Metro Tünellerinin İstanbul Örneğinde Çok Yönlü İncelenmesi

Abstract

Tünel uygulamaları oldukça geniş bir yelpazeye sahiptir. Ulaştırma yapılarında birçok nedenle tünel uygulaması gerekmektedir. Kentiçinde metro hatları ve istasyonları için de farklı tekniklerde tünel açma uygulamaları yapılmaktadır. Tez çalışmasında, İstanbul’daki metro hatlarının gelişmiş metro ağlarına göre durumu, İstanbul Metrosu’nda bazı kazı ve destek tipleri incelendikten sonra, tünele gelen itkilerin ve tünel stabilitesinin birçok teoriye göre parametrik irdelenmesi ve yorumlanması yapılmaktadır. İstanbul’da raylı sistemler uzun yıllar iyi bir gelişme gösterememiştir, metro hatları oldukça yeni ve kısadır. Bu nedenle talep, taşıt uzunluğu, taşıt doluluğu, sefer sıklığı azdır. Ancak metro ağı ve entegrasyon geliştikçe hatlarda bu açılardan iyileşme beklenmektedir. İstanbul metro tünellerinin geçtiği alanın bazı kısımlarında, mevcut formasyonlarda bölgesel sıkışmadan kaynaklanan düzensizlikler nedeniyle metro çalışmasının kazı işlerinde ve formasyonun taşıma gücünde sorun oluşmakta, taşıma gücü düşmektedir. Yer yer hat üzerinde asidik yüzey sularının oluşturduğu karstik boşluklar sızıntıya ve hat üzerinde kalan yolda küçük çapta çökmeye neden olmaktadır. Belirtilen jeolojik yapı ve açıklanan sorunlar nedeniyle kazı çalışmaları aksamakta ve bitirme süresi uzayabilmektedir. Delme tünel, aç-kapa tünel ve yukardan aşağıya yöntemleri ile metro ve istasyon kazıları yapılmakla birlikte en yaygın kullanılanı delme tünel versiyonu olan Yeni Avusturya Yöntemi’dir. Tezde bu yöntemlerin yanı sıra İstanbul Metrosu’nda anahat tünellerindeki destekleme sistemlerinden olan A5 ve A3 de kısaca incelenmektedir. Tezde, kazı çalışması sırasında tünel stabilitesine etki eden kuvvetleri belirlemek için geliştirilen birçok teorinin esası ve değişik zemin cinsleri için ortaya çıkabilecek sayısal değerler incelenmektedir. Bunun için tünele gelen itkilerin belirlenmesi açısından farklı teori ve yaklaşımlar zemin cinsine bağlı şekilde parametrik olarak irdelenip, birbirleriyle karşılaştırılarak değerlendirilmektedir. Bu değerlendirmeye göre; Kommerell Teorisi, teorilerin en eskisi olmakla birlikte biraz yaklaşıktır. Kohezyon dikkate alınmamakta, sadece yük hesaplanmaktadır. Bu teoriye göre zemin sıkılaştıkça ve kendini tutabilme yeteneği arttıkça tünele etki eden zemin yüksekliği azalmakta, alan küçülmekte, yük de buna paralel olarak önemli azalma göstermektedir. Tünelin her iki yanında bulunan ve tünele etki eden zemin kütlesinin oluşturduğu yatay itki kuvveti de, benzer şekilde zemin iyileştikçe küçülmektedir. Ritter Yöntemi’nde kohezyon ve zeminlerin çekim mukavemeti hesaba dahil edilmekte, kemerleşme eğrisinin altında kalan zeminin ağırlığı dikkate alınmaktadır. Kohezyonu yüksek zeminlerde tünele etki eden zemin kütlesi ve hesapla bulunan tünel yüksekliği azalmaktadır. Ritter’de itkiler Kommerell’e göre aynı tip zeminde göreceli olarak daha küçük olmaktadır. Terzaghi Yöntemi’nde; kum ve kaya zeminlerin değişik durumları ve yeraltı su seviyesi dikkate alınıp, tünel açısından etkili zemin yükseklikleri ve düşey itkileri belirlenmektedir. Bu şekilde Terzaghi tarafından oluşturulan çizelgeden değişik durumlar ve zeminler için yorum ve karşılaştırma yapmak mümkün olmaktadır. Yeraltı su seviyesinin altında kalan kum zeminde düşey itki büyümekte, kaya zeminde ise değişmemektedir. Bierbaumer Teorisi’nde statik yükün, yatay toprak basıncının oluşturduğu sürtünmeler nedeniyle küçüldüğü kabul edilir. Bierbaumer’e göre hazırlanan çizelgeler incelendiğinde tünelin üzerindeki zemin yüksekliği büyüdükçe azaltma değerleri küçülmekte, buna paralel olarak da itki değerleri artmaktadır. Tünele gelen etkileri belirlemek için kullanılan bilgisayar programlarının başında sonlu elemanlar yönteminin kullanıldığı Plaxis Yöntemi gelmektedir. Bu yöntemle hem tünel yapı etkileşimlerini, hem de tünel stabilitesini sağlamak için gerekli destekleme elemanlarının tahkikini yapmak mümkün olmaktadır. Metro hatları İstanbul’da da giderek artmakta olup, metro tünellerinin gabarilerinin ve destek elemanlarının belirlenmesinde kullanılan yaklaşımların pratik, doğru, kolay olması ve birçok parametreyi içermesi önemlidir.

Tunnel applications have a very large scale. In transportation structures tunnel application is necessary due to various reasons. In urban areas tunnel boring applications in various techniques are applied for subway lines and stations. In the thesis study, after the situations of subway lines in Istanbul was compared with the advanced subway networks, the parametric examination and interpretation of impulsions acting on the tunnel and the tunnel stability was made according to various theories. As a result of the studies made in order to increase public transportation in Istanbul, it can be observed that the share of railway systems slightly increases. The increasing immigration and accordingly increasing population, increase in private vehicle consumption causes lack of planning in transportation. Together with the new routes that will be added to the existing railway systems, the perception in the passenger that he will reach his destination without being stuck in traffic makes the railway systems more popular. Besides, railway systems are environmental friendly which is a factor that will lead them to primary actor level in urban transportation. The most important type of urban railway systems is subway due to its capacity, safety, speed and other system properties. As subway system is in a tunnel, new tunnel technologies have become a necessity. Changes and arrangements in tunnel support type due to changing conditions occur due to evaluation of geological situation and evaluation of structuring on surface. Geological structure faced during deep excavation is recorded to cross section reports prepared for sections and then these are combined and converted into large cross section (width and length). Geological plans and maps are prepared for the base, arrangements in work program can be made related with excavation speed. In these studies, the discontinuity properties of the environment are primarily examined. Rapid population increase has speeded up the underground excavations made in big cities. Mechanization studies have increased in order to dig the tunnels which are planned for sewer networks, subway, etc.. rapidly, safely and economically. In a tunnel with diameter of 7-8m, if the mechanised systems are selected properly, the advance speed can be 30-40m/day. New Australian Method (NATM) was first used in Australia and this method rapidly became widespread in the world. This method is still used in the construction of Istanbul subway tunnels. The main principle in this excavation method is selecting the most appropriate digging and reinforcement methods so as to inspect and direct the secondary tension and deformations without damaging the rock stability and maintain the initial rigidity of the rocks as much as possible in order to make the region surrounding the gap, form a static system which holds and carries itself. In cut and cover method, initially excavation is performed in the area, in the mean time the ground is supported with various methods. After the construction of the structure, th covering is applied as a simple and economical method. The top to bottom method is preferred in busy automobile and pedestrian traffic conditions when upper structures such as road, junction, etc. should be rebrought into service as quick as possible in the region where station is going to be built and also minimize the effect of excavation on the surrounding. In Istanbul Otogar-Bağcılar-İkitelli Subway Stations, top to bottom method was preferred. Railway systems could not performed a proper development in Istanbul for long years. Subway lines are very new and short. Therefore the demand, vehicle length, vehicle density and trip frequency are low. However as subway network and integration is developed, melioration is expected in the lines. At some parts of the area where the Istanbul subway tunnels pass, due to irregularities caused by regional compression in current formations, problems occur in the digging works of subway construction and the bearing capacity of the formation decreases. The carstic gaps formed by the acidic surface waters on the line cause leakage and small scaled collapses on the road located above the line. Due to mentioned geological structure and explained problems digging works are hindered and the completion period is elongated. Subway and station diggings are performed by boring tunnel, cut and cover tunnel and from top to bottom methods. The most prevalent method is New Austria Method which is a boring tunnel version. In the thesis, apart from these methods, A5 and A3 which are supporting systems in mainline tunnels of Istanbul subway are also briefly examined. In the thesis bases of many theories developed in order to determine the forces effecting the tunnel stability during the digging work and the numerical values that may appear for different soil types are examined. In order to achieve this, in terms of determining the impulsions acting on tunnels, different theory and approaches are parametrically examined and comparatively evaluated. According to this evaluation; Kommerell theory is the oldest theory but is a little rough. Cohesion is not taken into consideration, only load is calculated. According to this theory as the soil becomes more tightened and the ability to hold itself increases the soil height effecting the tunnel decreases, area gets smaller and in parallel to those the load decreases significantly. The horizontal impulsion force effecting the tunnel by the soil mass located at both sides of the tunnel also decreases as soil is meliorated. In Ritter method, cohesion and tensile strength of soils are taken into consideration and the weight of the soil located beneath the arching curve is also taken into account. In soils with high cohesion, the soil mass acting the tunnel and the tunnel height found by calculation, decrease. The impulsions in Ritter, are smaller compared to Kommerell for the same type of soil. In Terzaghi method the different situations of sand and rock soils and underground water level is taken into consideration and accordingly effective soil heights for the tunnel and vertical impulsions are determined. From the chart formed by Terzaghi this way, comment and comparison can be made for various situations and soils. The vertical impulsion increases in the sand soil located beneath the underwater level while it does not change in rock soil. In Bierbaumer Theory, it is assumed that the static load decreases due to frictions created by horizontal soil pressure. When the charts prepared according to Bierbaumer are examined it can be observed that the load shedding values decreases as the soil height above the tunnel increases and in parallel to this the impulsion values increase. The most common computer program used for determination of the impulsions acting on the tunnel is Plaxis method where finite elements method is used. By using this method the investigation of tunnel structure interactions and also necessary supporting elements for achieving tunnel stability is possible. Subway lines increase day by day in Istanbul so the approaches used in determination of clearance heights and supporting elements of subway tunnels should be practical, accurate, easy and should include various parameters.