Yeraltı açıklıklarında geleneksel yöntemlerle belirlenen tavan yükü yaklaşımlarının sayısal çözümleme yöntemleri ile karşılaştırılması

Abstract

Günümüzde artan nüfus ve kentleşme oranı insanların sınırlı alanlarda büyük kitleler halinde yaşamasına neden olmaktadır. Bu durum beraberinde birtakım sorunlar getirmektedir. Yeryüzündeki alanlar giderek yetersiz hale gelmekte ve insanların yaşam standartlarını olumsuz etkilemektedir. Ulaşım olumsuz etkilenen bu yaşam standartlarından biridir. Bu nedenle daha güvenli ve konforlu bir ulaşım için karayolu ve demiryolu tünelleri büyük önem arz etmektedir. Aynı zamanda artan nüfusun ihtiyaçlarını karşılayabilmek adına üretim miktarları da artmaktadır. En önemli hammadde kaynağımız olan yeraltı zenginliklerimiz, doğası gereği kıt kaynaklar olduğundan üretim seviyeleri gittikçe derinleşmektedir. Bu da yeraltı madenciliğinin giderek yaygınlaşmasına ve daha derin seviyelerde çalışılmasına neden olmaktadır. Bu iki örnek göstermektedir ki yeraltı yapılarına olan ihtiyaç son derece fazladır ve giderek artmaktadır. Bir yeraltı mühendislik yapısında arzu edilen en önemli husus yapının kullanım ömrü boyunca güvenli bir şekilde ayakta kalmasını sağlamaktır. Bu nedenle planlama aşamasında doğru tahkimat sisteminin seçimi büyük önem arz etmektedir. Seçilecek tahkimat sistemi taşıyıcılık ve ekonomiklik olmak üzere iki ana şartı birlikte sağlamalıdır. Doğru tahkimat sisteminin seçilebilmesi ve boyutlandırılabilmesi için öncelikle tahkimat sistemine etkiyecek yüklerin belli bir yakınsaklıkla ortaya konulması gerekmektedir. Tavan yükünün tahminine yönelik teoriler 20. yüzyılın başlarında oluşmaya başlamıştır. Teoriler bu alanda çalışan mühendislerin tecrübelerini sayısal verilere ve eşitliklere dönüştürmesiyle başlamış ve sonrasında çalışılan farklı ortamların sınıflandırılmasıyla devam etmiştir. 1960'larda ilk olarak havacılık sektöründe kullanılan ve hızla her mühendislik dalında kullanım alanı bulan sonlu elemanlar yöntemi, yeraltı yapılarına da uygulanmış ve çeşitli bilgisayar yazılımları geliştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında 3 farklı kaya ortamı için aynı boyutlarda açılan bir tünele etkiyecek tavan yükleri önce geleneksel teorilerle, sonrasında sayısal çözümleme yöntemi esaslı yazılımlarla hesaplanmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Literatürdeki vaka analizlerinden faydalanılarak seçilen zayıf, orta ve iyi ortamlar için bu çalışma kapsamında ele alınan tavan yükü teorileriyle tahkimata etkiyecek yükler hesaplanmıştır. Aynı ortamlar RocScience'ın sonlu elemanlar yöntemini esas alan RS2 yazılımında modellenmiştir. Gerlime azaltma yöntemi kullanılarak her bir ortam için RS2'den elde edilen sonuçlarla arazi tepkime eğrileri oluşturulmuş ve tahkimata etkiyecek yükler tespit edilmiştir. Aynı ortamlar RocScience'ın RocSupport yazılımında oluşturularak RS2'den elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Geleneksel yöntemlerle ve RS2 ile yapılan analizler at nalı kesitli bir tünel veya galeri için yapılmıştır. Ancak RocSupport yalnızca tam dairesel kesitli açıklıkların modellenmesine imkan sağlamaktadır. Bu nedenle oluşturulan modellerin karşılaştırılmasında bir sorun yaşanmaması adına RocSupport'ta modellenen aynı açıklıkta dairesel kesitli tüneller aynı ortamlar için RS2'de tekrardan modellenmiştir. RS2'de tahkimatsız ve tahkimatlı arazi tepkime eğrileri çizilmiştir ve tahkimat yerleştirildiğinde arazi tepkime eğrilerinden elde edilen yer değiştirmelerin teoriyle parallel olarak sınırlandığı teyit edilmiştir. Tahkimatsız RS2 ve tahkimatsız RocSupport arazi tepkime eğrileri arasında yüksek tahmin yeteneğine sahip ilişki tespit edilmiştir. Önceki yargılara göre RocSupport tek başına tahkimat tasarım yazılımı olarak kullanılmamakla beraber, ele alınan kaya ortamı ve kesit için RS2 ile RocSupport sonuçları arasında yer değiştirmeler açısından yüksek dereceli ilişkiler bulunduğundan benzer ortamlar için yer değiştirme değerlerinin tahmin edilebileceği görülmektedir.