Marmaray Projesi̇ Ve Boğaz Geçi̇şi̇ Kisminda Deprem Etki̇si̇ni̇n Anali̇zi̇

1. Trkiye Deprem Mhendislii ve Sismoloji Konferans 11-14 Ekim 2011 ODT ANKARA

1

MARMARAY PROJES VE BOAZ GE KISMINDA DEPREM ETKLERNN ANALZ VE TASARIM ESASLARI

M. Ozturk

naat Mhendisi, Marmaray Projesi, Yuksel Proje Uluslararas A., stanbul, Trkiye

ZET: Bu bildiride, Marmaray Projesi ve bu projede uygulanan deprem tasarm yntemi ve nlemleri ele alnmtr. Marmaray Projesi, Avrupa ve Asyay stanbul Boaznn altndan geen bir batrma tnelle birbirine balayan dnyann en byk demiryolu ulam projelerinden biridir. Proje, ehrin her iki yakasndaki mevcut demiryollarnn yenilenmesi (CR3), 13.5 kmlik Boaz Gei Hattnn naat (BC1) ve bu sistemde alacak yeni aralarn temin edilmesinden (CR2) oluan 3 aamal bir projedir. Tamamen yeraltnda ina edilen Boaz Geii Ksm (BC1), Marmaray Denizinden geen ve tarihte bugne kadar byk depremler retmi (M>7) aktif Marmara Fay Hattna yaklak 16 km mesafede bulunmaktadr. Bu nedenle, BC1 gzergah ciddi deprem risklerinin dikkate alnmasn gerektiren bir konumda yeralr. Boaz Gei gzergahn etkileyecek fay segmentlerinin uzun sredir hareketsiz ve sessiz kalm olmasndan dolay, projenin servis mr boyunca bu blgede byk lekli bir depremin grlme olasl yksektir. Bu nedenle, demiryolu yaplarnn sismik tasarmnda yaygn olarak kullanlan performansa dayal iki seviyeli tasarm depremi yerine, projenin nemi ve bulunduu konumu da dikkate alnarak, tek seviyeli bir tasarm depremi ngrlmtr. Marmaray tnelleri ve hat yaplar byle bir depreme maruz kaldnda, yapda fonksiyon kayb ya da can kaybna sebebiyet verecek hasarlar olumamal ve demiryolu sistemi deprem sonrasnda sadece bir ka gnlk inceleme ve hat dzeltmeleri dnda iletilebilir durumda kalmaldr. ANAHTAR KELMELER: Marmaray, Deprem, Batrma Tnel, Demiryolu.

1. GR stanbulun Anadolu ve Avrupa yakas arasnda kesintisiz, modern ve yksek kapasiteli bir demiryolu ulam salacak olan Marmaray Projesi Gebzeden Halkalya kadar uzanan 76 kmlik bir gzergaha hizmet edecektir. Projeye ait gzergah plan ekil 1de grlmektedir. Marmaray Projesi, Halkal-Yedikule ve Haydarpaa-Gebze arasndaki mevcut yzeysel demiryolu hatlarnn yenilenmesi (CR3), yeni Boaz Gei Hattnn naat (BC1) ve bu sistemde alacak yeni aralarn temin edilmesinden (CR2) oluan 3 aamal bir projedir. Proje kapsamnda, Boazn altnda 1.4 km uzunluunda bir batrma tnel, batrma tneli yzeydeki hatlara balayan delme tneller (TBM & NATM), 3 yeralt istasyonu, 37 hemzemin istasyon, 165 kpr, 63 menfez, gare sahalar, atlyeler, bakm ve iletme tesisleri ina edilecektir. ekil 1de beyaz hat olarak gsterilen ve batrma tneli de kapsayan Boaz Geii, tamamen tnellerden oluan yaklak 13.5 kmlik yeni bir hattr. stanbul Boaznn altnda yaplan batrma tnel, dnyada bugne kadar bu teknikle ina edilmi en derin tneldir. En derin noktas deniz seviyesinin yaklak 58 m altndadr. Her iki


2

yakadaki mevcut hatlar birbirine balayacak olan Boaz Geii ksmnda 4 yeni stasyon ina edilmektedir (Kazleme, Yenikap, Sirkeci ve skdar).

ekil 1. Marmaray Projesi Gzergah Plan Boaz Geii ksmn oluturan tnel ve istasyonlarn ematik profili ekil 2de verilmitir.

ekil 2. Boaz Geii ematik Profili Tneller, Kuzey Anadolu Fay Sisteminin uzants olan Marmara Fay Hattna yakn bir konumda yeralmaktadr. Gerek tnel gzergahnn aktif fay sistemine bu kadar yakn olmas, gerekse Boazdaki kritik zemin koullar, dnyann en derin batrma tnelinin tasarmn ve inaatn daha da zor bir i haline getirmektedir.

Batrma Tnel

Yenikap stasyonu

Sirkeci stasyonu

Uskudar stasyonu

Avrupa Yakas stanbul Boaz

Asya Yakas

TBM TBM


3

2. ZEMN ARATIRMALARI naat aamasna gelinceye kadar geen dnemde, Boazda 3 aamal zemin aratrmas gerekletirilmitir. Bunlardan ilki 1985-1987 yllarnda n proje aamasnda gerekletirilen sondajlardr. Bu aamada boazda 20 adet (772 m) sondaj gerekletirilmitir. Boazdaki deniz sondajlar zamann teknolojisi kullanlarak katamaran tipi duba zerinden SPT deneyleri ile yaplmtr. haleye hazrlklarnda kullanmak ve teklif veren firmalara doru ve yeterli bilgiler salamak amacyla 2002-2003 yllarnda ikinci aama aratrmalar gerekletirlmitir. Daha gelimi teknikler kullanlarak gereklen bu aratrmalar kapsamnda 7 noktada (350 m) sondaj, 85 m derine kadar inen srekli Koni Penetrasyon Testleri (CPT) (her 3 metrede bir rselenmi-rselenmemi numune ve kayadan karot alnmas dahil), deniz tabanndan 10 m kaya iine kadar P-S logging test, labotatuvar testleri ve jeofizik sismik yansma ve batimetrik incelemeler gerekletirilmitir. hale sonrasnda, seilen yklenici tarafndan detayl tasarmn yaplmas iin gerekli ilave zemin aratrmalar gerekletirlmitir. Denizde ve karada gerekletirilen bu aamal zemin aratrmalarnn amac, proje gzergah zerindeki zemin/kaya snrlarnn ve davranlarnn tespit edilmesi, kaya ve zemin tabakalarnn jeoteknik ve ktle parametrelerinin tanmlanmas, projenin iletim sresince karlama olasl ok yksek Marmara Depreminde zeminlerin davranlarnn ve olas svlama zonlarnn belirlenmesi, denizde ve karada ina edilecek yaplarn deprem annda ve statik durumdaki davranlarnn irdelenmesi, delme tnellerin tasarmnda kullanlacak statik ve dinamik parametrelerin belirlenmesi ve yeralt su durumu kaya/zemin permeabilitelerinin tespit edilmesidir. Bu kapsaml zemin aratrmalar sonunda elde edilen batrma tnel gzergahnn yorumlanm jeolojik profili ekil 3te verilmitir.

ekil 3. Batrma Tnel Gzergah Jeolojik Profili


4

3. DEPREM ARTLARI Uzun dnemli deprem kaytlar ve GPS lmlerine gre Marmara Denizinden geen fay hatt Marmaray Projesini etkileyecek en nemli deprem kaynadr (baknz ekil 4). Bu nedenle Boaz Gei tnellerinin deprem tasarmnda bu fay sistemi belirleyici olmutur.

ekil 4. Marmaray Blgesi Fay Segmentasyon Modeli ekil 5 Marmaray Blgesi Depremleri (M>5) Marmara Blgesinde meydana gelen ve bykl 5.0n zerinde kaydedilen tarihi depremler ekil 5te grlmektedir. Bu blgede, 1500l yllardan gnmze kadar olan srete M > 7.0 olan belli sayda byk deprem meydana gelmitir. Kaydedilen depremlerin dalmnn deerlendirmesi sonucunda bu byk depremler ekil 4te verilen fay segmentasyon modeline dntrlmtr. Boaz Gei hatt, Marmaray Fay Hattna 13~20 km mesafede yer almaktadr. (baknz ekil 6).

ekil 6. Marmaray Boaz Geii Gzergah ve Marmara Fay Sistemi Yerleimi


5

Marmaray Projesi iin 2002 ylnda Prof. Dr Mustafa Erdik tarafndan bir deprem tehlike deerlendirilmesi gerekletirilmitir. Bu alma kapsamn projede uygulanacak tasarm depremi ve depreme dayankl tasarm yntemi belirlenmitir. Bu almann sonular aada zetlenmitir. Depreme dayankl tasarm iin CALTRANS (1999) kriterleri dikkate alnmtr. Bu kriterlere gre depreme dayankl yap tasarmnda, normal koullarda, iki seviyeli yer hareketi gz nne alnmaktadr: Fonksiyon Deerlendirme Yer Hareketi: Bu yer hareketi yapy mr boyunca bir ya da iki kez etkileme olasl yksek olan bir depremi tariflemektedir. Gvenlik Deerlendirme Yer Hareketi: Bu yer hareketi yap gvenliini deerlendirmek iin kulanlan ve uzun bir tekrarlama periodu (yaklak 1000-2000 yl) olan depremi tariflemektedir. BC1 tnel gzergahndaki yaplarn bulunduklar blge nedeniyle Gvenlik Deerlendirme Depremine maruz kalma olaslnn, yapnn servis mr boyunca bir iki kez karlaabilecei Fonksiyon Deerlendirme Depremine maruz kalma olaslna yaklamas nedeniyle iki aamal tasarm depremi ynteminden vazgeilmitir. Bunun yerine, projenin nemi ve bulunduu konum da dikkate alnarak, Temel Tasarm Depremi (DBE) olarak tanmlanan tek seviyeli bir tasarm depremi ngrlmtr. Hem olaslksal ve deterministik yaklam kullanlarak yaplan tehlike deerlendirme analizleri, hem de dier teknik deerlendirmeler nda DBE, Marmaray Denizinde batrma tnel gzergahna 16 km mesafede, S3~S8 fay segmanlar zerinde meydana gelecek Mw=7.5 (moment magnitude) byklnde bir deprem olarak tanmlanmtr. Tanmlanan DBE yer hareketi parametreleri ve tnel yaplarnn fay hattna olan mesafesi hesaba katlarak Tasarm Anakaya Tepki Spektrumlar belirlenmitir. Deprem kaynana 16 km mesafede bulunan batrma tnel blgesi iin belirlenen Anakaya Spektral vme Deerleri ekil 7de gsterilmitir.

ekil 7. Tasarm Anakaya Tepki Spektrumu (R= 16 km)


6

DBEye maruz kalacak tnel yaplarnda u yapsal performans kriterleri aranmtr;

(a) Oluan hasarlar kolay izlenebilir ve tamir edilebilir olmal, yapda fonksiyon kayb ya da can kaybyla sonulanmamaldr.

(b) Batrma tnel elemanlar ve birleimleri su geirimsizliini korumaldr.

(c) Yaplar deprem sonrasnda sadece bir ka gnlk inceleme ve hat dzeltmeleri dnda iletilebilir durumda kalmaldr.

(d) Tamirat ileri, iletmeye minimum engel olacak ekilde yaplabilmelidir.

Yukarda (a) maddesinde ngrlen koullarn karlanabilmesi iin deprem durumunda yapsal elemanlardaki elastik-tesi deformasyon ve hasarlar tasarmda kontrol altna alnmal ve yapsal elemanlar dktil davran gsterecek ekilde tasarlanmaldr.

4. BATIRMA TNEL DEPREM TASARIMI

4.1. Batrma Tnel Geometrisi Ve Yapsal Sistemi 1.4 km uzuluundaki batirma tnel, iki ynl demiryolu iletmeciliini salamak zere tasarlanm iki gzl dikdrtgen bir kesite sahiptir. Her bir gzde bir tren hatt ina edilmektedir (baknz ekil 8). Tnel, 15.30 m geniliinde ve 8.75 m yksekliinde farkl boylara sahip 11 adet batrma tunnel elemanndan olumaktadr (baknz ekil 9). Tnel elemanlar Tuzlada DLHya ait limanda ina edilmitir. Burada hazrlanan kuru havuzlarda retilen elemanlar daha sonra yzdrlerek Boaza getirilip batrlm ve deniz tabannda birletirilmilerdir. Tnel elemanlar birbirine srekli kiri gibi davranacak ekilde rijid olarak balanmtr.

ekil 8. Batrma Tnel Eleman Tipik Kesiti


7

Batrma tnel tayc sistemi yerinde dkme donatl betondur. Su geirimsiz olarak imal edilen betonarme yap, ilave bir su izolasyon nlemi olarak elik membran ile kaplanmtr. Tnel elemanlarnn balant noktalar komposit kesit olarak tasarlanmtr. Bu ksmlar enine ynde komposit kesit gibi davranrken boyuna ynde tipik betonarme kesit davran ve rijitlii gstermektedir.

ekil 9. Batrma Tnel Elemanlar Plan ve Profili

Batrma tnel her iki uta delme tnellerle karaya balanmaktadr. Tnel elemanlar, Boaz tabannda alan hendek ierisine indirilip, birbirine balandktan sonra geri dolgu malzemesi ile kapatlmtr. Sonraki aamada karadan gelen 4 adet TBM (2 Asya yakasndan, 2 Avrupa yakasndan) batrma tnele balanmtr. Batrma tnelle TBM tneller arasndaki balant zel bir teknik kullanlarak gerekletirilmitir. TBMler batrma tnelin her iki ucunda tasarlanan klf yapsna gvenli bir ekilde balandktan sonra bu noktalarda balant yaplar ina edilmitir (baknz ekil 10).


8

ekil 10. Batrma Tnel ve TBM Balant Yaps

Boazn altndan geen batrma tnelin her iki ucunda TBM tnel kesitinde kalacak ekilde deprem derzleri tasarlanmtr. Bu derzler TBMin hemen kayadan kt noktada zemin kelleri ile anakayann birletii noktaya gelecek ekilde seilmilerdir. Yksek su basncndan dolay bu esnek derz elemanlarnn daha nce su basnc altnda performans kantlanan dairesel TBM kesitine yerletirilmesi uygun bulunmutur.

4.2. Saha Tepki Analizi Batrma tnel gzergahnda anakaya zerinde ok deiken karakterlerde derin zemin kelleri mevcuttur. Batrma tnel bu zeminin yapsnn yzeye yakn tabakalarndan gemektedir. Deprem srasnda anakayada oluan yer hareketlerinin mevcut zemin zelliklerine bal olarak yzeye yansmalarn hesaplamak iin saha tepki analizleri gerekletirlmitir. Saha tepki analizlerinden u bilgiler elde eldilmitir:

(a) Boyuna tnel tepki analizlerine veri oluturmak iin zaman kaytl serbest zemin hareketleri,

(b) Enine tnel tepki analizlerine veri oluturmak iin serbest zemin deformasyon profili,

(c) Svlama potansiyeli deerlendirmeleri iin zeminde deprem kaynakl kesme gerilmeleri.

Saha tepki analizleri 2 (tnel boyuna yn) ve 3 (tnel enine yn) boyutlu dinamik analizlerle gerekletirilmitir. Analizlerde sonlu eleman yntemiyle modeller oluturulmu ve zeminin lineer olmayan davran hesaba katlmtr. Saha tepki analizlerinde kullanlan 2 ve 3 boyutlu ematik modeller ekil 11 ve 12te verilmitir.


9

ekil 11. Saha Tepki Analizi Modeli (Boy) ekil 12. Saha Tepki Analizi Modeli (En)

4.3. Boyuna Yn Tnel Tepki Analizi Saha tepki analizinden elde edilen zaman kaytl zemin deplasmanlar boyuna tnel tepki analizleri gerekletirilmitir. Tepki analizinde tnel yaps 3 boyutlu bir kiri eleman olarak, zemin ise yay elemanlar olarak tanmlanmtr. Analiz modelinde farkli tipik kesiti tanmlanmtr; batrma tnel kesiti, TBM tnel kesiti ve batrma tnel ile TBM balant yaps kesiti. TBM tnel segman halkalar ise edeer flexural rijitlie sahip 3 boyutlu kiri elemar, halkalar arasndaki balant koulllar ise basn ve ekme altnda edeer rijitlik gsterecek yay elemanlar ile tanmlanmtr. Batrma tnel elemanlar arasndaki balantlar ve TBM & batrma tnel arasndaki balantlar srekli balantlardr. Analizde deprem derzinde kullanlan esnek segmanlar serbest haraket edebilen elemanlar olarak tanmlanmtr. Saha Tepki Analizi ile Boyuna Yn Tnel Tepki Analizi arasndaki iliki ekil 13te gsterilmitir.


10

ekil 13. Boyuna Saha Tepki Analizi ve Tnel Tepki Arasndaki liki

4.4. Enine Yn Tnel Tepki Analizi Boazdaki elverisiz zemin koullar nedeniyle deprem srasnda zemin-yap arasndaki etkileimin tam olarak belirlenmesi byk nem kazanmtr. Tepki analizinde tnel yaps, lineer olmayan betonarme yap davran gsteren 2 boyutlu kiri elemanlar ile modellenmitir. Zemin ise saha tepki analizi modelindeki zemin tabakalaryla uyumlu olarak 2 boyutlu sonlu elemanlarla modellenmitir. Zeminin kesme rijitlii, her bir zemin tabakas iin saha tepki analizlerinden elde edilen maksimum kesme birim deformasyonlarndan hesaplanmtr. Bu model zerinde statik deprem deformasyon metodu kullanlarak tepki analizi gerekletirilmitir. Tnel enine yn yapsal analizi, saha tepki analizinden elde edilen zemin ivmelerinin tnel yaps ve onu evreleyen zemine uygulanmas ile gerekletirilmitir. Kritik ivme deeri, saha tepki analizinde tnel taban kotu ile st kotu arasndaki greceli deplasmann maksimum olduu andaki ivme deeri olarak seilmitir. Kritik tnel kesiti ise saha tepki analizlerinde bu greceli deplasmann maksimum olduu noktalar olarak belirlenmitir. Tnel tepki analizleri sonucunda deprem kaynakl zemin deplasmanlarnn tnel yapsnda oluturduu kuvvetler depreme dayankl yap tasarmna veri oluturmutur.


11

4.5. Svlama Analizleri Tnel tasarmnda svlamann farkl etkisi dikkate alnmtr: (1) kaldrma etkisi, yzme, (2) svlama sonras oturmalar ve yatay deformasyonlar (toplam ve farkl telenmeler), (3) yanal kayma stabilitesi. Batrma tneli evreleyen zeminin svlama deerlendirmesi penetrasyon test (CPT) sonular ve sismik kesme gerilmeleri kullanlarak ampirik yntemle yaplmtr. Kesme gerilmeleri saha tepki analizinden elde edilmitir. Yaplan analizler sonucunda tnel taban kotunun zerinde ve altnda, svlama potansiyeli olan zemin tabakalarnn bulunduu belirlenmitir. Svlamadan kaynaklanan zemin deformasyonlarnn batrma tnele etkisi analiz edilmitir. Kaz taban kotunda svlama sonras oluan oturmalar ve tnel boyunca oluan yatay ve dey deplasmanlarn dalm ekil 14 ve 15de verilmitir.

ekil 14. Kaz Tabannda Svlama Sonras Oturmalar


12

ekil 15. Svlama Nedeniyle Tnel Boyunca Kaz Tabannda Oluan Yatay ve Dey Deplasmanlar Tnel taban kotunun zerinde, svlama potansiyeli olan zemin tabakalar tnel hendek kazs srasnda kaldrlacaktr. Tnel tamamlandktan sonra bu blmler kontroll olarak tasarlanm, svlama riski olmayan geri dolgu malzemesi ile doldurulduundan ilave bir nleme gerek duyulmamtr. Tnel altndaki svlaan zemin tabakalarnda ise Compaction Grouting (4 mden derin tabakalarda) ve yer deitirme yntemiyle (4 mden ince tabakalarda) zemin iyiletirmesi uygulanmasna karar verilmitir. Hattn skdara yakn blmnde uzuluu 470 m, derinlii 4~10 m arasnda deien bir zemin tabakasnda svlama potansiyeli grlm ve bu zemin tabakasnda Compaction Grouting (CPG) yntemiyle zemin iyiletirmesi yaplmtr. Bu blgede, deniz zerinde bir platform kullanlarak 2,770 adet CPG kolonu oluturulmu ve toplamda 74,500 m3lk bir zemin tabakas iyiletirilmitir. CPG kolonlarnn oluturulmas iin toplam 11,000 m3 hacminde enjeksiyon yaplmtr. yiletirme oran %13.3tr. yiletirme uygulanan alan ekil 16de verilen boy profilde grlmektedir.


13

ekil 16. Boaz Zemin Profilinde Zemin yiletirmesi Uygulanan Alanlar Zemin iyiletirme nlemleri dikkate alnarak, yeni parametrelerle analizler tekrarlanm ve bu analizlerin sonucu ekil 17 ve 18de verilmitir.

ekil 17. Zemin yiletirmesinden Sonra Hesaplanan Svlama Sonras Oturmalar


14

ekil 15. Zemin yiletirmesinden Sonra Hesaplanan Svlama Deformasyonlar KAYNAKLAR: 1. M.Erdik, B. Siyahi, C. zbey, K. eetyan, M. Demirciolu, H. Akman (2002). Earthquake

Assessment Hazard Assessment, Earthquake Resistant Design Considerations and Design Basis Ground Motion for the Marmaray Project

2. Taisei-Gama-Nurol (2005). Seismic Assessment for Immersed Tunnel. 3. J. Wang, M. Erdik, S. Otake (2005). Seismic Hazard Assessment and Earthquake Resistant Design

Considerations for the Bosphorus Tunnel Project. 4. O. imek, S. Mitani, O. Altun (2005). Marmaray Project: Geological and Geotechnical Investigations.

1. GR2. ZEMN ARATIRMALARI3. DEPREM ARTLARI4. BATIRMA TNEL DEPREM TASARIMI4.1. Batrma Tnel Geometrisi Ve Yapsal Sistemi4.2. Saha Tepki Analizi4.3. Boyuna Yn Tnel Tepki Analizi4.4. Enine Yn Tnel Tepki Analizi4.5. Svlama Analizleri

Documents

Marmaray Projesi̇ Ve Boğaz Geçi̇şi̇ Kisminda Deprem Etki̇si̇ni̇n Anali̇zi̇