-
JET GROUT KAZI DESTEKLİ AESCHER (ZÜRİH, İSVİÇRE)
KANOPİ TÜNELİNİN ÜÇ BOYUTLU DEFORMASYON
ANALİZİ
THREE DIMENSIONAL DEFORMATION ANALYSIS OF AESCHER
(ZURİCH, SWİTZERLAND) CANOPY TUNNEL’S EXCAVATION
SUPPORTED BY JET GROUTING
Halil Murat ALGIN*
1 Arda Burak EKMEN
2
Levent YENMEZ 3
Veysel GÜMÜŞ4
ABSTRACT
This paper presents the results from the three-dimensional
finite element (3D SE) analysis
conducted on Aescher tunnel (Zurich, Switzerland) in which the
jet grout columns are used as
the main excavation support. The first time in the current
literature, a realistic 3D SE model
was developed and analysed using a representative example of the
canopy-type jet grout
excavation support applications. The presented models and the
analysis results are validated
by comparing with that of the measurement results published
previously. The variation in the
diameter along the length of the column during the application
of jet grouting is modeled
assuming the rotated sinusoidal function. The variation of
ground settlement in the application
process is investigated and thus the conclusions are drawn for
analysing such a complex
tunnelling construction method.
Keywords: Soft ground, Tunnelling, Numerical modelling, Jet
grout, Ground settlement,
Three dimensional finite element modelling
ÖZET
Bu bildiride, ana kazı desteği olarak jet grout kolonların
kullanıldığı tünel uygulamalarından
Aescher, (Zürih, İsviçre) tünelinin üç boyutlu sonlu elemanlar
(3B SE) analiz sonuçlarını
sunulmaktadır. Kanopi formunda jet grout kazı desteği
uygulamasının yapıldığı zeminin
yüzeye yakın uygulamalarından bir örnek alınmış ve gerçekçi bir
3B SE modellemesi,
literatürde ilk kez, kapsamlı bir şekilde oluşturularak analiz
edilmiştir. Daha önce yayınlanmış
ölçüm sonuçları karşılaştırılarak model ve analizlerin
geçerliliği gösterilmiştir. Jet grout kolon
imalatında kolon uzunluğu boyunca çap değişimi eğik sinüs
fonksiyonu kabulüyle
modellenmiştir. Geliştirilen modelin analiz sonuçları sayesinde
uygulama sürecinde yüzeysel
oturma değerlerinin nasıl değiştiği araştırılmıştır. Böylelikle,
jet grout destekli kazı
uygulamasının gerektiği tünel yapım aşamaları için öneriler
geliştirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Yumuşak zemin, Tünel açma, Sayısal modelleme;
Jet grout, Yüzey
oturması, Üç boyutlu sonlu elemanlar modeli
*1 Prof. Dr., Harran Üniversitesi, [email protected]
(Yazışma yapılacak yazar) 2 Arş. Gör., Harran Üniversitesi,
[email protected] 3 Y.Lisans Öğrencisi., Harran
Üniversitesi, [email protected] 4 Yrd. Doç. Dr., Harran
Üniversitesi, [email protected]
573
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
1. GİRİŞ
Aescher (Zürih, İsviçre) tüneli, buzul moren (ayrışık buzultaşı)
içerisinde ve molas (karbonatlı
kum taşı) ana kayasında kazılmış sığ bir dairesel olmayan
tüneldir. Bu tünel inşaatının belli
bir kesiminde, yataya yakın açılı jet grout kolonlarının
oluşturduğu yatık kemer (kanopi)
formundaki kazı destek sistemi, kazıların moren zeminde
yapıldığı tünel inşaatında, arın
önündeki zeminde kullanılmıştır. Jet grout uygulaması ve üst
yarı ilerleme kazısı sürecinde
alınan ölçümler, geleneksel NATM tünel metotlarıyla
kıyaslandığında bu destekleme sistemi
sayesinde çok daha az bir oturmanın olduğunu göstermiştir. Hacim
kaybının %0.35
mertebesiyle, bulamaç kalkan ve EPB kalkanlı TBM tünel
metotlarıyla elde edilen değerlere
yaklaşık olarak eşit olduğu anlaşılmıştır. Jet grout destek
sistemi durumunda yüzey
oturmalarının ölçüm sonuçları kullanılarak nümerik analiz
sonuçları karşılaştırılmıştır. Kum
ve kil gibi zeminlerde, özellikle kentsel altyapıya yakın veya
sığ derinliklerde tünellerin inşa
edilme durumu oluştuğunda, uygulanacak inşaat metodunun yüzey
oturmalarını asgariye
indirecek özellikte olması gerekmektedir. Bu koşullar, özel
tünel delgi makinelerinin (TBM)
geliştirilmesine ve daha fazla zemin kontrolü sağlayan
geleneksel kazı yöntemlerinde
gelişmelerin olmasına yol açmıştır. Zayıf zemin şartlarında sığ
tünellerin inşa edilmesinde
Avrupa'da kullanılan popüler yöntemlerden biri, arın önünde,
çimentolu zeminden bir
koruyucu kemer oluşturmak amacıyla yaklaşık yatay jet grout
kolonların kullanılmasıdır
(Mussger ve ark. 1987; Pelizza ve Peila, 1993). Bu kemer,
birbiri içine kısmi girişimler yapan
ardışık yataya yakın jet grout kolonlarla oluşturulan kanopi
formunda ileriye doğru açılan
konik biçimli bir yapıdadır (Şekil 1). Kemerin bu formda
yapılmasının amacı kazı ile oluşan
yüklerin bir bölümünü taşıyan kemer ile tünel yüzünün önündeki
radyal deformasyonları
azaltmaktır. Radyal deformasyonlarda azalma, tünelin arın
ekstrüzyonuna ve buna bağlı
hacim kaybından dolayı yüzey oturmalarında azalmaya sebep
olacaktır (Di Cervia, 2000).
Lunardi (2000) yüzeydeki oturmanın kontrolünde, arın
ekstrüzyonunun ve arın desteğinin
önemini vurgulamıştır. Jet grout uygulaması, değişik zemin
koşullarında ve tünel geometrik
konfigürasyonlarında kullanılabilme kabiliyetinde olduğundan,
birçok diğer yapım tekniğine
göre avantajlıdır (Bruce ve ark., 1987).
Şekil 1. Jet Grout Kolonlarla Oluşturulan Kanopi Formlu Aescher
Tünelinin Üst Yarı Kazı
İlerleme Bölgesinin Kesit Görünümü
574
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
İsviçre'nin Zürih kentinde bulunan Aescher tüneli, karayolu
iyileştirme programının bir
parçası olarak inşa edilmiş olup, Coulter ve Martin (2006)
tarafından rapor edilmiştir. Proje,
molas ana kayası ve buzul moreninden, nispeten kuru ve orta
sıkılıkta bir siltli kumdan, geçen
iki sığ ve paralel karayolu tünelinden oluşmaktadır (Şekil 2).
Tünellerin her biri yaklaşık 2 km
uzunluğunda ve kesit alanı yaklaşık 135 m2'dir. Morendeki inşaat
prosedüründe, her biri 0.6 m
çapında 39 yataya yakın jet grout kolonu kullanmıştır (Şekil 3).
Aescher tünelinin
basitleştirilmiş zemin profili Şekil 4’te sunulmuştur. İnşaat
sırasında yüzey oturmaları düzenli
olarak izlenmiştir. Yüzey oturmalarıyla belirlenen hacim
kayıpları % 0.35 mertebesinde
olmuştur, bu sonuç bulamaç kalkan ve EPB kalkanlı TBM tünel
metotlarıyla ulaşılan hacim
kaybına yaklaşık olarak eşittir (Mair ve Taylor, 1998). Ek
olarak, yüzey oturma etki
genişliğinin dar bir bölgede yaklaşık olarak tünellerin
genişliğinden bir miktar daha geniş bir
etki alanına sahip olduğu belirtilmiştir.
Şekil 2. Aescher Tünelinin Plan Görünüşleri (A) Plan Görünüşü ve
Aesherbach Bölgesi (B)
Plandan Yüzey Oturma Ölçümlerinin Alındığı Profiller (Coulter ve
Martin, 2006)
Şekil 3. Aescher Tünelinin Kesit Görünümleri, (a) Üst Yarı ve
Alt Yarı Kazı Bölgeleri ve Üst
Yarı Kazısında Kanopi Formlu Jet Grout Kolon Desteklerinin
Uygulama Detayları, (b)
Aescher Tünelinin Tamamlandıktan Sonraki Kesit Görünümü
(Coulter,2004)
575
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
Şekil 4. Aescher Tünelinin Basitleştirilmiş Zemin Profili
(Coulter Ve Martin, 2006)
Bu bildiride, kanopi formunda yataya yakın jet grout kolonların
kullanıldığı arın kazı destek
sistemi kullanılmış Aescher (Zürih, İsviçre) tünelinin üç
boyutlu sonlu elemanlar (3B SE)
modellemesi ve bazı analiz sonuçlarını sunulmaktadır. Bu
karmaşık 3B SE tünel
modellemesi, literatürde ilk kez, kapsamlı bir şekilde
oluşturularak analiz edilmiştir. Coulter
ve Martin (2006) tarafından daha önce rapor edilmiş ölçüm
sonuçları kullanılarak, bilinmeyen
model parametrelerine geriye dönük çözümlemelerle ulaşılmıştır.
Jet grout kolon imalatında
kolon uzunluğu boyunca çap değişimine bağlı olarak 3B SE
modellemesi Algin (2016 ve
2017) tarafından incelenmiş olup, bu bildiride Algin (2017)
tarafından açıklanan döndürülmüş
sinüs fonksiyonu kabulüyle 3B SE modellemesi yapılmıştır.
Geliştirilen modelin analiz
sonuçları sayesinde uygulama sürecinde yüzeysel oturma
değerlerinin nasıl değiştiği
araştırılmıştır.
2. JET GROUT DESTEKLİ KANOPİ TÜNELİNİN PROJE DETAYLARI
Aescher tüneli, kaya ve yumuşak zeminden geçen iki paralel
otoyol tünelinden oluşmakta
olup, Basel tüneli Basel istikametinde trafik taşıyan Luzern
tünelinin kuzeyindedir ve Luzern
tüneli güneydoğu yönünde Luzern istikametinde trafiğini
taşıyacak şekilde planlanmıştır
(Şekil 2). Basel tüneli 2055 m ve Luzern tüneli 2090 m
uzunluğundadır. Tüneller, merkezden
merkeze 32 m aralıklı olup, zemin yüzeyinden 70 m'ye kadar
derinlikte inşa edilmiştir. (bkz.
Şekil 4 ve 5). Şekil 3’te görülebileceği gibi tünel üst yarı ve
alt yarı kazısı şeklinde iki aşamalı
bir kazı yöntemiyle inşa edilmiştir. Buzul moraininde doğu
ağzında bıçak kalkanı
kullanılmaya başlandığında, geniş yüzey oturmaları ile 350 mm’ye
varan yüzey oturmaları
gözlenmiştir (Coulter ve Martin, 2006). Bu gözlenen aşırı oturma
sonrası jet grout kazı
desteği kullanılarak kazı öncesi şemsiye formunda arın kazısı
önünün güçlendirilmesine karar
verilmiştir (Şekil 1, 3 ve 5). Genel stratigrafi Şekil 4'te
gösterilmiş olup, buzul moreni
üzerinde 0-10 m kalınlıkta ince bir kum çökelti belirlenmiştir.
Buzul moreni üst düzeyinde
bazı bölgelerde yeraltı suyuna rastlanmıştır. Buzul moreni
kahverengi killi kum ve çakıl ile
birlikte ayrışık kaya parçaları ihtiva etmektedir (Şekil 5 b ve
5c). Üst yarı kazısı sırasında
morenin oldukça homojen olduğu gözlenmiştir (Şekil 5b). Bu
türden büyük tünellerde arın
deformasyonunu kontrol etmek için arın zemininin süreksiz olduğu
durumlarda arın yüz
güçlendirmesi gerekirken, bu tünelde bu yüz güçlendirmesine
gerek duyulmamıştır. Morenin
altındaki molas ana kayası, tünel istikametinde birkaç kez değim
göstermekte olup, ana
kayalık katmanlı kumtaşı, silttaşı, marn ve kil marnlarından
oluşmaktadır.
576
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
Şekil 5. Aescher Tünel İnşaatından Görseller, (A) Tünel Ağzı,
(B) Arın ve Jet Grout
Uygulaması Yapılmış Ano, (C) Arın Kazısı Öncesi Jet Grout
Uygulaması (Coulter ve Martin,
2006)
Arın kazısını koruma amaçlı arın önünde kazı öncesi kanopi
formlu şemsiye jet grout destek
sistemi olarak jet grout kullanımı konusunda literatürde bazı
çalışmalar mevcuttur (örneğin,
Bruce ve ark., 1987, Mussger ve ark., 1987, Barla ve ark., 1988,
Pelizza ve Peila 1993, Barla
1997, Coulter ve Martin 2006, Barla ve Bzowka 2013). Bu
bildirinin kapsadığı araştırmada,
Coulter ve Martin 2006 tarafından rapor edilen ve Aescher
tünelinde kullanılan jet grout tünel
destek sistemi referans çalışma olarak alınarak, bu durum
araştırması temelinde nümerik
model ve analizler gerçekleştirilmiş olup, bu kapsamda
literatürde ilk defa bu derece kapsamlı
bir 3B SE modellemesi bu konuda bu bildiri ile sunulmuştur.
Aescher tünelinde kullanılan
kanopi formlu jet grout şemsiye sistemi Şekil 3’te görüldüğü
gibi 39 adet yataya yakın (Şekil
1’de gösterildiği gibi tünel ekseninden 11o açılı inşa
edilmiştir) jet grout kolon uygulaması ile
oluşturulmuştur. Kolonlar, üst üste binen girişim yapacak
şekilde tasarlanmıştır, kolonların
merkezleri arasındaki mesafe 450 mm olarak uygulanmış olup,
oluşturulan jet grout
kolonların ortalama çaplarının 600 mm olduğu öngörülmüştür.
Şekil 1’de gösterildiği gibi her
jet grout kolonu 13 m uzunluğunda olup, toplamda 2 m bindirme
boyu olarak
tasarlandığından serbest açıklığı 11 m olarak düşünülmüştür.
Arın kazısı sonrası 200 mm
püskürtme beton ve hasır donatı takviyesi yapılmış olup, invert
üstü yan kısımlar 400 mm
püskürtme betondan oluşmaktadır. Bir sonraki arın kazısı öncesi
yapılacak jet grout
uygulamasından önce arın yüzeyi 200 mm püskürtme betonla
kaplanmıştır (Şekil 1). Jet grout
işlemi 3 aşamada yapılmış olup, Şekil 3(a)’da bu aşamalar
görülmektedir. İlk olarak 14-26
nolu kolonlar, daha sonra 27-39 nolu kolonlar ve en sonunda da
1-13 nolu kolonlar inşa
edilmiştir.
3.SAYISAL ANALİZLER
Şekil 6’da bu bildiri kapsamında yapılmış Aescher tünelinin 3B
SE modelinin mesh görselleri
görülmektedir. Bu kapsamda oluşturulan model gerçek tünel ve
zemin geometrisi temel
alınarak oluşturulmuş olup, model boyutları Şekil 6(a)’da
verilmiştir. Model dörtüçgenyüzlü
(tetrahedron) hacim elementleriyle oluşturulmuş olup, jet grout
ve püskürtme beton
kısımlarında element sayıları arttırılıp, element sıkılaştırması
yapılarak modelin toplam
element sayısı azaltılmaya çalışılmıştır. Jet grout şemsiye
desteklemesi üç ano olarak
uygulanmış ve inşa etkisi dikkate alınmadan yerinde arzulanan
şekliyle modellenmiştir. Tüm
model kısımlarının geometrik büyüklükleri gerçek boyutunda
dikkate alınmıştır. Tablo 1’de
Aescher tünelinin düzlem deformasyon analizinde Barla ve Bzowka
(2013) tarafından temel
alınan malzeme parametreleri verilmiş olup, bu değerler bu
bildiri kapsamındaki 3B SE
analizlerinde de kullanılmıştır. Yer çekim yüklemesi yapılmış ve
gerilme oranı 0.5
kullanılmış olup, sayısal analiz Barla ve Bzowka (2013)
tarafından önerilen aşamalarla
yapılmıştır. Zeminlerin ve jet grout kolonların davranış modeli
olarak Mohr-Coulomb modeli
577
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
ve püskürtme beton örtü malzemeleri için ise davranış modeli
olarak lineer elastik model
kullanılmıştır.
Tablo 1. 3B SE Analizlerinde Dikkate Alınan Malzeme
Parametreleri (Barla ve Bzowka’yı,
(2013) Temel Almaktadır. )
γ E v 'c
peak
'c residual
' peak
' residual
[kN/m3] [MPa] [-] [MPa] [MPa] [
o] [
o]
Kum 19 35 0.2 0.015 0.015 30 30
Buzul moreni 22 80 0.2 0.020 0.020 40 30
Molas ana kayası 25 2000 0.2 1 1 40 40
Jet grout kolonlar 22 900 0.2 1.3 1.3 35 35
Püskürtme beton
örtü
25 30000 0.2 - - - -
Şekil 6’da sunulan 3B SE modelinin Abaqus programı aracılığıyla
nümerik analizi
gerçekleştirilmiş ve bazı oturma analizi sonuçları Şekil 7’de
verilmiştir. Şekil 7’de görüleceği
üzere maksimum oturma değeri yaklaşık olarak 27 mm bulunmuş
olup, bu değer Coulter ve
Martin (2006) tarafından rapor edilen Aescher tünelinin eksen
güzergahındaki oturma
değeriyle oldukça uyumludur. Şekil 7’de görüleceği üzere jet
grout destek sistemi sayesinde
oturmanın kısıtlı bir alana etki etmesi sağlanmış ve oturma
değerinde ciddi bir azalma
sağlanmıştır.
Şekil 6. Bu Bildiri Kapsamında Yapılmış Aescher Tünelinin 3B SE
Modelinin Mesh
Görselleri, (a) Tüm Modelin Mesh Görünümü ve Model Boyutları,
(b) Önden Görünüş, (c) İç
Mesh Görseli, (d) Tünelin İçinden Görünüm, (e) Yakından İç Mesh
Görseli, (f, g ve h) Üç
Anonun Önden ve Arkadan Zemin İçi Görünümleri
578
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
Şekil 7. Bu Bildiri Kapsamında Yapılmış Aescher Tünelinin 3B SE
Modelinin Oturma Analiz
Sonuçlarının Kesit Görünüşleri
579
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
4.SONUÇLAR
Bu bildiride sunulan nümerik model ve analizler, arın kazı
bölgesi önünün jet grout kolonlarla
desteklendiği tünel projelerinde bu sistemin üç boyutlu sonlu
elemanlar modellemelerinin
görüntü işleme tekniği kullanılarak yapılabileceğini ve bu
karmaşık sistemin nümerik
analizlerinin kapsamlı bir şekilde gerçek verilere dayalı olarak
yapılabileceğini göstermektir.
Döndürülmüş sinüzoidal fonksiyon yaklaşımı kullanılarak
kolonların uzunluğa bağlı
geometrik değişim kabullerinin modelleme aşamasında
kullanılabileceği açıklanmıştır. Elde
edilen maksimum oturma değerinin Aescher tünelinin eksen
güzergahındaki oturma değeriyle
kıyaslandığında, sonuçların oldukça uyumlu olduğu
belirlenmiştir. Ayrıca, jet grout destek
sistemi sayesinde yüzey oturmasının kısıtlı bir alana etki
ettiği görülmüştür. Bu daralmış
oturma dağılımı arın ekstrüzyonunun azaltıldığı anlamına
geldiğinden zemin kaybının
azaltıldığı sonucuna varılabileceği anlaşılmaktadır. Kaldı ki,
zemin yüzeyindeki 3B oturma
değişimi ve ortogonel eksenler üzerindeki düşey oturma
değişimlerinin, açık bir şekilde bu
bildiri kapsamında sunulan üç boyutlu analizlerle elde
edilebileceği gösterilmiştir.
KAYNAKLAR
[1] Mussger, K., Koinig, J., Reischl, S., “Jet grouting in
combination with NATM”,
Proceedings Rapid Excavation and Tunnelling Conference, Society
of Mining
Engineers, 1987, New Orleans.
[2] Pelizza S., Peila D., “Soil and rock reinforcements in
tunnelling”, Tunnelling and
Underground Space Technology, Volume 8, Issue 3, Pages 357-372,
July 1993.
[3] Di Cervia, A.R., “New techniques in difficult ground
tunneling”, Transportation Research Record 1740, 175–181, 2000.
[4] Lunardi, P., “Design and construction of tunnels using the
approach based on the
analysis of controlled deformation in rocks and soils”, Tunnels
and Tunneling
International (Special Supplement), 3– 30, 2000.
[5] Bruce, D.A., Boley, D.L., Gallavresi, F., “New developments
in ground reinforcement and
treatment for tunneling”, Proceedings Rapid Excavation and
Tunnelling Conference,
Society of Mining Engineers, 1987, New Orleans.
[6] Coulter, S., Martin, C. D., ” Effect of jet-grouting on
surface settlements above
Aeschertunnel”, Switzerland, Tunnelling and underground space
technology, Volume
21, Issue 5, Pages 542 – 553, 2006.
[7] Coulter, S., Martin, C. D., ” Ground Deformations Above a
Large Shallow Tunnel
Excavated Using Jet Grouting”, Regional Symposium EUROCK 2004
and 53rd
Geomechanics Colloquy , 2004,Salzburg, Austria.
[8] Mair, R.J., Taylor, R.N., “Theme lecture: bored tunnelling
in the urban environment”,
Publications Committee of XIV ICSMFE (Ed.), Proceedings of the
Fourteenth
International Conference on Soil Mechanics and Foundation
Engineering, 1998,
Hamburg.
[9] Algin, H. M., “Optimised design of jet-grouted raft using
response surface method”,
Computers and Geotechnics, 74; 56–73, 2016.
[10] Algin, H. M., “Optimised design of jet-grouted rafts
subjected to nonuniform vertical
loading”, KSCE, Korean Society of Civil Engineers, 1-15,
2017.
580
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
[11] Barla, G., Rabagliati U., Fidato C., Cavalli, T.,
“Observation and monitoring for the
design of stabilization measures by the jet-grouting method at
the Valsesia tunnel”,
Proc. Gruppo Nazionale di Coordinamento per gli Studi di
Ingegneria Geotecnica,
Convegno di Monselice. Pp. 93-106, 1988.
[12] Barla, G., “Tunnelling for Turin railway link”, Proceedings
of the 14th International
Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering,
September 1997,
Hamburg.
[13] Barla, M., Bzowka, J., “Comparing Numerical Alternatives to
Model Jet Grouting in
Tunnels”, EJGE, Vol. 18, 2997-3008, 2013.
581
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
-
582
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul