Hoek-Brown kriterine dayalı gelişmiş gerinim yumuşaması modeline göre derin sürgü çevresi kayacının stabilitesinin sayısal simulasyonuna ilişkin araştırma

Tüneller çevresindeki zemin neden önemlidir

Madenler ve yeraltı ulaşım tünelleri giderek daha derinleşirken, bu açıklıkların çevresindeki kaya neredeyse kırılma sınırına itilmektedir. Kaya çatlamaya ve şişmeye başladığında çelik destekler bükülebilir, tüneller moloz ile dolabilir ve çalışanlar ciddi risk altında kalabilir. Bu çalışma, güvenlik ve ekonomi açısından önemli pratik bir soruyu soruyor: daha akıllı bilgisayar modelleri, kazı sonrası derin kayacın nasıl davranacağını öngörmede mühendislerin gerçeğe uygun destek sistemleri tasarlamasına yardımcı olabilir mi?

Basit kaya davranışının ötesine bakmak

Geleneksel tasarım yöntemleri genellikle kayayı, kırıldıktan sonra basitçe zayıflayan neredeyse elastik bir malzeme gibi ele alır. Oysa derin maden gözlemleri daha karmaşık bir tablo gösterir: tepe dayanımı aşıldıktan sonra kaya rijitliğini kaybedebilir, dayanımı düşebilir, çatlayabilir ve kırılmış parçaların yer değiştirmesiyle hacimce kabarabilir. Yazarlar, yaygın kullanılan bir kaya dayanım kriteri olan Hoek–Brown üzerine inşa edilmiş IMASS adındaki “gelişmiş gerinim yumuşaması” modeline odaklanıyor. IMASS, çatlatma sonrası dört temel davranışı yakalamayı amaçlıyor: kohezyon ve çekme dayanımının kaybı, kırık parçalar arasındaki sürtünmenin artışı, rijitliğin kademeli yumuşaması ve gevrek kırılmadan daha sünek, plastik benzeri akışa geçiş.

Yeni model kırılmış kayayı nasıl temsil ediyor

IMASS modeli, tünel çevresindeki bir kaya kütlesinin yaşam öyküsünü aşamalara ayırır. İlk aşama sağlam tepe dayanım durumu, kayanın hâlâ bütün olduğu dönemdir. Gerilim çok yükseldiğinde malzeme tepe sonrası aşamaya girer: çatlaklar oluşur, kohezyon azalır, ancak parçalar hâlâ kenetlenmiş ve nispeten yoğundur. Daha fazla deformasyonla sistem nihai bir duruma doğru ilerler; burada kırık parçalar yeniden düzenlenmiş, porozite yaklaşık %40’a kadar ulaşmış olabilir ve kaya bir granular yığının davranışına benzer. Model bu aşamaları jeolojik dayanım indeksi (kaya kütlesi kalitesinin bir derecesi), laboratuvar ölçümlü basınç dayanımı ve plastik kayma geriniminin birikme hızını tanımlayan bir parametre gibi ölçülebilir niceliklerle ilişkilendirir. Ayrıca elastik rijitlik ve kesme sırasında hacim genişleme eğiliminin (dilatansinin) hasarla birlikte nasıl evrildiğine izin verir.

Hangi kaya özelliklerinin daha önemli olduğunu test etmek

Bu unsurların tünel stabilitesini nasıl etkilediğini görmek için yazarlar, yerin yaklaşık 1.000 metre altında tipik yarım daire kesitli üç boyutlu bir derin sürgü sayısal modeli kurdular. Bir kerede bir grup özelliği değiştirerek sistematik simülasyonlar yaptılar. Kaya kalitesini kötüden iyiye değiştirerek kohezyon ve çekme dayanımının nasıl bozulduğunu, iç sürtünmenin nasıl arttığını ve tünel çevresindeki plastik (kalıcı deformasyonlu) zonların boyutu ile yer değiştirmelerin nasıl geliştiğini gözlemlediler. Daha sonra modül yumuşamasını açıp kapattılar, kesme dilatansinin (kayma sırasında kaya kütlesinin ne kadar kabardığı) etkisini incelediler ve malzemenin güçlü ve rijit halden tamamen yumuşamış hale ne kadar çabuk atladığını kontrol eden bir gevreklik parametresini ayarladılar. Sonuçlar, kayacın zayıf ve gevrek olduğu durumlarda yer değiştirme ve hasarın modül yumuşaması ile dilatansiye karşı çok duyarlı olduğunu, kayacın daha güçlü ve süreksiz olmadığı durumlarda ise bu duyarlılığın çok azaldığını gösteriyor.

Birçok uyarı işaretini tek bir puana birleştirmek

Tünel duvarı hareketi veya teorik bir “gevşek daire” gibi tek bir göstergeye güvenmek yerine yazarlar, birkaç ölçüyü 0 ile 1 arasında tek bir puarda birleştiren birleşik bir stabilite indeksi öneriyor. Buna plastik zonun büyüklüğü, toplam deformasyon, tepe geriliminin seviyesi ve dağılımı, kohezyonun ne kadar zayıfladığı ve dilatansinin gücü dahil ediliyor. Yapılandırılmış bir karar verme yöntemi (analitik hiyerarşi süreci) ile entropiye dayalı ağırlıklandırma düzeltmesi kullanılarak her faktöre mantıklı ağırlıklar atanıyor; plastik zonun büyüklüğü ve gerilim yoğunlaşmasına en fazla önem veriliyor. Tüm nicelikler normalize edildikten sonra tek bir indeks hesaplanıyor; bu indeks tüneli stabil, sınırda, kritik derecede kararsız veya yüksek çökme riski altında olarak sınıflandırabiliyor ve karşılık gelen destek önlemlerini yönlendiriyor.

Modelin gerçek bir madende uygulanması

Araştırma ekibi daha sonra hem gelişmiş IMASS modelini hem de daha geleneksel bir gerinim-yumuşama modelini, kaya yoğun olarak çatlaklı kumtaşı olan Çin’deki Quandian kömür madeninde derin bir yumuşak kaya sürgüsüne uyguladı. Simüle edilen yer değiştirmeleri, başarısızlık derinliklerini, gerilim desenlerini ve dilatansı saha ölçümleriyle karşılaştırdılar. Geleneksel model, sahada gözlemlenenden belirgin şekilde daha az deformasyon ve daha küçük bir başarısızlık zonu öngördü; bu da ölçülen değerden yaklaşık %162 sapma ile aşırı iyimser bir stabilite indeksi verdi. Buna karşılık IMASS simülasyonları daha büyük yer değiştirmeler, daha geniş plastik zonlar, daha güçlü dilatans ve gerçekle çok daha yakın bir eşleşme üretti; onun stabilite indeksi ölçülen değerden yalnızca yaklaşık %26 farklılık gösterdi ve sürgüyü yüksek riskli durumda doğru şekilde tanımladı.

Daha güvenli tüneller için ne anlama geliyor

Uzman olmayanlar için mesaj açık: derin tüneller çevresindeki kaya basitçe çatlayıp durmaz—yumuşar, kabarır ve kademeli olarak yeniden düzenlenir ve bu ayrıntılar güvenlik açısından önem taşır. IMASS modeli, rijitlik kaybını, dilatansı ve gevrekliğini izleyerek kazı çevresinde hasarın nasıl yayıldığına ve sistemin kararsızlığa ne kadar yakın olduğuna dair daha gerçekçi bir tablo sunar. Bu daha zengin tanım tek bir stabilite indeksinde birleştirildiğinde, mühendislerin daha güçlü veya daha ekonomik destek düzenlerini daha emin bir şekilde seçmelerini sağlar. Yazarlar gelecekteki çalışmaların dinamik yükleri, yeraltı suyunu ve zamana bağlı etkileri içermesi gerektiğini not etseler de, çalışmaları daha nüanslı sayısal modellerin öngörü ile yeraltında gerçekten olup biten arasındaki farkı önemli ölçüde daraltabileceğini gösteriyor.

Atıf: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

Anahtar kelimeler: derin sürgü stabilitesi, kaya kütlesi yumuşaması, sayısal simulasyon, yeraltı destek tasarımı, Hoek-Brown kriteri