Kumlu zemin tabakasında kalkan tünel açmada eş zamanlı enjeksiyonun üstteki mevcut tünele etkisine ilişkin deneysel çalışma

Şehirlerimizin altındaki olan biten neden önemlidir

Modern şehirler, metro, altyapı ve yollar için giderek daha fazla katmanlı yeraltı tünellerine dayanıyor. Mühendisler yeni bir tüneli eskisinin altına inşa etmek zorunda kaldığında, zeminin çökmesini önlemek için yeni yapının etrafına sıvı şap enjekte ederler. Ancak gevşek, kumlu zeminde aynı şap üstteki tünele istemeden itme uygulayabilir; bunu büküp sıkıştırarak uzun vadeli güvenliği tehlikeye atabilir. Bu çalışma, bu etkinin nasıl ve neden ortaya çıktığını ve ne kadar şapın fazla olduğunu göstermek için dikkatle ölçeklendirilmiş bir laboratuvar modelini kullanıyor.

Yeraltında küçük bir şehir inşa etmek

Bu gizli süreçleri incelemek için araştırmacılar, tane boyutları ve yoğunluğu gerçek metro koşullarını taklit eden kumla doldurulmuş büyük bir zemin kutusu inşa ettiler. İçine, bir "mevcut" dairesel tünelin çelik bir modeli ve onun altında kalkan makinesiyle yeni kazılan tüneli temsil eden ikinci bir tünel yerleştirildi. Tüm düzenek gerçek boyutun onda biri ölçeğinde kuruldu; bu, hassas kontrol sağlarken gerçekçi davranışı yakalamaya imkan verdi. Tünel açmanın her adımını aynı anda simüle etmek yerine aşamalar ayrıldı: kazı daha önceki çalışmalarda modellenmişti ve bu çalışma yalnızca yeni tünel parçaları yerleştirilirken kalkan arkasında gerçekleşen şap enjeksiyonuna odaklandı.

Şapın nasıl enjekte edildiği ve ölçüldüğü

Gerçek projelerde, şap sıvısı kalkan kuyruğunun arkasındaki dar boşluğa pompalanarak hattın ve zemin arasındaki boşluk doldurulur. Ekip bunu özel bir kalkan kuyruğu, sızdırmaz fırçalar ve pompaya bağlı enjeksiyon boruları ile yeniden yarattı. İki temel parametre değiştirildi: şap karışımının su içeriği ve enjeksiyonun, doldurulması kesinlikle gereken hacme oranı olarak tanımlanan şap dolum oranı. Kuma gömülü küçük sensörler üst tünelin çevresindeki zemindeki basınç değişimini ölçtü. O tünelin içinde ise çakışan çelik cetveller, lazerler ve kameralar çap ve eğilmede meydana gelen küçük değişiklikleri izleyerek şap ilerledikçe yapının nasıl esnediğini tam olarak görmeyi sağladı.

Üst tüneldeki gizli itmeler ve eğilmeler

Ölçümler şapın eşit şekilde davranmadığını gösterdi. Şaplı bölge mevcut tünelin altına doğru hareket ederken kumda basınç keskin biçimde arttı, özellikle tünelin ortasının hemen altında. Üst tünelin tabanı en büyük artışı gördü, yanlar ise az değişti ve üst kısım sadece mütevazı ölçüde etkilendi. Şap dolum oranı yüksek olduğunda, tünel tabanındaki yukarı doğru itme, daha mütevazı bir miktarın kullanıldığı duruma göre yaklaşık bir buçuk kat daha fazlaydı. Bu düzensiz yükleme, üst tünelin şap hattı üzerinde yukarı doğru yaylanmasına neden oldu; taban üstten daha fazla kalktı. Aynı zamanda tünelin kesiti şekil değiştirdi: dikey çapı küçülürken yatay çapı büyüdü ve daire yumuşak bir yana yatmış oval şekle dönüştü.

Daha fazla şap ne zaman sorun olur

Bu deformasyonlar önemlidir çünkü tüneller dairesel halkaları boyunca kuvvetleri eşit paylaşacak şekilde tasarlanır. Alt şişkinleştiğinde ve kesit eliptik hale geldiğinde, bazı hattın bölümleri diğerlerine göre çok daha fazla gerilim taşır. Çalışma, kumlu zeminde büyük bir şap dolum oranı (sıkı boşluk hacminin yaklaşık 1,6 katı civarı) kullanmanın, üstteki tünelde anlamlı yukarı hareket ve ovalleşmeye yol açabileceğini gösteriyor. Tünel altındaki şap sertleşip biraz küçüldüğünde bir miktar yükselme geri döndü, ancak ekstra eğilme dönemi yine de yapıyı zorlamış olurdu. Zaman içinde bu tür değişimler çatlakları, ek yerlerinin açılmasını, cıvata hasarını ve sızıntıları teşvik edebilir.

Daha güvenli tüneller için pratik dersler

Uzman olmayan biri için mesaj basit: kumlu zeminde eski bir tünelin altına yeni bir tünel kazarken, çok fazla destekleyici şap, çok azı kadar sorunlu olabilir. Deneyler şap dolum oranını yaklaşık 1,6'nın altında tutmanın ve bunu gerçek zamanlı izlemeye göre ayarlamanın mevcut tünelin aşırı kalkmasını ve deformasyonunu önlemeye yardımcı olduğunu öne sürüyor. Bu görünmez yeraltı kuvvetlerini daha iyi anlayarak mühendisler tasarımlarını ve inşaat kontrollerini iyileştirebilir; böylece zaten milyonlarca yolcu taşıyan tünelleri korurken, büyüyen şehirlerimizin gerektirdiği yenilerini ekleyebilirler.

Atıf: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Anahtar kelimeler: kalkan tünel açma, eş zamanlı şap enjeksiyonu, metro tünelleri, kumlu zemin, tünel deformasyonu