T26 tünelindeki sıkışan kayalarda tünel açma makinesi (TBM) ile klasik kazı yöntemlerinin karşılaştırılması
Comparison of tunnel boring machine (TBM) and classic excavation method in squeezing rocks in T26 tunnel
Yazar: EVREN POŞLUK
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

Özet:
Sıkışan kaya koşullarında tünel açılırken doğru kazı ve destek yönteminin belirlenmesi tünelciliğin temel sorunlarından biridir. Sıkışma kavramı ise eşik makaslama değeri aşılınca başlayan, zamana bağlı olarak gelişen ve birim deformasyon %1'i geçtiğinde riskli olarak kabul edilen bir kavramdır. Bu çalışmada, sıkışan kayada en uygun kazı ve destek yönteminin belirlenmesi amacıyla hem klasik hem de Tünel Açma Makinesi (TBM) ile kazı yöntemlerinin uygulandığı T26 Tüneli (Ankara-İstanbul Yüksek Hızlı Tren Projesi, Proje km: 216+260 ile 222+360 arası) incelenmiştir.

Çalışmalar kapsamında T26 Tünel güzergahının ve yakın çevresinin jeolojisi yeniden değerlendirilmiş, kayaçların sıkışma özelliğine eşlik eden şişmenin varlığı sorgulanmıştır. Yapılan laboratuvar deneyleriyle kayaçların şişme özelliğinin ihmal edilebilir düzeyde olduğu tespit edilmiştir. Tünele etki eden gerilmeler ise kinematik analizler, ampirik yaklaşımlar ve sayısal analizler kullanılarak belirlenmiştir. T26 Tünelindeki sıkışan kayada uygulanan TBM ve klasik kazı yöntemlerinde sıkışma durumları, destekli ve desteksiz durumlar için konverjans sınırlama yöntemi, ampirik ve yarı ampirik denklemler kullanılarak hesaplanmıştır. Ampirik ve yarı ampirik sıkışma denklemleriyle sıkışma durumu tahmininde en fazla %75 oranında doğruluğa ulaşılmıştır. Sıkışma tahmini oranının arttırılması amacıyla Q sınıflama sistemini, k değeriyle hesaplanan maksimum çevre basıncını (σmaks), destek sisteminin maksimum rijitliğini (kdışmaks) kullanan ampirik bir denklem oluşturulmuştur. Yeni ampirik sıkışma denklemiyle T26 Tünelindeki sıkışma durumu %82 oranında doğrulukla tahmin edilmiştir. T26 Tünelindeki sıkışan kayada uygulanan TBM ve klasik kazı yöntemleri değerlendirildiğinde TBM ile yapılan kazılarda yaşanan sorunların TBM'in yetersiz tork ve itki kuvvetinden kaynaklandığı, bunun sonucunda da aşırı kazıların oluştuğu belirlenmiştir. Klasik kazı yönteminde ise uygulanan destek sistemiyle günlük imalat hızının 0.2 m'ye düştüğü belirlenmiştir. Tünelin belli bir seviyede ilerleyebilmesi amacıyla, Kaya ve Zeminlerin Kontrollü Deformasyon Analizi (ADECO R.S.) yöntemi ile tam dairesel kazı, güçlü pasif ilk destekleme ve deformasyonlar devam ederken aktif nihai kaplama uygulaması yöntemlerini bir araya getiren Hibrit Destek Sistemi (HDS) önerilmiştir. HDS ve yerinde uygulanan (NATM) destek modelleri FLAC3D V2.1 bilgisayar programıyla kıyaslanmıştır. Analiz sonuçlarına göre HDS'de, NATM yöntemine göre daha düşük sıkışmaların oluştuğu görülmüştür. Bu çerçevede NATM prensipleri için revizyonlar önerilmiştir. 
Sonuç olarak, T26 Tünelinde yaşanan sorunlarının nedeninin tünel tasarımı sırasında jeolojik koşulların yetersiz değerlendirilmesinden kaynaklandığı anlaşılmıştır. Ayrıca yüksek sıkışma riski bulunduran tünellerde ilk kazı tercihinin EPB (çevre basıncı dengeleme) tip TBM olması gerektiği belirlenmiştir. Klasik kazı yöntemi tercih edilmesi durumunda ise düşük birim deformasyon, sürdürülebilir bir imalat hızı ve beklenmeyen koşullara hızlı uyum sağlanması amacıyla HDS'nin kullanılması önerilmektedir.

Abstract:
Determining the correct excavation and support method when tunneling under squeezing rock conditions is one of the main problems of tunneling. The concept of squeezing is a concept that begins when the threshold shear value is exceeded, develops over time, and is considered risky when the strain exceeds 1%. In this study, the T26 Tunnel (Ankara-Istanbul High Speed Train Project Project km: 216+260 to 222+360), where both classical and Tunnel Boring Machine (TBM) excavation methods were applied, was examined in order to determine the most appropriate excavation and support method in the squeezing rock. 
Within the scope of the studies, the geology of the T26 Tunnel route and its immediate surroundings was re-evaluated and the existence of swelling accompanying the squeezing feature of the rocks was questioned. Laboratory tests have shown that the swelling properties of rocks are negligible. The stresses affecting the tunnel were determined using kinematic analyses, empirical approaches and numerical analyses. In the TBM and classical excavation methods applied to the squeezing rock in the T26 Tunnel, the compression situations were calculated using the convergence limitation method, empirical and semi-empirical equations for supported and unsupported cases. A maximum accuracy of 75% was achieved in predicting the compression state with empirical and semi-empirical compression equations. In order to increase the compression prediction rate, an empirical equation was created using the Q classification system, the maximum environmental pressure calculated with the k value (σmax), and the maximum stiffness of the support system (koutmax). With the new empirical compression equation, the compression situation in the T26 Tunnel was predicted with 82% accuracy. When the TBM and classical excavation methods applied in the squeezing rock in the T26 Tunnel were evaluated, it was determined that the problems experienced in the excavations with TBM were caused by the insufficient torque and thrust force of the TBM. As a result, excessive excavations occurred. In the classical excavation method, it was determined that daily production speeds decreased to 0.2 m with the support system applied. In order for the tunnel to progress at a certain level, a Hybrid Support System (HDS) has been proposed, which combines the Controlled Deformation Analysis of Rocks and Soils (ADECO R.S.) method with full circular excavation, strong and passive initial support and active final coating application while deformations continue. HDS and applied support models (NATM) were compared with the FLAC3D V2.1 computer program. According to the analysis results, it was observed that lower squeezing occurred in HDS compared to the NATM method. In this context, revisions have been proposed for NATM principles.
As a result, it was understood that the problems experienced in the T26 Tunnel were due to inadequate evaluation of geological conditions during tunnel design. In addition, it has been determined that the first choice of excavation in tunnels with a high risk of squeezing should be EPB (Earth Pressure Balanc) type TBM. If the classical excavation method is preferred, it is recommended to use HDS for low strain, sustainable manufacturing speed and rapid adaptation to unexpected conditions.