Tünel TBM’sinin fay kırık zonlarından geçişinde çevre kaya deformasyon özellikleri ve destek optimizasyon önlemleri üzerine araştırma

Dağ içi tüneller neden aniden sorun çıkarabilir

Günümüzün uzun otoyol ve demiryolu tünelleri dünyanın en yüksek ve en sarp dağlarından bazılarını kesiyor. Bu geçitlerin çoğu, dev tünel delme makineleri (TBM) tarafından sağlam kayanın içinde sürekli olarak öğütülerek açılır. Ancak bir TBM gizli bir fay zonuyla —antik depremler tarafından paramparça edilmiş ve zayıflamış kaya— karşılaştığında tünel deforme olabilir, çökmeler oluşabilir veya makine sıkışabilir. Bu çalışma Çin’de bir dağ tünelinde yaşanan böyle yüksek riskli bir karşılaşmayı inceliyor ve dikkatle tasarlanmış bir destekleme sisteminin bu tehlikeleri nasıl önemli ölçüde azaltabileceğini gösteriyor.

Derin bir dağ tünelinde sorunlu bir kesit

Araştırma, dik V‑şeklindeki vadilerin altından 10 kilometreden uzun bir güzergâh boyunca geçen Sichuan Eyaleti’ndeki Daliangshan No. 1 Tüneli’ne odaklanıyor. Güzergâhın çoğu nispeten sağlam kayadan geçiyor, ancak bir bölüm F1 fay kırık zonunu kesiyor; burada bir zamanlar sağlam olan bazalt ve tüf zayıf, ayrışmış parçalar hâline gelmiş. Bu zon içinde tavan ve yan duvarlardan bloklar dökülüyor, büyük boşluklar oluşuyor, su sızıyor ve TBM’nin kaya ile kendini dayadığı olağan temas noktaları güçsüzleşiyor. Erken kazı aşamasında bu koşullar yoğun kaya dökülmesine, çelik desteklerin biçim değiştirmesine, tünel duvarlarının yaklaşmasına ve bir duraklamanın ardından TBM’nin sıkıştığı bir olaya yol açtı.

Zemin hareketlerinin ölçülmesi

Neler olduğunu ve nasıl kontrol edileceğini anlamak için ekip üç yaklaşımı birleştirdi. Laboratuvarda, fay zonundan alınan kırıntı karot örneklerini test ederek ayrışmış kayanın ne kadar zayıf olduğunu belirlediler. Bilgisayarda, ABAQUS sonlu eleman programını kullanarak 40 derecelik eğimle 40 metre genişliğinde bir fay bandını kesen 8 metre genişliğinde bir tünelde ilerleyen bir TBM’yi benzetimlediler. Saha çalışmalarında ise kazı ilerledikçe tünel tavanı (tonoz), yan duvarlar ve zemin yüzeyinin hareketini izlemek için birkaç kesitte enstrümanlar yerleştirdiler. Bu test, modelleme ve yerinde ölçüm karışımı, yeraltında görülenleri çevreleyen dağlardaki görünmez gerilme yeniden dağılımıyla ilişkilendirmelerini sağladı.

Makine fayla karşılaştığında neler oluyor

Benzetimler ve ölçümler belirgin bir desen ortaya koydu: deformasyon ‘‘ortada daha büyük, iki uçta daha küçük’’ idi. TBM F1’in en zayıf çekirdeğine girerken tünel tavanda belirgin bir çökme —92 milimetreye kadar— olurken üzerindeki zemin yüzeyi de en fazla 42 milimetreye kadar oturdu. Tavan, makine izlenen bir kesime ulaşmadan yaklaşık 10 metre önce oturmaya başladı ve yaklaşık 10 metre ötesine kadar hareket etmeye devam etti. Yan duvarlar daha geç ve daha zayıf tepki vererek maksimum yaklaşık 15 milimetre hareket gösterdi. Faydan uzakta, kaya daha sağlam olduğunda oturma artışları 5 milimetrenin altına düştü ve tünel davranışı çok daha stabil hale geldi. Ancak müdahale olmazsa, fay çekirdeğindeki büyük yer değiştirmeler hem işçi güvenliğini hem de TBM’nin ilerleme yeteneğini tehdit ediyordu.

Tünel etrafında daha güçlü bir kabuk inşa etmek

Bu bulgular ve diğer projelerden edinilen deneyimler doğrultusunda mühendisler faylı zemine uyarlanmış takviye bir destek sistemi tasarladı. Sadece çelik kaburgalara ve temel püskürtme betona güvenmek yerine tünel çevresinin büyük bir kısmına yoğun bir çelik takviye şeridi ağı eklediler, püskürtme betonu daha yüksek dayanımlı karışımlarla yükselttiler ve TBM’nin kavrama ayakkabılarının duvara bastığı sağlam bir oturma yatağı oluşturmak için kalıp ve enjeksiyon uyguladılar. Çok gevşek veya çöken alanlarda kendinden sondajlı kaya cıvataları ve cam elyaf ankrajlar yerleştirip boşlukları ve karst boşluklarını betonla doldurdular. Bu önlemleri içeren sayısal modeller çok daha küçük hareketler öngördü ve saha izlemesi bunu doğruladı.

Tünelin ne kadar daha güvenli hale geldiği

Takviyeden sonra, izlenen tüm kesitlerde maksimum tavan oturması yaklaşık 17 milimetreye ve yüzey oturması yaklaşık 7 milimetreye düştü —takviyesiz duruma göre yaklaşık yüzde 80 azalma. Tünel duvarları ve tonoz ayakları sadece birkaç milimetre hareket etti ve genel deformasyon deseni daha düzgün ve öngörülebilir hale geldi. Kaya dökülmeleri ve çökme boşlukları önemli ölçüde azaldı, TBM ayakkabılarının taşıma kapasitesi iyileşti ve makine yeniden sıkışma olmadan sürekli ilerleyebildi. Pratik anlamda yükseltilmiş destekleme, son derece kararsız bir tünel kesitini yönetilebilir bir mühendislik sorununa dönüştürdü.

Gelecek tüneller için anlamı

Uzman olmayanlar için ana mesaj şu: fay zonlarındaki ‘‘kötü zemin’’ derin tünel projelerini raydan çıkaracak diye bir zorunluluk yok. Önce kayanın nasıl davrandığını ölçerek, sonra tünel ile dağın nasıl etkileştiğini simüle ederek ve nihayet takviyeyi bu koşullara göre özelleştirerek mühendisler tünelin deformasyonunu büyük ölçüde sınırlayabilir —yüzeyden bir kilometre derinde ezilmiş, ayrışmış kaya içinde bile. Daliangshan No. 1 Tüneli’nde kullanılan yaklaşım, benzer şekilde ayrışmış kaya ve aktif ya da eski fayların birleşimini kesmesi gereken diğer dağ tünelleri için bir yol haritası sunuyor; güvenliği artırıyor ve maliyetli TBM duruşu riskini azaltıyor.

Atıf: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Anahtar kelimeler: tünel delme makinesi, fay kırık zonu, tünel destekleme, zemin oturması, dağ tünelleri