafından geliştirilen ve pratikte yaygın olarak kullanılan yakınsama-sınırlama yöntemi (Convergence-Confinement Method) dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. Pratikte λ veya β yöntemi olarak da adlandırılan bu yaklaşımla yapılan analizlerde farklı yakınsama-kısıtlama katsayısı (λ=1-β) değerinin yüzey oturmalarına etkisi irdelenmiştir. Çalışma kapsamında hassaslık ve parametre analizleri yapılarak analizlerde etkili olan ortam parametreleri belirlenmiştir. Eklem eğim açısı değişimlerinin deformasyonlar üzerinde lineer olmayan bir etkiye sahip olduğu sonucuna çalışma kapsamında ulaşılmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi (NATM), eklemli kaya, Jointed Rock Model, tünel kazılarında yüzey oturması, sayısal analiz

Abstract:
The use of underground as well as ground surface has become obligatory to reduce the number of people and vehicles with the increasing population in the world. One of the ways to use underground effectively is tunnel boring. Tunneling has been an engineering structure constructed by mankind for various purposes throughout history. Tunnel boring methods have also changed with developing technology and mechanized excavation methods using machines have been adopted with improved facilities. These modern methods have been more successful than before and controlled in terms of engineering. Tunnels is an underground engineering structures that can be bored in rock mass as well as in soil. On the other hand, rocks can be found in nature in massive form as well as in jointed or fractured structures. This structure of the rocks affects the deformations induced by the tunnel excavation. It is necessary to determine the deformation and settlement behaviors induced by tunnel excavation for the safety of excavation and surrounding structures. Within the scope of this thesis, it is aimed to numerically investigate the displacement and deformations that may occur on the surface as a result of the construction of the NATM tunnel which is excavated sequentially in a jointed rock mass. For this purpose, it has been preferred to use numerical analysis that can model nonlinear integrated material behavior for the most realistic approach. The finite element program PLAXIS 2D which is widely preferred in geotechnical engineering, was used for numerical analysis. Joints in the rock mass are modeled with the jointed rock material model within the program. Within the scope of the analysis, tunnel designs were made for different cover thicknesses and joint dip angles and the results obtained were compared with the result of linear Elastic, Fully Plastic and Hoek-Brown material models. Numerical Analyzes were performed by taking into consideration the Convergence-Confinement Method developed by Panet and Guenot (1982) and widely used in practice in 2D numerical analysis of NATM tunnels. In practice, the effects of different Convergence-Confinement coefficient (λ =1-β) values on surface settlements were examined in the analyzes made with this approach, which is also called the λ or β method. Within the scope of the study, sensitivity and parameter analyzes were made and the rock parameters that are effective in the analysis were determined. It was concluded within the scope of the study that variations in joint dip angle have a nonlinear effect on deformations.

Keywords: New Austrian Tunneling Method (NATM), jointed rock, Jointed Rock Model, surface settlements in tunnel excavations, numerical analysis