Karayolu tünellerinin projelendirilmesi aşamasında kullanılan kayaç parametreleri ile kaya sınıflama sistemleri arasındaki ilişkinin araştırılması
An investigation into the relationships between rock classification systems and engineering rock parameters used in project planning of underground road tunnels
Yazar: FURKAN ATALAY
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN TUNÇDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering ; Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Tünel tasarımları, yapısı çok karmaşık olan jeolojik birimlerin özel etkileşimlerinden dolayı farklı disiplin mensubu teknik elemanların bir arada çalışmasını gerektirir. Uzmanların kısa zamanda hem ekonomik hem de güvenli bir tünel tasarımı yapabilmesi için teknik anlamda aynı dilden konuşmaları gerekmektedir. Bu amaçla standartlar ve şartnameler oluşturulmuş olup, farklı alanlardan uzmanlar bir araya gelerek daha kısa sürede en doğru, güvenli ve ekonomik tünel tasarımı yapabilirler. Ülkemizde bulunan tünellerin kazı ve desteklemesi Karayolları Genel Müdürlüğü (KGM) tarafından hazırlanmış olan Karayolları Teknik Şartnamesine (KTŞ) göre yapılmaktadır. Bu sınıflandırma kaya kütle davranışını yansıtmaktadır. Tünelde uygulanacak olan destek sistemi RMR ve Q sınıflamaları ile ilişki kurulan KTŞ sınıfları ile belirlenmektedir.
Tünel yapım kararı alındıktan sonra tünelin açılabilmesi için yapılması gereken çalışmalar; zaman alıcı, çok detaylı, tünel hattını resmeden ve buna bağlı olarak da en iyi inşa yönteminin seçilmesi ve uygulanmasını gerektiren bir işlemler bütünüdür. Bu aşamaların titizlik ve hassasiyetle yapılması hem tünel açımı sırasındaki belirsizlikleri minimize edecek hem de tünelin yaşamı boyunca oluşabilecek olumsuzlukları en asgari düzeye indirecektir. Bununla birlikte kaya sınıflandırma sistemlerin de en üst seviyede ve nitelikli bilgi sağlayacak, doğru ortam sınıflaması yapmaya olanak sağlayacaktır.
Kayaçların mühendislik amaçları için sınıflandırması, projelerin maliyet analizlerinin yapılmasında, en ekonomik ve güvenli çözümlerin saptanmasında kolaylık sağlar. Bu nedenle pek çok araştırmacı değişik özelliklere göre değişik sınıflandırma yapmıştır. 
İleri derecede eklemli kaya kütlelerinde inşa edilen kaya yapılarının tasarımında karşılaşılan başlıca sorunlardan biri, kaya kütlelerinin dayanım ve deformasyon özelliklerinin tayin edilmesiyle ilgili güçlüklerdir. Kaya kütleleri için bu özelliklerin nasıl tayin edileceği konusunda kuramsal ve deneysel güçlüklerle karşılaşılmaktadır. İçerdiği süreksizlikler ile birlikte kaya kütlelerinden laboratuvar deneyleri için temsil edici boyutlarda örnek alınamaması, ayrıca kaya kütlelerinin davranışının hem kaya malzemesi, hem de süreksizlikler tarafından ortaklaşa bir biçimde denetlenmesi bu güçlüklerin başında gelmektedir. Bununla birlikte söz konusu güçlüklerin aşılması konusunda yapılan çalışmalar sonucunda kaya kütlelerinin dayanımının tayinine yönelik amaçlarla geliştirilen yöntemlerden en yaygın kullanılanlarına yer verilmiştir.
Hazırlanan tez çalışması 6 bölüme ayrılmıştır. İlk bölümde tünellerin proje ve inşası sırasında ele alınan önemli olan hususlar özetlenmiş, tez çalışmasının amacı ve çalışma sırasında izlenen yöntemler açıklanmıştır. İkinci bölümde yeraltı kaya yapıları projelendirilirken uygulanan güzergâh çalışmaları, jeolojik – jeomekanik - jeoteknik modellerin oluşturulması ve destekleme sistemlerinin boyutlandırılması gibi adımlar üzerinde durulmuştur. Üçüncü bölümde kaya kalite ve kaya destek sistemleri hakkında yapılan literatür çalışması listelenmiş, ulusal ve uluslararası çapta kabul görmüş sınıflama sistemleri ile ilgili ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Dördüncü bölümde kayaçların arazide sahip oldukları jeomekanik büyüklükleri belirlemek için daha önce yapılan çok sayıdaki araştırma yöntemi ele alınmış ve irdelenmiştir. Beşinci bölümde ise kaya kalite sınıflamaları ile yerinde kaya dayanımları arasındaki ilişkiler incelenerek, elde edilecek bağıntılar ile destekleme sistemlerinin belirlenmesini esas alan bir model ortaya konmuştur. Altıncı bölümde elde edilen tüm sonuç ve değerlendirmeler yer almakta ve kullanılan yeni modelin kaya destek sistemleri arasındaki ilişkisi ortaya konulmaktadır.
Bununla beraber; tünel projelendirme aşamaları genelleştirilirse, sistematik adımların takip edildiği bir iş akışı ortaya çıkmaktadır. Bu tezin amacı da ortam özelliklerini yansıtan jeomekanik parametrelerle, yine ortam özelliklerinden yola çıkarak yapılmış kaya sınıflamaları arasındaki ilişkilerin ortaya konulmasıdır.

Abstract:
Due to growth in population and scarcenesof avaliable land, the use of underground as well as ground surface is becoming more demanded. Rapid developments in technology led to development of new solutions and methods of construciton in civil engineering works. One of the fields in which theese new improvements have been widely used in the construction of underground facilities and employment of tunneling solutions. 
A tunnel is a well defined balance of the excavated materials, ecavation techniques and the support system used. Therofore, its design and construction are the most difficult and complex responsibility of engineer, when compared with those of other structures. To provide safe excavation conditions and obtain most appropriate support systems, it is necessary ton consider three seperate factors mentioned above.
Tunnel designs require interdisciplinary studies because of the specific interactions of geological units that are very complex in structure. Experts need to talk in the same way technically in order to be able to design an economical and safe tunnel in a short time. Standards and specifications have been established for this purpose, experts from different fields will come together to design the most accurate, safe and economical tunnels in a shorter time. The excavation and support methods of the tunnels in our country are made according to the Technical Spesification of Highways (KTŞ) prepared by General Directorate of Highways. This classification defines rock mass behavior. Supporting system to be applied in tunnel is determined by considering KTŞ classes which are associated with RMR and Q classifications. 
The work to be done in order to open the tunnel after tunnel construction decision is taken; time consuming, highly detailed, a process that depicts the tunnel line and, depending on it, requires the selection and implementation of the best construction method. The precisely and sensitively attitude enables minimize both uncertainities during excavation and the potential negative consequence. In addition, it will provide the highest level and qualified information to right classification for rock mass.
Classification of rocks for engineering purposes makes it easy to determine the most economical and safe solutions and cost anlysis of project. For this reason, many researchers have made different classifications according to different characteristic. 
One of the major problems encountered in designing rock structures constructed on well jointed rock masses is the difficulty in determining the strength and deformation characteristics of rock masses.
Theoretical and empirical difficulties are encountered as to how these properties are to be determined for rock masses. It is at the forefront of these difficulties that it is impossible to take samples from rock masses together with the discontinuities they contain, in order to representational dimensions for laboratory experiments, and to shared control the behavior of rock masses both by rock material and by discontinuities. However, the most commonly used methods for the determination of the strength of rock masses have been included as a result of studies to handle the mentioned difficulties.
This thesis study is divided into 6 sections. In the first part, the issues that are important during the project and construction of the tunnels are discussed briefly. Then the purpose of the thesis study and the methods that are followed during the study are explained. In the second part, it is emphasized the steps such as dimensioning of support systems, formation geological-geomechanic-geotechnical models and route studies. In the third part, a literature survey on rock quality and rock support classification systems was investigated and informative information on nationally and internationally accepted classification systems has been given. In the fourth part, the methods of many researchers who have worked to determine the geomechanical magnitude of rocks in the field are scrutinized. In the fifth chapter, the relations between rock quality classifications and in situ rock strengths will be examined in order to provide basis for determination of support systems. In the sixth part, all the results and evaluations are obtained and the relation between the rock support systems of the new model is presented.
If the tunnel projecting stages are generalized, a workflow appears where systematic steps are followed. The purpose of this thesis is to reveal the relationships between the geomechanical parameters reflecting the environmental properties and the rock classifications made from the environment characteristics.
Within the scope of the thesis study, geological and geotechnical parameters used in project phase of 57 different tunnels in our country were utilized. For this purpose, parameters are separated according to KTŞ classes in order to associate the data which is obtained easily. Then, the values of each class are averaged and compared. On the other hand, the two most relevant parameters, the on-site elasticity modulus and the RMR values, were compared with the minimum and maximum values.
Work with the averaged data; the coefficient of determination between internal friction angle and cohesion was found to be about 70%. Apart from that, the ratio is 90% or more. Also, when compared to studies that other researchers have done, the trend line is among others.
Studies based on modulus of elasticity at minimum site; in general, the coefficient of determination is 70% or more. Cohesion, RMR, and GSI have low levels of association with the internal friction angle, although there is over 90% compliance in exponential functions.
Studies based on modulus of elasticity at minimum site; in the studies in which the relationship of the elasticity module with RMR is investigated, the determination coefficient is 90% or more. However, in relation to the GSI, the rate has fallen to 70%. The ratio of cohesion to RMR and GSI is up to 80%, but the level of interrelationships is very low with internal friction angle.
Work based on minimum RMR; the highest determination coefficients (> 90%) were determined in relation to the in situ elasticity modulus with GSI. Relations with RMR have reached a maximum of 60%. The cohesion, in relation to the internal friction angle, RMR and GSI, is generally of the order of magnitude lower than 70%.
Work based on maximum RMR; the coefficient of determination of the relation of the elasticity module with RMR and GSI is generally over 70% and sometimes over 90%. Although the ratio of cohesion, internal friction angle, and RMR ratios has rarely reached 70%, it is up to 99% in relation to GSI.
The relations established show that; trend lines are generally consistent with the work they are doing in comparison to other researchers. However, the comparative data bear general features of the tunnels projected on both sides of the world and our country. In order to obtain more specific and precise judgments, investigations should be done according to the regions and rocks. Comparisons made in the thesis study are generally made between two different parameters. The effects of multiple parametres should be considered together to determine rock quality classifications and onsite rock strength parameters that are very complex and under the influence of many features.