Parametric studies on prediction methods of face support pressure and surface settlement for soft ground tunneling with epb tbms
Zayıf zemin koşullarında epb-tbm ile kazılan tünellerde ayna basıncı ve yüzey oturması tahmini için parametrik çalışmalar
- Tez No: 637644
- Danışmanlar: PROF. DR. HANİFİ ÇOPUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 215
Özet
Tarih boyunca madencilik, ulaşım, savaş gibi bir çok farklı amaçlarla tünelcilik faaliyetleri sürdürülmüştür. Günümüzde özellikle teknoloji ve sanayinin hızla büyümesi ile şehirlerdeki nüfus artmaktadır. Şehirlerdeki artan nüfus dikkate alındığında, bazı faaliyetlerin olabildiğince yer altına taşınması önemli hale gelmiştir. Karayolu tünelleri, metro tünelleri ve su tünelleri son yıllarda en fazla ihtiyaç duyulan altyapı sistemleridir. Ülkemizde olduğu gibi tüm dünyada da özellikle şehir içlerinde ulaşım amaçlı açılan tünellerin sayısının hızla arttığı görülmektedir. Teknolojinin gelişmesi ile birlikte yer altı kazılarına ait yöntemler de değişiklik göstermiştir. Geliştirilen tam cepheli tünel açma makineleri ile geleneksel yöntemlere kıyasla daha hızlı, daha sessiz ve daha az titreşimli kazılar yapmak mümkün olmuştur. Bu yöntemle açılan tünellerde tünel kazısı ile yeryüzü arasındaki etki de minimize edilmeye çalışılmaktadır. Boş bir arazinin altında sürdürülecek olan tünelcilik faaliyetlerinde, yüzeyde meydana gelen hareketler tolere edilebilir olsa da, özellikle şehiriçi tünelciliğinde, yüzeyde yapıların bulunduğu durumlarda tünelcilikten kaynaklı yüzey deformasyonlarının kontrol altına alınması çok önem kazanmıştır. Bu nedenle şehiriçi tünelciliğinin çok büyük bir kısmı tam cepheli tünel açma makinaları ile sağlanmaktadır. Şehir içinde tüneller genellikle düşük örtü kalınlığında ve zayıf jeomekanik özelliklere sahip ortamlarda açılmaktadırlar. Bu tür kazılarda zemin kolay deforme olabilmektedir. Özellikle böyle ortamlarda, yumuşak zeminler için geliştirilen tam cepheli tünel açma makineleri ile gerçekleştirilen kazılardaki en önemli faktörlerden biri, arazi ve yeraltı suyu basınçlarını dengelemek amacıyla doğru ayna basıncı uygulamaktır. Bu nedenle uygulanması gereken ayna basıncını belirlemek ve buna bağlı olarak gerçekleşmesi muhtemelen arazi hareketlerinin önceden tahmini yüzeydeki yapılara zarar vermemek ve tünel güvenliği açısından çok önemlidir. Bu tez çalışmasının amacı hem ayna basıncı hem de yeryüzü oturmalarının tahmini için parametrik çalışmalar yapıp, ampirik, analitik ve sayısal yöntemlerden elde edilen sonuçları kıyaslamak ve bu yöntemlerin kendi içerisinde hangi parametreye ne kadar duyarlı olduğunu saptayıp, ileriki çalışmalara rehberlik etmesini sağlamaktır. Ayna destek basıncı tahmini için yapılan parametrik çalışmalarda: (i) ampirik yöntemler (Broms ve Bennemark, 1967; Davis ve diğ. 1980; Kimura ve Mair, 1981), (ii) analitik (teorik ve/veya yarı-teorik) yöntemler (Atkinson ve Potts, 1977; Krause, 1987; Leca ve Dormieux, 1990; Jancsecz ve Steiner, 1994; ITA 2000; Carranza-Torres, 2004) ve (iii) sayısal yöntemler (sonlu elemanlar yöntemi, RS2 yazılımı) kullanılmıştır. Kısa dönem (drenajsız) maksimum yüzey oturması tahmini için ise: (i) ampirik yöntemler (Arıoğlu & Schmidt (Çopur ve diğ. 2007 sonrası); Herzog (Schmidt, 1985 sonrası), (ii) analitik (teorik ve/veya yarı-teorik) yöntemler (Limanov, 1957) ve (iii) sayısal yöntemler (sonlu elemanlar yöntemi, RS2 yazılımı) kullanılmıştır. Hesaplamalar kuru zemin koşulları için yapılmıştır. Tünellerde ayna basıncı ve yeryüzü oturmalarının belirlenebilmesi için geliştirilen ampirik ve analitik yöntemler kendi içlerinde bazı kısıtlamalara sahiptir ve uygulanılabilirlikleri farklı kazı yöntemlerine, farklı zemin özelliklerine, farklı tünel çaplarına ve farklı örtü kalınlıklarına göre değişiklik gösterebilmektedir. Bu gibi durumlarda daha çok girdinin mümkün kılındığı ve daha az kısıtlama barındıran sayısal yöntemler daha uygun görülmektedir. Özellikle son yıllarda en çok kullanılan sayısal yöntemlerin başında sonlu farklar ve sonlu elemanlar yöntemi gelmektedir. Yapılan bir çok araştırma göstermiştir ki, analitik ve ampirik yöntemlere kıyasla, sayısal yöntemler ile yapılan analizler gerçeğe daha yakın sonuçlar vermektedir. Bu çalışma kapsamında sayısal yöntem olarak RS2 yazılımı kullanılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile çözümleme yapan bu yazılım, 2 boyutlu analizler gerçekleştirmektedir. Eksenel simetri ve düzlemsel gerinim olmak üzere 2 farklı analiz tipi olan bu yazılımda, ayna basıncı hesaplamaları eksenel simetri, yeryüzü oturmaları hesaplamaları ise düzlemsel gerinim analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Öncellikle referans değerler ve değişkenler belirlenerek, parametrik çalışmalar bu değerler ile yapılmıştır. Ayna basıncını belirlemek için önerilen yöntemlerin bazıları kohezif (ağırlıklı olarak kil ve silt içeren zeminler), bazı yöntemlerin ise taneli zeminler (ağırlıklı olarak kum ve çakıl içeren zeminler) için önerilmektedir. Bu nedenle ayna basıncı hesaplamalarına ilişkin kohezif ve taneli olmak üzere 2 farklı model için lüteratür verileri gözetilerek, yöntemlerin kısıtlamalarına da dikkat ederek referans değerler kabülünde bulunulmuştur. Bu çalışma kapsamında ayna destek basıncı ve yüyeryüzü oturma miktarı hesaplamalarına etkisinin inceleneceği parametreler olarak; Zemin parametreleri olarak içsel sürtünme açısı, kohezyon, birim hacim ağırlık, Young modülü ve Poisson oranı seçilmiştir; teknik-geometrik parameter olarak ise tünel çapı ve tünel derinliği, dolayısı ile derinlik/çap oranı dikkate alınmıştır. Literatürdan yararlanılarak her bir parametre için değişken değerler belirlenmiş ve değişkenliğin sonuçlara nasıl etki ettiği incelenmiştir. Yine aynı şekilde yeryüzü oturmalarına ilişkin parametrik çalışmalarda kullanılması için başka bir referans model belirlenmiştir ve bu değişkenler de, farklı değer aralıklarında değiştirilip, her bir yaklaşım için kısa dönem (drenajsız) yeryüzü oturması hesabı yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar öncelikle kendi içerisinde değerlendirilip, ardından literatürde yapılmış benzer çalışmalardan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Yukarıda belirtilmiş olan parametreleri kullanarak günümüze kadar bir çok araştırma yapılmış ve hem ayna basıncı hem de yeryüzü oturmaları için yöntemler geliştirilmiştir. Bu çalışmada bunlardan sadece bazıları parametrik çalışmalara dahil edilmiştir. Çalışmaya dahil edilen zemin özellikleri ve irdelenen değişken aralıkları dikkate alınarak ampirik, analitik ve sayısal yöntemler ile analizler gerçekleştirilmiş, elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir. • Kohezif zeminler için yapılan ayna basıncı hesaplamalarında Broms & Bennemark (1967) yönteminin diğer yöntemlere kıyasla genellikle daha yüksek sonuçlar verdiği görülmüştür. • Taneli zeminlerde gerçekleştirilen analizlerde Leca & Dormieux (1990) ve Jancsecz & Steiner (1994) yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçların birbirleri ile oldukça uyumlu olduğu ve diğer yöntemlere kıyasla daha düşük sonuçlar verdği görülmüştür. • Taneli zemin özellikteki model parametreleri kullanılarak yapılan analizlerde, içsel sürtünme açısının, tünel çapının ve birim hacim ağırlığının değişiminin incelendiği çalışmalarda Atkinson & Potts (1977), Jancsecz & Steiner (1994), Leca & Dormieux (1990) ve Carranza-Torres (2004) yöntemlerinden elde edilen ayna basıncı değerleri benzer oranda değişmektedir. • Kohezif ve taneli zeminler için gerçekleştirilen ayna basıncı analizlerinde, ITA (2000) ve sayısal yöntem kullanılarak elde edilen sonuçların oldukça uyumlu olduğu görülmüştür, ancak kohezif zeminlerde ITA yönteminin kullanılması yanıltıcı (gerçekleşen değerlere göre çok yüksek) sonuçlar verebilmektedir. • Ayna basıncı hesaplamalarında ITA (2000) yönteminde kemerlenme zonu etkisi önemli ölçüde katkı sağlamaktadır. • Yeryüzü oturması tahminleri için yapılan analizlerde Herzog (1985) yöntemi diğer yöntemlerden oldukça yüksek sonuçlar vermektedir. • Limanov (1957) yöntemi ve sayısal yöntem kullanılarak yapılan yeryüzü oturması hesaplarında elde edilen sonuçların birbirine yakın olduğu görülmüştür. • Yeryüzü oturması tahmini için yapılan analizlerde değiştirilen parametrelerin Arıoğlu & Schmidt (Çopur ve diğ. 2007 sonrası) yöntemine ve sayısal yönteme etkileri benzerdir. Arıoğlu & Schmidt (Çopur ve diğ. 2007 sonrası) yönteminin sürşarj yükü, ayna basıncı gibi parametreleri de içermesi, bu yöntemi güvenilir kılmaktadır. • Örtü tabakasaı kalınlığı/tünel çapı (C/D) oranın değişmesi hem ayna basıncını hem de yüzey oturmalarını etkilemektedir. Ancak tünel çapının (D) artmasından kaynaklı C/D oranının azalması yeryüzü oturmalarını ve ayna basıncını arttırırken, örtü kalınlığının artmasından (C) kaynaklı C/D oranının artması da yine hem yüzey oturmalarını hem de ayna basıncını arttırmaktadır. Bu nedenle tek başına C/D oranının artıp azalmasına bakılarak ön görüde bulunmak doğru olmayacaktır. Kullanılan yöntemlerden elde edilen sonuçların karşılaştırılması ile birlikte bu yöntemlerin hangi parametrelere karşı ne kadar hassas olduğu da incelenmiştir. Ayna basıncı hesaplamalarında tünel derinliği, içsel sürtünme açısı ve kohezyon değerlerinin sonucu en çok etkileyen parametreler olduğu görülmüştür. Diğer yandan ise, ampirik ve analitik yöntemlerde, yüzey oturmalarını etkileyen faktörlerin başında tünel derinliği ve tünel çapının geldiği sonucuna varılmıştır. Nümerik yöntem kullanılarak yeryüzü oturması hesaplandığında ise içsel sürtünme açısı, tünel çapı ve birim hacim ağırlık en etkili parametrelerdir ve etki oranları birbirlerine yakındır. Bu parametrik çalışmaların değerlendirilmesi bazı kabüller üzerinden yapılmıştır ve özellikle incelenen parametrelerin, yöntem için ne kadar hassas olduğu bulgusu, yine değişkenler için kabul edilen değer aralıkları ile doğrudan etkilidir. İncelenen bu parametrelerin dışında, yeraltı suyu varlığı, sürşarj yükü, ve zeminin farklı jeolojik birimler içermesi de hem ayna basıncını hem de yeryüzü oturmasını etkileyen önemli faktörlerdir. Bu faktörlerin de sisteme dahil edilmesi ile yapılacak yeni çalışmalarda, elde edilen bu sonuçlar farklılık gösterebilir.
Özet (Çeviri)
Throughout history, tunnelling has been done for war, mining, transportation and various other purposes. Nowadays due to the rapid growth of technology and industry, the population is increasing rapidly especially in cities where have limited space. In recent years there has been a big necessity for new infrastructure systems in urban areas because of rapid increase of population. Highway tunnels, metro tunnels, water tunnels are the most common infrastructure system types in tunnelling application areas. The number of tunnels excavated for transportation purpose has been increasing rapidly in urban areas all around the world. Tunneling demand in urban also requires high-quality work in limited space at limited times. The methods of underground excavations have changed with the development of technology. By using developed Tunnel Boring Machines (TBMs) which enable full face excavation, it is possible to make faster and quieter excavations with lower vibration compared to the traditional methods. In this way, tunneling induced surface settlement is minimized. One of the most important problems in urban tunnelling is the displacements occurring in the surrounding buildings (surface) due to the excavation. For this reason, most of the urban tunneling is performed with soft ground TBMs. Since most of the tunnels are shallow in urban areas and soil is mostly poor quality, effects of underground excavation may reach to surface easily. Especially in this type of soil, applying correct face pressure is one of the most significant factors in excavations carried out with soft ground TBMs. Therefore, it is very important to determine the face support pressure to be applied, and estimate the surface settlement amount accordingly for safety of tunnel and not to damage the structures on surface. There are empirical, analytical and numerical methods to predict both face support pressure and surface settlements in feasibility stage of a tunnel project. These empirical and analytical methods have some restrictions, and their applicability may vary depending on excavation methods, soil properties, tunnel diameters and overburden height. In such cases, the numerical methods having less restrictions are more appropriate, since more input parameters are enabled in numerical methods. In particular, finite difference and finite element methods are among the most widely used numerical methods in recent years. It is stated in many studies that the numerical analysis give more realistic results compared to analytical and empirical methods. The aim of this thesis study is to investigate the methods developed for predicting both face support pressure and surface settlement with parametric studies. Methods used to calculate face support pressure in this study are: (i) empirical methods based on empirical formulas, mostly derived from limited previous tunnel case studies and field observation and measurements (Broms and Bennemark, 1967; Davis et al. 1980; Kimura and Mair, 1981), (ii) analytical (theoretical and/or semi-theoretical) methods (Atkinson and Potts, 1977; Krause, 1987; Leca and Dormieux, 1990; Jancsecz and Steiner, 1994; ITA 2000; Carranza-Torres, 2004) and (iii) numerical methods (finite element method, RS2 software). Methods used to calculate maximum undrained surface settlement in this study are: (i) empirical methods (Arıoğlu & Schmidt (after Çopur et al. 2007); Herzog (after Schmidt, 1985), (ii) analytical (theoretical and/or semi-theoretical) methods (Limanov, 1957) and (iii) numerical methods (finite element method, RS2 software). The results obtained from these empirical, analytical and numerical methods are compared. At the same time, it is examined that how sensitive these methods are to the change of parameters within themselves. The results obtained are intended to guide future studies. Numerical models used in this study are created by RS2 two dimensional software using Finite Element Method (FEM). There are two types of analysis in RS2 which are axisymmetrical and plain strain analysis. An axisymmetric analysis allows that analyze a 3-dimensional model which is rotationally symmetric about an axis. Although the input is 2-dimensional, the analysis results apply to the 3-dimensional problem. While axisymmetric analysis is used to predict face support pressure, plane strain analysis is used to predict surface settlement in this study. The reference model and variables to be used in parametric studies are first determined. Some of the methods proposed to determine face support pressure are valid for cohesive soils while some methods are valid for granular soils. For this reason, geotechnical properties of reference models are assumed by taking the literature into consideration. Two different soil models such as granular and cohesive are created for face support pressure analyzes. Within the scope of this study, investigated soil parameters are internal friction angle, cohesion, unit weight, Young's modulus and Poisson's ratio. Tunnel diameter, tunnel depth (overburden) parameters, and thus the ratio of depth to diameter, are technical parameters used in the study. Another reference model is created to use in parametric studies on surface settlements. Same soil parameters such as internal friction angle, cohesion, unit weight, Young's modulus and Poisson's ratio and technical parameters which are tunnel diameter and tunnel depth are investigated on parametric studies to calculate maximum undrained surface settlement in this study. In all parametric studies, variables are changed in their value ranges and results are obtained for each approach. The results obtained are firstly evaluated within themselves, and then these results are compared with similar studies in the literature. A number of methods which include parameters mentioned above have been developed for both face support pressure and surface settlements so far. In this study, only some of these are investigated in parametric studies. Main results of the study can be summarized as below: • It is not possible to apply some empirical and analytical methods to every project and it is necessary to pay attention to sensitivity of parameters within the used methods. • The method of Broms & Bennemark (1967) includes a number of parameters but it is very important to determine the cohesion value correctly in this method. • Using the ITA (2000) method in cohesive soils may be misleading. • Krause (1987) and Carranza-Torres (2004) methods do not contain tunnel depth parameter while this is the most influential parameter in other methods. Therefore, there is a concern about the reliability of these methods. • Result of parametric studies belong to Krause (1987) give the lowest results in analysis of cohesive soil. Obtained values of face support pressure for granular soil calculations from method of Leca & Dormieux (1990) are compatible with method of Jancsecz & Steiner (1994). Results of these two methods have the lowest values in calculations for granular soil. • Herzog (1985) method used for estimation of maximum surface settlement gives higher results compared to the other methods. • Information of only increasing or decreasing C/D ratio is not sufficient for making an inference to determine its effect on surface settlement or face support pressure. The result may vary depending on which parameter changes. • Tunnel depth, internal friction angle and cohesion of soil are the most important parameters in calculating face support pressure considering all methods examined in this study. On the other hand tunnel depth and tunnel diameter are the most effective parameters for analytical and empirical methods to determine maximum surface settlement. • Especially using of sensitive parameters incorrectly in estimations may cause results to be far from the actual field values. It should be emphasized that these parametric studies are performed with parameters assumed. In particular, the sensitivity of the methods to the varying parameters are directly related to the accepted range of the variables. There are other parameters such as surface surcharges, underground water condition, having different geological layers that are not investigated in this study. It should be noted that different results can be obtained by taking these parameters into account.
Benzer Tezler
- Kaya dolgu yapılar ve kaya dolgulardaki son gelişmeler
Advances in rockfill structures
EKREM GENCO GÜNAY
- İstanbul'da kentsel büyümenin senaryo tabanlı modellenmesi ve ekolojik açıdan değerlendirilmesi
Scenario-based modeling and evaluation of urban growth in Istanbul
ALİYE GONCA BOZKAYA KARİP
Doktora
Türkçe
2024
Şehircilik ve Bölge PlanlamaMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA ÜNSAL
- Zemin çivileri tasarım prensipleri ve davranışın sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
Başlık çevirisi yok
ALPER ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGeoteknik Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. TUĞRUL ÖZKAN
- Investigation of the behavior and effects of passive side reinforcement on in-situ retaining structures
Pasif yan takviyenın kast yapı üzerindeki davranış ve etkilerinin incelenmesi
TARIK SOLOMON TESHOME
Doktora
İngilizce
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. AYKUT ŞENOL
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEHRA NİL KUTLU
- Elektronik kartların saha verilerine dayalı güvenilirlik analizi
Reliability analysis of electronic boards based on field data
SALİH VEHBİ CÖMERT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ALTUN