İstanbul metrosu Kabataş Mecidiyeköy hattı km 1+500 – km2+100 arasında tünel kazılarına bağlı gelişen yüzeydeformasyonlarının değerlendirilmesi
Assessment of surface settlements induced by tunneling between km 1+500 – km 2+100 of Kabataş – Mecidiyeköy line in İstanbul metro
Yazar: JAVIDAN ALAKBAROV
Danışman: DOÇ. DR. YILMAZ MAHMUTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Kabataş-Mecidiyeköy metro hattı; Kabataş, Beşiktaş, Yıldız ve Fulya istasyonlarını kapsayan ve Kabataş ile Esenyurt arasında Avrupa yakasının ilk tam otomatik sürücüsüz metro hattı olarak projelendirilen hattın 2. etabıdır. 6,5 km uzunluğundaki hattın inşaatı 2015 yılında başlayarak günümüzde de devam etmektedir. Hattın yapım
işleri İstanbul Büyükşehir Belediye Başkanlığı tarafından planlanarak Alsim Alarko Sanayi Tesisleri ve Ticaret A.Ş. Kabataş-Mecidiyeköy Metro Müessesesi tarafından yürütülmektedir. Beyoğlu, Beşiktaş ve Şişli ilçelerini kapsayan proje, çift tüp halinde 5 km tünel, 4 adet istasyon ve 10 adet şafttan ibarettir. Ana hat ve istasyon tünellerinin TBM (6180 m) vasıtasıyla, peron tünelleri, istasyon bağlantıları ve diğer yapıların ise Yeni Avusturya Metodu (4490 m) ile açılması planlanmıştır. İstasyonların tamamı yüzeye yakın olmakla beraber yer altındadır. Ray hattı, peron seviyesi ve bunlara bağlanan merdiven grupları delme tüneldir. Peron ile bilet holü arasındaki ara katlar aç-kapa yöntemiyle yapılmaktadır. Bilet holü-konkors seviyesi için aç-kapa inşaat yöntemi seçilmiştir. Mecidiyeköy-Kabataş metrosuna ait ana hat tünelleri çift yönlü olarak EPB-TBM'ler ile açılmıştır. Sağ hatta Kabataş'tan kazıya başlayan Herrenknecht S-693 marka TBM, sol hatta ise Mecidiyeköy istikametinden kazıya başlayan Lovsuns RME257SE marka TBM kullanılmıştır. İkiz tüpler bir yıldan fazla zaman farkıyla açılmıştır.
Proje kapsamında tünel güzergâhının neredeyse tamamı Trakya Formasyonu içinden geçmektedir. Formasyonun İstanbul ve çevresi boyunca geniş alanda yayılması nedeniyle literatürde ayrıntılı çalışmalar mevcuttur. Birim kiltaşı-silttaşı-kumtaşı ardalanması şeklinde karakterize edilse de, kazı sırasında bu tabakalardan bazıları daha baskın gelmektedir. Trakya Formasyonu dışında kalan %5'lik tünel kazı bölgesi, yumuşak alüvyal-haliç çökelleri içinde açılmaktadır. Alüvyal-haliç çökelleri, Kuşdili Formasyonu'nun kumlu killi birimleri ile eski ve yeni alüvyal çökellerin çakıllı killi kumlu birimlerinin ardalanması olarak tanımlanır. Çökeller esasen Ihlamur Dere, Dolmabahçe Deresi ve kıyı boyu derinliklerde birikmiştir. Tez çalışmasında hattın km: 1+500 ile km: 2+100 arasında kalan Ihlamur Dere ve civarı, güzergâhın geri kalanından farklı litolojiye sahip olması ve jeoteknik gözlem
araçlarının sıklığı sebebiyle ayrıntılı çalışılmıştır. Yüzeyde yapay dolgu birimi ile başlayan stratigrafik yapı üstte Kuşdili Formasyonu, alüvyal çökeller ve en altta Trakya Formasyonu ile devam etmektedir. Tünel güzergâhı boyunca dere ve karayolu geçişlerinde 6.50 m kalınlığına kadar çıkan yapay dolgu tabakası, düzensiz dağılmış hafriyat artığı toprak, moloz, yol dolguları ve kaplamalardan oluşmuştur. Haliç çökelleri (Kuşdili Formasyonu) koyu renkli kil, silt-çamur türü ince gereçten oluşmuştur. TSK-08A ve TSK-08B sondajlarında kalın, TSK-09 ve TSK-09A sondajlarında ise ince seviyeler halinde kesilmiştir. Suya doygun yumuşak killer, hattın km: 1+540 – km: 1+780 arasında tünel kazı kotunda veya tünel etki zonunda kalmaktadır. Haliç killerinin altında yer alan Eski Alüvyon ise sarı-kahve renkli çakıl, kum ve kil karışımından kurulu olup, daha sıkı taneler içermektedir. Genellikle orta-sıkı yerleşime sahiptir. Çalışılan bölgede zemin ortamlar adı altında Dolgu, Haliç Çökelleri, Eski Alüvyon,
Tamamen Ayrışmış Kaya ve Ayrışmamış Ezik Kaya kısımları incelenmektedir. Tünel kazısı sırasında bahsi geçen ortamlardan 3'ü ile karşılaşılmıştır. Güzergâh boyunca geçilen kaya ortamlar Trakya Formasyonu'nun çeşitli ayrışma seviyelerinden oluşur. Proje kapsamında Alsim Alarko Sanayi Tesisleri ve Ticaret A.Ş. KabataşMecidiyeköy Metro Müessesesi tarafından 7'si Kabataş-Beşiktaş istasyonları arasında olmak üzere toplam 24 adet zemin araştırma sondajı yaptırılmıştır. Buna ek olarak, tünel kazıları sırasında yeni araştırma kuyuları açılmıştır. İncelenen kesimde yer alan kuyularda toplam 61 adet standart penetrasyon testi, 45 adet presiyometre testi ve 8 adet basınçlı su testi yapılmıştır. Kaya ve zemin ortamların mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla, sondaj
numuneleri üzerinde laboratuvar deneyleri yapılmıştır. Sondajlardan alınan 37 adet zemin örneği üzerinde elek analizi, kıvam limitleri, üç eksenli basınç, direkt kesme, doğal su muhtevası testlerine tabi tutulmuştur. Kaya numunelerde tek eksenli basınç, nokta yük indeksi ve aşındırıcılık deneyleri olmak üzere 45 adet kaya deneyi
yapılmıştır. Deneysel çalışmalarla bölgede yer alan birimlerin yeraltı suyu durumu, fiziksel ve mekanik özellikleri belirlenmiştir. Kabataş-Mecidiyeköy hattının km: 1+500 – km: 2+100 arasında kalan kesiminde ikiz
tünellerin açılması sırasında oluşan düşey gerilmeler jeoteknik açıdan incelenmiştir. Kazının bu bölgede ilerleyişi sırasında yüzey ve binalara yerleştirilen 207 adet bina izleme noktası (BMP), 75 adet yüzey izleme noktası (SMP) okumaları tez kapsamında değerlendirilmiştir. Kritik bölgenin jeolojik, jeomekanik, hidrojeolojik özelliklerini tanıtma amaçlı mühendislik jeolojisi kesiti hazırlanmıştır. Paftanın hazırlanmasında Artson Geoteknik tarafından hazırlanan jeolojik-jeoteknik etüt raporlarından faydalanılmıştır. Ihlamur Dere ve civarını kapsayan 600 metrelik risk zonunda 3 adet kritik en kesit alınmıştır. Kesitlerin oluşturulmasında jeoteknik izleme verileri, sondaj verileri, tünel kazı raporu, arazi ve laboratuvar verilerinden yararlanılmıştır. Bina ve yollarda kurulan jeoteknik izleme araçlarının sıklığı ve tünel kazı etki zonundaki çeşitlilik kesitlerin seçilmesinde dikkat edilen unsurlar olmuştur. Akaretler yokuşundan başlayarak Dolmabahçe Caddesi'ne doğru devam eden a-a`
kesiti boyunca konumlanan binalarda jeoteknik izleme ağı oluşturulmuş, periyodik BMP ve SMP okumaları yapılmıştır. Oturmaların kazı ortamı ile ilişkisi grafik halinde sunulmuştur. Tünel kazılarıyla gelişen oturmalar düşük seviyelerde kalmıştır. Ortabahçe Caddesi'nden başlayarak Dolmabahçe mevkiinde ilerleyen 150 metre uzunluklu en kesit alınmıştır. Kesitin alınmasında TSK-08A, TSK-08B ve TSK-09 sondajlarından yararlanılmıştır. b-b` kesiti üzerinde yer alan jeoteknik ölçüm noktalarından edinilen veriler değerlendirilmiştir. Kesit üzerinde birinci tüpün
geçişiyle maksimum -8 mm'lik düşey deplasman değeri kaydedilmiştir. İkinci hattın açılmasıyla maksimum oturma miktarı -12 mm seviyesine çıkmıştır. Köyiçi Sokak'tan başlayarak Barbaros bulvarına kadar uzanan 150 metre uzunluklu ve 60 metre kalınlıklı c-c` en kesiti, Beşiktaş istasyon girişine paralel uzantıdadır. Kesitin oluşturulmasında TSK-11A sondaj verileri kullanılmıştır. 27 adet BMP ve 6 adet SMP'den alınan okumalar çeşitli grafikler üzerinde gösterilmiştir. İkiz tünellerin açılmasıyla oluşan maksimum oturma miktarı ikinci hat ekseni üzerinde ve nihai -6 mm seviyesinde ölçülmüştür. Kazı esnasında Barbaros bulvarı üzerinde oluşan göçüğün sebepleri irdelenmiştir. İkiz tünellerin kazısı sonrasında yüzeyde oluşan gerilmelerin dağılımı SURFER 18 yazılımı kullanılarak eşoturma haritası şeklinde gösterilmiştir. Çalışılan kesimde ikinci tüp üzerinde gelişen düşey gerilmelerin, birinci tüp geçişinden kaynaklanan örselenmeler dolayısıyla daha yüksek değerler aldığı belirlenmiştir. İncelenen kesimde kaydedilen oturmaların yüksek seviyelere ulaşmamasının nedenleri tez kapsamında değerlendirilmiştir. Bu bağlamda seçilen kazı makinesi, tüneller arası açıklık, kazı çalışmaları arasındaki zaman farkı, kapsamlı izleme ağı kurulumunun oturmalarla ilişkisi literatürden örnekler verilerek açıklanmıştır.
Zayıf zemin koşullarında açılan ve kritik bölge olarak değerlendirilen Ihlamur Dere bölgesi ve civarından seçilen en kesitlere ait sayısal modeller oluşturulmuştur. Bir yıl farkla açılan ikiz tünellerin oluşturduğu tasman değerlerinin sonlu elemanlar sistemine göre analizi için Plaxis 2D yazılımı kullanılmıştır. Kesitlere ait Gauss oturma eğrileri okumalarla çakıştırılmıştır. Her kesit için oturma formunun genişliğini veren i parametresi ve k sabiti elde edilmiştir. k değerinin ikinci tünel geçişiyle değişimi hesaplanmıştır. Analizler sonucunda öngörülen maksimum oturma değerleri, arazi ölçümleriyle karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Kabataş – Mecidiyeköy metro line, which contains Kabataş, Beşiktaş, Yıldız and Fulya stations, has been projected as the second stage of the first otomatic driverless metro line between Kabataş and Esenyurt districts. Construction works were launched in 2015 and still have been proceeding. The line has a 6.5 km longitude. Construction works were planned by İstanbul Metropolitan Municipality and the project was undertaken by Alsim Alarko Industrial Facilities and Traders Corporation KabataşMecidiyeköy Metro Establishment. The metro line projected as a twin tunnel which passes through the European side of İstanbul districts such as Beyoğlu, Beşiktaş, and Şişli. The metro project consists of 5 km long tunnel, 4 stations, and 10 shafts. Mainline and station tunnels have been opened with Tunnel Boring Machine (TBM), however the rest of the under excavation has been carried out with the New Austrian Tunneling Method (NATM). The overall length of excavations are respectively 6180 meters and 4490 meters. In spite of short distance with the surface, all stations are placed underground. Rail lines, platforms, and connected stair groups were opened with a drilling machine. Ticket halls were built with the assistance of the Cut and Cover Method. Bi-directional tunnels were opened with EPB-TBMs in Mecidiyeköy-Kabataş
metroline. One of the lines, starting from Mecidiyeköy on the left side, was opened with Lovsuns RME257SE. The other line starting from the Kabataş region on the right side was excavated with Herrenknecht S-693. The time gap between the lines is almost one year. According to the project plan, a major part of the tunnel route runs through the Trakya Formation, which was formerly subjected to studies by many researchers. The formation is the last member of Istanbul Paleozoic and spreads widely on the European side of the city. Excessive traffic and people mobility on line route were main obstacle, which were hindered to open more investigation wells, applying in-situ tests and etc. Moreover, it was hard to decide the actual morphology of the studied region due to complex roads and buildings. Trakya Formation is characterized as intercalation of claystone-siltstone-sandstone, however, during the excavation, it was observed that some of these layers overwhelm the others. Soil zones of Tunnel line, that was opened out of the Trakya Formation, corresponding to %5 of total area, called alluvial-estuary deposists. Alluvial-estuary sediments were designated as intercalation of sandy clay units of Kuşdili Formation, gravelly clayey sandy units of old and new alluvial sediments. These sediments accumulated basically in the Ihlamur Dere, Dolmabahçe Dere, and some depths on the coastline. On the scope of the study, the Ihlamur Dere region and its vicinity have been comprehensively investigated due to their individual lithology and closely built structures. Site stratigraphy begins with filling, continues with Kuşdili Formation (Estuary deposits), Alluvial deposits, and Trakya Formation in Ihlamur Dere. The filling layer, which is on average 6.5 m thick along the tunnel route, has a
heterogeneous structure. The layer mainly comprises of residual soil, debris, and road embankment. Estuary deposits regarded as Kuşdili Formation consists of dark-colored, fine-grained material such as silt and mud. Materials vary from medium to high size. They were observed in 1+540 – 1+780'th meter of tunnel progress. Old alluvion places between estuary deposits and Trakya Formation. This unit composed of yellow-browned gravel, sand, and clay grains, which have denser distribution than estuary deposits. Along the tunnel route, 5 soil zones were distinguished with the name of Filling Layer, Estuary Deposits, Old Alluvion, Completely Altered Rock, Non-altered But Crushed Rock. Rock containing zones of Trakya Formation were classified not according to their
lithology, but alternation levels. Thus two different rock zones defined; CompletelyMedium Altered Zone (K1) and Low-Non Altered Zone (K2). Within the context of the project, 24 investigation wells were set along the route to
understand the geological, hydrogeological and geotechnical properties of the ground. 7 wells were established in the area between Kabataş-Beşiktaş stations. In order to get more detailed information during the implementation process, new investigation wells were built, field and laboratory experiments were applied. Besides, 61 standard
penetration tests 45 pressiometer tests, and 8 Lugeon tests were performed as part of field studies in the examined area. To designate the mechanical properties of rock and soil medium in the studied area, laboratory experiments were applied for drilling specimens. 37 Soil samples were tested for sieve analysis, Atterberg limits, triaxial compression test, shear box test, and water content. 45 Rock samples have been experimented with for uniaxial compressive test, point load test. Both physicalmechanical properties and groundwater conditions were determined for the investigated area with the aid of empirical studies. In this study, settlements that occurred because of twin tunnels opening between 1+500 km - 2+100 km of the Kabataş-Mecidiyeköy metro line were geotechnically analyzed. Settlements were recorded by geotechnically monitoring systems, which are set on
roads and buildings. In the context of the study, the data derived from 207 Building Monitoring Points (BMP), 75 Surface Monitoring Points (SMP), several tiltmeters, and extensometers have been evaluated. In order to be familiar with the studied area in terms of geological, geotechnical, and hydrogeological properties, a cross section was prepared. The parameters, which are shown in the section, base on the Geological-Geotechnical Etude Report of Artson Geotechnics. 3 critical cross-sections described in the area, obtained from the Ihlamur Dere region. During the investigation, this field referred to as a risky zone because of numerous constructions on the ground and weak strata encountered on the tunnel face and crown. Therefore, this study mainly takes into consideration the 600-meter long critical zone. The monitoring team set polygons in almost every possible place and periodical data were obtained from the site. To provide sufficient data, cross-sections were taken throughout three places in which have extensive amount of monitoring points. Cross-sections show lithology, geomaterial and width of the units, groundwater level, tunnel position, location of monitoring points, etc. In order to describe settlements' behavior in the way of time and geology, related graphics have been drawn for each section.
The first cross-section called a-a', taken from Akaretler ramp to Dolmabahçe street, has a 150 meter length and 60 meter width. The installation of monitoring points coincides with the left opening time, since then, hourly and daily settlements have been recorded. Settlements were recorded in -2 mm right after the second tube pass.
The second cross-section starts with Ortabahçe street and proceeds in the Dolmabahçe direction. It has 150 meter in length and 60 meter in width like the previous one. TSK08A, TSK-08B ve TSK-09 inve stigation wells provided main data to draw the section. In total, 38 BMP and 10 SPT belonging to the b-b' section were obtained and records
were assessed. Maximum displacement was measured -8 mm by the left tube passing, while the values reached -12 mm by the right tube passing. b-b' section, in which high settlement values recorded, has been evaluated in detail.
The third c-c' section was taken with dimensions as same as previous sections. TSK11A investigation well was main tool to describe the geo-environment of the region. 27 BMP and 6 SMP records were evaluated in the context of settlements. Their periodic variation has been submitted with graphics. Maximum settlements counted as -6 mm on the right tube with second tube pass. The main reason for the dent that occurred upon Barbaros Boulevard has been researched. Settlement relieving factors such as the selection of tunneling method, tunnel spacing, successfully implemented geotechnical monitoring has been investigated and explained in association with previous studies.
Furthermore, in order to describe twin tunnels-induced settlements distribution along the studied area, a contour map has been prepared in Surfer 18. Ihlamur Dere and vicinity, where is composed of weak soil condition, was the main context of thesis. Hence, this region was evaluated with both empirical and numerical methods. Initially, idealized models were drawn in Autocad 2019. Then numerical models were created and analyzed for predesigned cross-sections. Models were prepared with several data such as design parameters, geological and hydrogeological
conditions, surcharge, etc. To calculate the twin tunnels-induced settlement values in terms of the Finite Element Method (FEM), Plaxis 2D software has been applied. According to the analysis results, the Gauss distribution curve for each tunnel has been described and superposed with data taken from monitoring points. The results of calculations compared with data provided from the site investigation. k parameter has been determined for each tube pass. Consequently, highly compatible values of analyses and monitoring points imply the significance of using numerical methods in order to supply safety of tunnel construction specifically in urban metro projects
excavated in shallow depth.