JET GROUT KAZI DESTEKLİ AESCHER (ZÜRİH, İSVİÇRE ...1. GİRİŞ Aescher (Zürih, İsviçre) tüneli, buzul moren (ayrıık buzultaı) içerisinde ve molas (karbonatlı kum taı)

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


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


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


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


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


Şekil 7. Bu Bildiri Kapsamında Yapılmış Aescher Tünelinin 3B SE Modelinin Oturma Analiz

Sonuçlarının Kesit Görünüşleri

579


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


[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


582


Documents

JET GROUT KAZI DESTEKLİ AESCHER (ZÜRİH, İSVİÇRE ...1. GİRİŞ Aescher (Zürih, İsviçre) tüneli, buzul moren (ayrıık buzultaı) içerisinde ve molas (karbonatlı kum taı)