Ters doğrultu kırıkları geçen tünellerin tekdüze olmayan sismik girdiler altındaki mekanik tepki analizi

Depremlerde yeraltı güzergâhlarının önemi

Şehirler ve ülkeler karayolu ve demiryolu hatlarını dağların içinden geçirmek için daha uzun tüneller inşa ettikçe, bu gömülü güzergâhların daha fazlası aktif fayları kesmek zorunda kalıyor. Zemin bir deprem sırasında kaydığında, tünel çevresindeki kaya eşit olmayan şekilde hareket edebilir ve geçidi açık tutan beton kabuğu ezerek veya yırtarak zarar verebilir. Bu çalışma, ters doğrultulu bir fayın deprem sırasında hareket etmesi halinde fayı kesen tünellerin nasıl davrandığını ve bu yapıları kullanan insanların güvenliğini artırabilecek tasarım tercihlerini inceliyor.

Gerçek bir dağ tüneli üzerine kurulu deney

Araştırma, Çin’in Tianshan Dağları’ndaki büyük bir projeye dayanıyor: Tianshan Shengli Tüneli, birkaç aktif fayı kestiği ve yüksek yerinde kaya gerilmelerinin olduğu bir bölgede 22 kilometreden uzun ikiz karayolu tüneli. Çin ve Japonya’daki geçmiş depremler, fayları kesen tünellerin fay kaymasıyla kubbe çöküşleri, taban yükselmesi, geniş çatlaklar ve bozulmuş kaplamalar yaşayabildiğini göstermiştir. Bu tür hasarları anlamak ve önlemek için yazarlar, sağlam kayayı, daha zayıf fay zonunu ve beton tahkimatı içeren, tünel güzergahtaki kilit faylardan birine uyan ayrıntılı bir üç boyutlu bilgisayar modeli oluşturdular.

Zeminin eşitsiz sarsılması

Çoğu önceki çalışma, bir depremin bir tünelin altındaki zemini her yerde aynı şekilde salladığını varsaydı. Gerçekte ise fayın yukarı hareket eden tarafı (asılı duvar) daha alçak tarafına (ayak duvarı) kıyasla farklı hareketler ve kalıcı yer değiştirmeler yaşayabilir. Burada araştırmacılar, büyük bir Kaliforniya deprem kayıtlarına dayanan ikili sentetik sismik dalgalar yarattılar. Bir dalga, zeminin fay tarafından sürüklenmesini taklit etmek için kalıcı bir yama içerirken, diğeri böyle bir yer değiştirme içermiyordu. Kalıcı yer değiştirme içeren hareket asılı duvara, daha basit hareket ayak duvara uygulandı; bu sayede model, fay düzleminin yavaş ama büyük kayması ile fayın her iki yanındaki farklı girdilerin nasıl birleştiğini yakalayabildi.

Tünelin neresi ve nasıl zarar görüyor

Simülasyonlar, hasarın fay çekirdeğinin içinde ve yakınında—fay zonunun en parçalanmış dar bölgesinde—yoğunduğunu ve özellikle tünel duvarının çatıya geçiş yaptığı kavisli omuzlar olan haunch bölgelerinde yoğunlaştığını gösteriyor. Fay kayması arttıkça, beton tahkimattaki bir hasar ölçütü hızla geniş, geçiş yapan çatlaklar ve hatta ezilme ile ilişkilendirilen seviyelere yaklaşıyor. Bu yüksek hasar bölgeleri fay çekirdeğinden çevre kayanın içine doğru yayılıyor ve ters fayda daha güçlü sıkışma ve kayma yaşandığı için asılı duvar tarafında tutarlı olarak daha kötü oluyor. Deformasyon desenleri, özellikle haunchlarda tünel kesitinin çevresi boyunca gerilip sıkıştırıldığını, oysa tünelin ekseni boyunca boyuna deformasyonun tipik koşullar altında nispeten ılımlı kaldığını ortaya koyuyor.

Fay genişliği ve eğiminin rolü

Takım ayrıca fay zonunun kalınlığının ve fay düzleminin eğiminin hasarı nasıl etkilediğini inceledi. Fay zonunun daha geniş olması—fay kayasının çevre kayağa göre daha yüksek göreli rijitlik oranıyla temsil edildiğinde—deformasyonu daha nazikçe yayar ve kaya kütlesi ile tahkimatın birlikte hareket etmesini iyileştirir. Bu, tahkimattaki zirve hasarı yaklaşık yüzde 45’e kadar azaltırken, fay çekirdeği içindeki tahkimatın hâlâ ciddi çatlaklar yaşadığı görüldü. Fay eğimini değiştirmek eşik etkisi üretiyor: Fay ılımlı eğimdeyken (yaklaşık 60 dereceye kadar) genel hasar desenleri fazla değişmiyor. Ancak daha dik eğimlerde, fay çekirdeğindeki hasar azalırken fay ile asılı duvar arasındaki arayüzdeki hasar artıyor ve eksenel gerilmeler—tüneli boyu boyunca gerip sıkıştıran bileşenler—kesitin birkaç kilit bölümünde yükseliyor.

Daha güvenli tüneller için tasarım dersleri

Mühendisler için çalışmanın ana mesajı, fay kaymasının miktarının tünel hasarının baskın belirleyicisi olduğudur; bu, fay genişliği veya eğiminden daha önemlidir. Haunch bölgeleri en savunmasız olarak öne çıkıyor ve dolayısıyla güçlendirme için en önemli hedefler oluyor. Yazarlar, kazı öncesinde küçük borular ve derin enjeksiyonla kayanın önceden güçlendirilmesi, haunchlarda yerel olarak tahkimatın kalınlaştırılması ve gerilmenin yoğunlaştığı yerlere daha fazla çelik eklenmesi gibi önlemler öneriyor. Model bazı yapım ayrıntılarını basitleştiriyor olsa da, sonuçları—fay hareketiyle etkilenmiş yakın tarihli bir Çin tünelindeki gerçek hasarla karşılaştırılarak kontrol edilmiş—gelecekteki depremlerde daha iyi ayakta kalacak ve kritik ulaşım bağlantılarını gerektiğinde açık tutacak fayı kesen tünellerin tasarımına pratik rehberlik sunuyor.

Atıf: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

Anahtar kelimeler: tünel deprem hasarı, ters fay tünel açımı, sismik tünel tasarımı, fayı geçen altyapı, yeraltı sismik tepkisi