Derin Şaft ve Kuyu Kazıları Projelerinde Jet Grout Dairesel Tahkimat ve Sızdırmazlık Tasarımı

Altyapı projelerinde metro havalandırma şaftları, atık su tüneli fırlatma kuyuları ve derin pompa istasyonları dik açılı mühendislik operasyonları gerektirir. Bu tür dikey ve derin şaft ve kuyu kazıları esnasında zemin, her doğrultudan gelen yoğun eksenel toprak ve yeraltı su basıncına maruz kalır. Dikdörtgen kazıların aksine, dairesel şaft yapılarında gerilme dağılımları geometrik bir avantaja sahiptir. Ancak gevşek ve suya doygun alüvyon tabakalarda bu avantajı kullanabilmek için cidarların kesintisiz olarak desteklenmesi gerekir. Geleneksel mini kazık veya püskürtme beton tahkimatları, derinleştikçe artan hidrostatik yükleri karşılamakta zorlanabilir. Bu nedenle, derin kuyu geometrilerinde dairesel jet grout perdeleri hem yapısal bir destek halkası hem de mutlak bir sızdırmazlık perdesi olarak tasarlanır.

1. Dairesel Kuyu Geometrisinde Eksenel Sıkışma (Ring Effect) Mekanizması

Dairesel bir şaft kazısı yapıldığında, kazı çeperindeki zemin radyal yönde içeri doğru deplasman yapma eğilimine girer. Eğer bu çeper kesişen jet grout kolonları ile tahkim edilmişse, dairesel geometri sayesinde radyal toprak baskıları eksenel sıkışma gerilmelerine ($hoop\ stress$) dönüşür.

Soil-cement malzemesinin basınç blokları halinde çalışmasını sağlayan bu duruma literatürde halka etkisi ($ring\ effect$) denir. Dairesel kesitte oluşan teğetsel halka gerilmesini ($\sigma_{\theta}$) hesaplamak için silindirik gerilme modeli temel alınır:

$$\sigma_{\theta} = \frac{p \cdot r_d}{t}$$

Burada $p$ dış radyal zemin ve su basıncını, $r_d$ şaftın dış yarıçapını, $t$ ise jet grout tahkimat duvarının efektif kalınlığını ifade eder. Kesişen kolonlar dairesel eksende rijit bir kemer oluşturduğu için sisteme ekstra çelik yatay kuşak ($waler$) koyma ihtiyacı ortadan kalkar. Kısa ve net cümlelerle açıklanan bu mekanik avantaj, derin kuyularda şaft içi çalışma alanını tamamen boş bırakarak lojistik verimliliği maksimuma çıkarır.

2. Derin Kuyularda Hidrolik Taban Kabarması (Heave) ve Borulanma Analizi

Şaft ve kuyu kazıları derinleştikçe, kuyu tabanındaki efektif düşey gerilme hızla azalır. Buna karşın, kuyu dışındaki yeraltı su seviyesi sabit kalırsa, kuyu tabanına doğru yukarı yönlü çok şiddetli dikey bir hidrolik akım başlar.

Eğer kuyu tabanındaki hidrolik yukarı yönlü akım kuvveti, üstteki zemin kütlesinin batık birim hacim ağırlığını aşarsa taban kabarması ($heave$) veya borulanma ($piping$) meydana gelir. Bu tehlikeli sınır durumu engellemek için dairesel jet grout perdesi, kazı taban seviyesinin altına da belirli bir soket boyu ($h_{soket}$) kadar uzatılmalıdır:

$$h_{soket} \ge 0.5 \cdot H_{kazı} \cdot \left(\frac{\gamma_w}{\gamma_{batık}}\right)$$

Burada $H_{kazı}$ toplam kazı derinliğini, $\gamma_w$ suyun birim hacim ağırlığını, $\gamma_{batık}$ ise zeminin batık birim hacim ağırlığını temsil eder. Kazı tabanının altına uzatılan bu dairesel etekler, suyun izleyeceği sızıntı yolunu ($seepage\ path$) uzatır. Böylece hidrolik eğim düşürülür ve tabanın patlama riski tamamen bertaraf edilir.

3. Teğet Kolon Diziliminde Kuyu Sapma (Deviation) Toleransları

Şaft ve kuyu kazıları projelerinde en büyük yapısal risk, derinlerde kolonların birbirinden uzaklaşmasıdır. Dikey delgilerde matkap dizisi, zemindeki sert katmanlara veya büyük bloklara çarparak düşey eksenden sapma ($deviation$) eğilimi gösterir.

• Düşeylik Hassasiyeti: 20-25 metre derinliğe inen lağım şaftlarında %1’lik bir kuyu sapması, dip noktada 20-25 cm eksen kaçıklığı demektir. Eğer kolonlar arasında bu kaçıklık nedeniyle pencereler açılırsa, kazı esnasında dışarıdaki su ve sıvılaşabilir mil tabakası kuyu içine fışkırır. Bu durum, şaftın etrafındaki tüm caddelerin ve altyapı hatlarının çökmesine neden olur.
• Efektif Örtüşme ($Overlapping$): Sapma riskini sıfırlamak için şaft çevresindeki jet grout kolonları en az 15 ila 20 cm birbirinin içine geçecek şekilde dizilmelidir. İmalat esnasında kılavuz duvarlar ($guide\ walls$) kullanılarak delgi doğrultusu milimetrik olarak sabitlenmelidir.
• Mukavemet Kararlılığı: Soil-cement karışımının tek eksenli basınç mukavemeti ($q_u$), halka gerilmelerini karşılayabilmesi için en az 6-10 MPa seviyesinde tutulmalıdır. Bu mukavemeti garanti etmek için su/çimento oranı 0.85 bandında stabilize edilir.

4. Şaft Projelerinde Uygulama Geometrileri: Tek Sıra, Çift Sıra ve Hücresel Modeller

Kuyu kazısının çapına ve inilecek derinliğe bağlı olarak jet grout yerleşim planları geoteknik mühendisleri tarafından optimize edilir.

A. Tek Sıra Teğet Halka Modeli

Çapı 6 metreye kadar olan ve derinliği 12 metreyi geçmeyen küçük ölçekli havalandırma veya altyapı şaftlarında uygulanır. Kolonlar tek bir dairesel hat üzerinde birbirini kesecek şekilde imal edilir. Bu model, düşük maliyetle hem iksa hem de sızdırmazlık görevini aynı anda üstlenir.

B. Çift Sıra Eşmerkezli Kalkan Modeli

Çapı 15-20 metreyi bulan dev metro istasyonu şaftlarında tek sıra kolon kalınlığı hoop gerilmelerini taşımaya yetmez. Bu tür projelerde iç içe geçmiş iki farklı dairesel halka şeklinde jet grout imalatı yapılır. Kolonlar şaşırtmalı ($staggered$) olarak yerleştirilir. Böylece hidrolik sızdırmazlık iki kat güvenli hale getirilir.

C. Hücresel (Cellular) Diyafram Modeli

Çok zayıf bataklık zeminlerde, dairesel şaftın içi de kazı öncesinde jet grout kolonları ile kare veya altıgen hücrelere bölünür. Kazı aşağı indirildikçe bu iç hücreler parça parça kırılır. Bu yöntem, çevre zeminin şafta doğru yanal olarak akmasını kesin olarak engelleyen en agresif koruma modelidir.

5. Kuyu Şantiyelerinde Kalite Kontrol ve Akustik Dalga Doğrulaması

Şaft içi imalatlarda, dairesel halkayı oluşturan her bir kolonun sürekliliği ve kalitesi kazı öncesinde bilimsel yöntemlerle test edilmelidir. Körlemesine yapılan kazılar, yer altında kalmış bir kusur nedeniyle ölümcül şantiye kazalarına davetiye çıkarır.

1. Sonik Loglama (Cross-Hole Sonic Logging): Kesişen kolonların arasına imalat esnasında yerleştirilen geçici çelik borulardan akustik dalgalar gönderilir. Dalganın seyahat süresi ve frekans analizi izlenerek, iki kolon birleşim yerinde bir boşluk veya zayıf beton olup olmadığı kazı başlamadan tespit edilir.
2. Karot ile Yapısal Doğrulama: Şaft cidarını temsil eden kritik kolonlardan tam boy karot sondajları alınır. Numunelerin laboratuvarda elastisite modülü ($E$) ve makaslama mukavemetleri test edilir. Tasarım kriterlerine uymayan zonlar varsa o bölgelere lokal jet enjeksiyonu tekrarlanır.
3. Kademeli Hidrolik Gözlem: Kazı her 2 metrede bir aşağı indirilirken, jet grout yüzeyleri sızıntı yönünden anlık incelenir. Nemlenme görülen noktalara kazı içinden hızlı priz alan kimyasal şerbet enjeksiyonları ($polyurethane$) yapılarak set tahkimatı tam kuru faza geçirilir.

Derin şaft ve kuyu kazıları, zemin mekaniği ile hidroliğin en sert çarpıştığı mühendislik yapılarıdır. Bu dar ve derin dikey boşluklarda güvenliği sağlamanın tek yolu, dairesel geometrinin sunduğu halka sıkışma gücünü kusursuz bir jet grout işçiliğiyle birleştirmektir. Doğru alan ikame oranı, yüksek sülfata dayanıklı çimento seçimi ve yönlendirmeli delgi takibi, şaft projelerinin göçme riski olmadan hedefe ulaşmasını sağlayan en temel parametrelerdir.

Kaynakça

• Xanthakos, P. P. (1994). Ground Control and Improvement. John Wiley & Sons.
• Puller, M. (2003). Deep Excavations: A Guide to Analysis, Design and Construction. Thomas Telford.
• Ou, C. Y. (2006). Deep Excavations: Theory and Practice. Taylor & Francis.
• Croce, P., Flora, A., & Modoni, G. (2014). Jet Grouting: Technology, Design and Control. CRC Press.

Hazırlayan: Jeoloji Mühendisi B. Celal Özen