Kentsel Raylı Sistemlerde Metro Tünel Tahkimatı ve Jet Grout Şemsiye Kemeri (Umbrella Arch) Tasarımı

Yeraltı ulaşım ağlarının genişlemesi, tünel mühendisliğini kentsel alanlarda çok daha hassas çözümler üretmeye zorlamaktadır. Çünkü şehir içi metro hatları, genellikle yüzeye oldukça yakın olan sığ derinliklerde ve zayıf alüvyon zemin katmanları içinde inşa edilir. Bu tür sığ tünel açma operasyonlarında karşılaşılan en büyük geoteknik risk, tünel aynasının ($tunnel\ face$) stabilitesini kaybetmesi ve buna bağlı olarak yüzeyde ani çökme veya aşırı oturmaların ($settlement$) meydana gelmesidir. Geleneksel delme-patlatma veya klasik mini kazık yöntemleri, bu zayıf zeminlerde tünel tavanını konsolide etmede yetersiz kalır. Bu nedenle, kentsel metro tünel tahkimatı projelerinde, tünel tavanını bir kalkan gibi koruyan yatay jet grout şemsiye kemerleri ($umbrella\ arch$ / $forepoling$) en etkili ön destek sistemi olarak öne çıkar.

1. Yatay Jet Grout Enjeksiyonunun Mekanik ve Geometrik Esasları

Tünel mühendisliğinde jet grout uygulaması, alışılagelmiş dikey kolon imalatlarından çok farklı bir mekanik süreç içerir. Bu yöntemde, tünel açma makinesinin ($Jumbo$ veya özel tünel enjeksiyon rigleri) tünel aynasından ileriye doğru, tünel tavan eğrisine paralel olacak şekilde belirli bir açıyla ($\alpha = 5^{\circ} – 11^{\circ}$) yatay delikler açması esastır.

Açılan bu deliklerden geriye doğru çekilerek imal edilen kesişen yatay jet grout kolonları, tünel tavanının üzerinde dairesel bir koruyucu şemsiye kemeri oluşturur. Yatay imalatta akışkanlar mekaniği performansı, yerçekimi ivmesinin ($g$) kuyu eksenine dik etki etmesi sebebiyle ek hidrolik zorluklar barındırır:

$$\Delta P_{kayıp} = \lambda \frac{L}{d} \frac{\rho v^2}{2} + \rho g L \sin(\alpha)$$

Burada $L$ enjeksiyon borusunun boyunu, $d$ iç çapını, $\lambda$ ise sürtünme katsayısını temsil eder. Yatayda şerbetin kuyu içinde homojen dağılması ve yukarılara tam tırmanması için debi ($Q$) normal dikey imalatlara göre %20 oranında artırılır.

Böylece, kuyu cidarında hava kabarcıklarının kalması ve dolayısıyla şemsiye kemerinde zayıf halkaların oluşması kesin olarak engellenir. Kısa cümlelerle kurgulanan bu geometrik hassasiyet, tünelin üstündeki yapıların güvenliği için birincil şarttır.

2. Kentsel Sığ Tünellerde Yüzey Oturmaları ve Kemerleşme Mekanizması

Sığ bir tünel açılırken, zemin kütlesi içindeki doğal gerilme dengesi tamamen bozulur. Tünel üstündeki zemin tabakası, yerçekimi etkisiyle aşağı doğru hareket etme eğilimine girer. Bu hareket, yüzeyde bir “oturma teknesi” ($settlement\ trough$) oluşturur.

Yüzeydeki maksimum oturma miktarını ($S_{max}$) tahmin etmek için geoteknik mühendisliğinde yaygın olarak Peck (1969) tarafından önerilen Gauss dağılım modeli temel alınır:

$$S(x) = S_{max} \cdot \exp\left(-\frac{x^2}{2i^2}\right)$$

Burada $x$ tünel eksenine olan yatay mesafeyi, $i$ ise oturma teknesinin genişlik parametresini ifade eder. Jet grout şemsiye kemeri, tünel üstündeki gevşek zeminin elastisite modülünü ($E$) yapay olarak artırarak zemin içinde güçlü bir içsel kemerleşme ($arching$) yaratır.

Bu rijit kemer, üstteki yapıların ağırlığını tünelin yan cidarındaki sağlam zemin bloklarına aktarır. Böylece $S_{max}$ değeri, yüzeydeki binaların yapısal hasar sınırlarının çok altına indirilir.

3. Zayıf Zemin Sınıflarında Tünel Aynası (Face) Stabilitesi

Metro tünel tahkimatı tasarlanırken, zeminin içsel sürtünme açısı ($\phi$) ve kohezyon ($c$) değerleri tünel aynasının ayakta kalma süresini ($stand-up\ time$) belirler. Özellikle suya doygun siltli ve kumlu zeminlerde, tünel aynası açıldığı an akma veya göçme eğilimi gösterir.

• Yatay Sapma Kontrolü: Şemsiye kemerini oluşturan kolonların yerin altında birbirine tam olarak kenetlenmesi gerekir. Yatay delgilerde yerçekimi sebebiyle matkabın aşağı doğru sarkma ($sagging$) eğilimi vardır. 15 metre boyundaki bir forepoling borusunda %0.5’lik bir sapma bile, kolonlar arasında korumasız alanların kalmasına neden olur. Bu pencerelerden sızacak gevşek malzeme, tünel içine akarak göçmeyi tetikler.
• Kohezyon Artışı: Jet grout ile modifiye edilen soil-cement matrisinin kohezyon değeri $c = 500 – 1000$ kPa seviyelerine ulaşır. Bu muazzam artış, zayıf zemini pratik olarak yarı kaya fazına geçirir. Böylece, tünel aynası güvenle kazılabilir hale gelir.
• Geçirimsizlik Bariyeri: Sığ metro hatlarında yeraltı su seviyesi genellikle yüksektir. Yatay jet grout kemeri, suyun tünel içine dikey sızıntı yapmasını engelleyen bir şemsiye görevi de üstlenir. Bu sayede, tünel içinde kuru ve güvenli bir çalışma ortamı elde edilir.

4. Metro Hatlarında Uygulama Metodolojileri: Boylamsal ve Çevresel Dizilim

Tünel projelerinde jet grout şemsiye kemerleri, tünelin geçeceği jeolojik formasyonun türüne göre farklı operasyonel döngülerle uygulanır. Doğru döngü yönetimi, hem tünel ilerleme hızını artırır hem de maliyetleri optimize eder.

A. Kademeli Bindirmeli (Overlapping) Model

Bu modelde, genellikle 12 ila 15 metre uzunluğunda yatay jet grout kolonları tek seferde imal edilir. Ardından, bu koruyucu kemerin altında tünel kazısı kademeler halinde ilerletilir. Ancak güvenlik sebebiyle, kolon boyunun tamamı kazılmaz. Kolonların son 3 ila 4 metrelik kısmı, bir sonraki şemsiye kemeri halkası için “bindirme” ($lap$) bölgesi olarak bırakılır. Böylece, tünel boyunca kesintisiz bir koruma tavanı sağlanmış olur.

B. Çevresel Tam Koruma (Full-Ring) Modeli

Eğer tünel, aşırı sıvılaşabilir veya bataklık kıvamındaki çok zayıf zeminlerden geçiyorsa, sadece tavan koruması yetersiz kalır. Bu tür ekstrem durumlarda, tünel kesitinin tüm çevresi ($360^{\circ}$) boyunca kesişen jet grout kolonları imal edilir. Tünel, adeta jet grout ile oluşturulmuş yapay bir tüpün içinden kazılarak ilerletilir. Bu yöntem, taban kabarması ($heave$) riskini de tamamen ortadan kaldırır.

C. Ayna Ön Enjeksiyonu (Face Grouting) Modeli

Şemsiye kemerine ek olarak, tünel aynasının tam cephesine yatay ve kısa boylu jet grout çivileri çakılması işlemidir. Bu uygulama, kazı yüzeyinin tünel içine doğru yatayda bombelenmesini ($extrusion$) engeller. Özellikle tarihi binaların tam altından geçen metro hatlarında bu kombine model zorunluluktur.

5. Tünel Şantiyelerinde Mikrotünel ve Deplasman Takip Sistemleri

Metro şantiyelerinde yapılan yatay imalatların kalitesini anlık doğrulamak, can ve mal güvenliği açısından kritik bir zorunluluktur. Tünel içindeki kapalı ortam ve sığ derinlik, her saniye çok sıkı bir teknolojik izleme mekanizması kurulmasını gerektirir.

1. Ekshumasyon ve İlerleme Kontrolü: Kazı ilerledikçe, imal edilen jet grout şemsiyesinin cidar kalitesi tünel içinden gözle doğrudan kontrol edilir. Kolonların birleşim yerleri, sertliği ve homojenliği her kazı kademesinde jeoteknik mühendisleri tarafından tünel aynasında raporlanır.
2. Otomatik Robotik Total Station (AMTS): Tünelin üzerindeki cadde ve binalara yerleştirilen prizmalar, robotik ölçüm cihazları ile 24 saat boyunca kesintisiz taranır. Yüzeyde 2 mm’yi aşan bir oturma veya kabarma tespit edildiği an tünel içi kazı durdurulur.
3. Tünel İçi Konverjans Takibi: Tünel cidarının içeri doğru daralma miktarını ölçen konverjans cıvataları izlenir. Jet grout kemerinin yük taşıma kapasitesi, bu yapısal deformasyon verileriyle anlık olarak test edilir.

Kentsel metro tünel tahkimatı, teorik hesapların ötesinde anlık şantiye refleksi gerektiren dinamik bir süreçtir. Sığ derinliklerde yer altının belirsizliklerini yönetmenin tek yolu, kazı öncesinde zemin karakterini jet grout enerjisi ile dönüştürmektir. Doğru delgi açısı, sülfata dayanıklı çimento ve milimetrik deplasman takibi, kentsel tünelciliğin güvenli ilerlemesini sağlayan üç temel dayanaktır.

Kaynakça

• Peck, R. B. (1969). Deep excavations and tunneling in soft ground. Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.
• Hoek, E. (2001). Big tunnels in bad rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences.
• Lunardi, P. (2008). Design and Construction of Tunnels: Analysis of Controlled Deformation in Rock and Soil (ADECO-RS). Springer.
• Xanthakos, P. P. (1994). Ground Control and Improvement. John Wiley & Sons.

Hazırlayan: Jeoloji Mühendisi B. Celal Özen