Tünel ağzı anti-eğim şevlerinde çerçeve kirişlerle güçlendirilmiş çevre kayacının sismik hasar evrimi ve dinamik özellikleri

Neden tünel girişleri büyük depremlerde önem taşır

Büyük bir deprem meydana geldiğinde, genellikle yıkılmış binaları ve kopmuş köprüleri hayal ederiz. Oysa dağ tünelleri — engebeli arazide karayolları ve demiryolları taşıyan yapılar — iç kısımda şaşırtıcı derecede az hasarla ayakta kalabilir. Zayıf halka, yeraltı yapılarının dik kaya şevleriyle buluştuğu tünel girişidir. Bu çalışma altyapı güvenliği açısından büyük öneme sahip pratik bir soruyu ele alır: deprem hasarı neden ve nasıl, tabakalı ve kararsız kaya şevlerine oyulmuş tünel portalları çevresinde yoğunlaşır ve mühendisler bunları daha iyi korumak için neler yapabilir?

Laboratuvarda küçük bir dağı sallamak

Bunu incelemek için araştırmacılar Çin’in Nujiang Nehri boyunca gerçek bir tünel ağzının büyük, ölçeklenmiş bir modelini inşa ettiler. Tünelin üzerindeki yamaç, eğik ve yüzeyden uzaklaşan katmanlardan oluşan, sarsıntıda devrilmeye yatkın olduğu bilinen anti-eğim kaya tabakalarından yapıldı. Model şev, gerçek otoyol ve demiryolu uygulamalarında kullanılanlara benzer şekilde çerçeve kirişlerle, çelik kablolar ve çubuklarla ankrajlanarak güçlendirildi. Tüm model, Kobe, El Centro ve Wenchuan gibi geçmiş depremler sırasında kaydedilmiş gerçekçi deprem hareketlerine maruz bırakılabildiği üç doğrultulu bir sarsma tablası tesisine monte edildi.

Şevin ve tünelin depreme tepkisi nasıl oldu

Araştırma ekibi simüle edilen sarsıntıyı artırırken, şev boyunca ve tünel astarı çevresinde ivme, gerinim, toprak basıncı ve yer değiştirmeleri dikkatle ölçtü. Güçlendirici çerçeve kirişler bir anlamda görevlerini yaptı: şevin dramatik, tam ölçekli bir devrilme ile çökmesini önlediler. Ancak şev yüzeyi yine de yoğun dökülme (spalling) yaşadı, şev başı aşağı doğru yer değiştirdi ve kaya sütunları açık yüzeye doğru güçlü şekilde eğildi. Ulaşım güvenliği açısından en kritik olanı, tünel girişi ciddi şekilde etkilendi. Sarsıntı düzeyi yerçekimi kuvvetine (1.0–1.2 g) yaklaştığında, tünel astarının alt kısmında ve astar segmentleri arasındaki derzlerde çatlaklar oluştu ve zamanla tünel tabanında (tünel halkasının zıt yayı) boyunca geçen bir tam kırığa dönüştü.

Hangi bölgede sarsıntı en güçlü olur ve neden portal zarar görür

Ölçümler, sarsıntının şevin her yerini eşit etkilemediğini gösterdi. Dalgalar şev başına tırmandıkça ivmeler amplifiye oldu ve yüzeye yakın yerlerde en güçlüydü; bu, hem "yükseklik" hem de "yüzey" etkilerinin birleşimiydi. Düşey sarsıntı altında, tünel portalı gelen dalgaların astar ve eğimli kaya tabakaları etrafında yansıtıldığı ve büküldüğü bir sıcak nokta haline gelerek karmaşık bir kuvvetlendirilmiş hareket deseni yarattı. Tünel boyunca, girişe yakın sığ örtülenen bölüm daha derindeki bölümden çok daha şiddetli sallandı. Tünelin üstündeki ve altındaki kayalar arasındaki hareket farkı portal yakınında büyük hale geldi; bu, astarı ve çevreleyen kayayı zorlayarak hasarın dağın daha iç kısmından ziyade orada yoğunlaşmasını açıklamaya yardımcı oldu.

Kaya özellikleri ve dalga enerjisi aracılığıyla gizli hasarı izlemek

Yüzey gözlemlerinin ötesine geçebilmek için ekip, kaya kütlesinin mekanik özelliklerinin sarsıntı ile nasıl değiştiğini takip etti. Gerinim ile kayanın iki ana dinamik parametresi — kayma rijitliği ve enerjiyi sönümleme (damping) yeteneği — arasındaki yerleşik ilişkileri kullandılar. Sarsıntı güçlendikçe, kayanın rijitliği düştü ve damping arttı; bu değişimler özellikle tünel astarının hemen altındaki kayada belirgindi. Bu değişimlerin haritalandırılması, önce girişte astarın alt kısmı yakınında hasar zonlarının oluştuğunu, sonra giriş hareketi arttıkça tünel boyunca derinlere doğru yayıldığını gösterdi. Ekip ayrıca Hilbert–Huang dönüşümü adı verilen bir zaman‑frekans aracını uygulayarak deprem enerjisinin farklı frekanslara nasıl dağıldığını inceledi. Düşey sarsıntı altında, 9–12 Hz aralığındaki düşük frekans bileşenlerinin portal yakınındaki kaya ve astarı hasarlamada özellikle önemli olduğunu buldular. Astar çatlamaya başladığında, bu banttaki dalga enerjisinin tünel altındaki kayada belirgin şekilde zayıfladığı gözlendi; bu, sismik sinyallerin dikkatli izlenmesiyle hasarın tespit edilebileceğine dair olası bir yol sunar.

Bu, daha güvenli tüneller için ne anlama geliyor

Uzman olmayanlar için çıkarım açıktır: dik, tabakalı kayadaki tünel portalları, yeraltı tünelinin küçük bir kopyası değildir — yamaç hareketi, dalga odaklanması ve yapısal detayların birleşmesiyle deprem hasarını büyüten özel zayıf noktalardır. Bu çalışma, görünür destekler şevin çökmesini engellese bile, kayada ve tünel astarında özellikle alt yayı civarında gözle görülmeyen hasarın birikebileceğini gösteriyor. Yazarlar, mühendislerin ters yayı (astarin tabanı) ve altındaki kayayı güçlendirmesi ve tünel girişlerini tasarlarken ve değerlendirirken düşey, düşük frekanslı sarsıntıya özel önem vermesi gerektiği sonucuna varıyor. Deprem sırasında enerjinin nerede ve nasıl yoğunlaştığını daha iyi anlamak, daha akıllı takviye ve izleme uygulamalarını yönlendirerek, kritik tünellerin gerektiğinde açık kalmasına yardımcı olabilir.

Atıf: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

Anahtar kelimeler: tünel ağzı, deprem hasarı, kaya şev, sismik titreşim, yeraltı altyapısı