Kil tabaka sızıntı etkileri göz önünde bulundurularak kalkan tünel yapımında segment yükselmesinin analizi

Kentin yaşamı için tünel yükselmesi neden önemli

Modern kentler trafik yükünü hafifletmek ve yüzeyde alan açmak için giderek daha fazla yeraltı demiryolu hatlarına güveniyor. Ancak binaların altına uzun tüneller kazmak risksiz değil. Devasa bir kalkan makinesiyle tünel açılırken, tüneli döşeyen beton segment halkaları bazen beklenenden fazla yükselir ya da "uplift" yapar. Aşırı yükselme, döşemede çatlaklara, su sızmasına ve hatta üzerindeki zemin ve yapılar üzerinde bozulmalara yol açabilir. Bu çalışma, enjeksiyon groutu ile doğal yeraltı suyunun karışımının tünel yükselmesine nasıl neden olduğunu ayrıntılı biçimde inceliyor; örnek olay olarak Çin’deki Dalian Metrosu’nun gerçek bir kesiti kullanıldı.

Sokakların altına daha yakından bakış

Araştırmacılar, yeraltı suyu içeren tabakalı dolgu, kil ve çakıllı zeminlerden oluşan kentsel zeminin altından geçen bir tünel kesitine odaklandı. Kalkan makinesi ilerledikçe, dairesel beton döşeme ile çevreleyen zemin arasında küçük bir boşluk kalır. Bu boşluk, zemini desteklemek ve tüneli stabilize etmek için hemen akışkan bir grout ile doldurulur. Grout zeminden daha hafif ve akışkanken ve zemin su taşıyorken, döşeme grout basıncı ve su basıncının birleşimiyle yukarı doğru itilme riski taşır. Önceki çalışmalar genellikle bu etkiyi basitleştirilmiş biçimde ele aldı ve grout enjekte edilirken ve sertleşirken suyun zeminde nasıl hareket ettiğini tam olarak hesaba katmadı.

Bilgisayarda sanal bir tünel inşa etmek

Bu süreçleri çözümlemek için ekip, tüneli, groutu ve çevreleyen zemini üç boyutlu bir bilgisayar modelinde kurdu. Model gerçek jeolojik tabakaları taklit etti ve suyun iyi bilinen akış yasalarına göre zeminden sızmasına izin verdi. Ayrıca kalkan makinesinin adım adım ilerleyişini yeniden üretti: zemini kazma, tünel yüzünü destekleme, her segment halkasının yerleştirilmesi ve çevresine grout enjeksiyonu. Groutun taze pompalanmış akışkan halden sertleşmiş malzemeye dönüştükçe değişen farklı sertlik düzeyleri atandı. Model, yüzey izleme noktalarıyla ve makinenin ilerleyişi sırasında döşemeyi izleyen lazer tabanlı yönlendirme sistemiyle alınan dikkatli saha ölçümleriyle karşılaştırılarak doğrulandı.

Su ve groutun tüneli kaldırmak için nasıl işbirliği yaptığı

Simülasyonlar, grout enjekte edilirken ve makine ilerlerken döşeme çevresindeki su basıncının keskin şekilde değiştiğini gösterdi. Por suyu basıncındaki en büyük dalgalanmalar döşemenin tabanında meydana gelirken, yanlarda daha zayıf, üstte ise en küçük değişiklikler görüldü. Yükselme benzer bir düzen izledi: tünelin tabanı (invert) en fazla yükseldi, yanlar biraz daha az, tepe (kron) ise en az yükseldi. Toplam yükselmenin çoğu, kalkan kuyruğunun hemen arkasındaki ilk beş halka içinde gerçekleşti; bu faz, grout hâlâ çok akışkan ve basıncı yüksek olduğunda ortaya çıktı. Grout sertleşmeye ve zemin gerilmeleri yeniden düzenlenmeye başladıkça yükselme hızı yavaşladı ve nihayetinde dengeye ulaştı. Yeraltı suyu sızması dahil edildiğinde, nihai yükselme belirgin şekilde daha büyüktü—modelde toplam yükselmenin yaklaşık beşte biri yalnızca grout basıncından değil, grout ile birlikte hareket eden sızıntıdan kaynaklanıyordu.

Hangi yapım tercihleri yükselmeyi kötüleştiriyor

Doğrulanmış modeli kullanarak yazarlar, diğer koşullar benzerken ana faktörleri değiştirdiler. Daha derin tüneller daha fazla yükselme yaşadı; bunun başlıca nedeni, derinlikle birlikte yeraltı suyu basıncının artması ve groutu genişleterek döşemeyi kaldırmaya yardımcı olmasıydı. Daha yüksek grout basınçları da daha güçlü yükselme üretti, ancak bu etkinin derinliğin etkisinden daha küçük olduğu görüldü. Önemli bir başka faktör de groutun ne kadar hızlı ve makineye ne kadar yakın sertleşmeye başladığıydı. İlk sertleşme noktası kalkanın gerisinde daha uzak bir yerde olursa, grout döşeme çevresinde daha uzun süre akışkan kaldı ve yükselmenin gelişmesi için daha fazla zaman tanıdı. Çalışma bu eğilimleri gömülme derinliği, enjeksiyon basıncı ve tünel yüzünden olan mesafe ile yükselme arasındaki ilişkileri veren basit ampirik formüllerde birleştirerek mühendislerin benzer zemin koşullarında yükselmeyi pratik şekilde tahmin etmelerine olanak sağladı.

Daha güvenli yeraltı yolculukları için çıkarımlar

Uzman olmayanlar için ana mesaj şudur: tünel yükselmesi yalnızca mühendislerin groutu ne kadar sert pompaladığı meselesi değildir—aynı zamanda yeraltı suyunun zeminde nasıl hareket ettiği ve groutun ne kadar hızlı sertleştiği konusunda da güçlü bir bağımlılığı vardır. Grout basıncı ile su sızıntısının birlikte etkisini yakalayarak ve sonuçları gerçek dünya ölçümleriyle karşılaştırarak, bu çalışma inşaat sırasında tünel döşemelerinin ne zaman ve nasıl yükseldiğine dair daha gerçekçi bir tablo sunuyor. Bulgular, tasarımcıların daha güvenli gömülme derinlikleri, enjeksiyon basınçları ve grout formülasyonları seçmesine yardımcı olabilir; böylece yeni metro hatları kentlerimizin altına inşa edilirken çatlak, sızıntı ve yüzey kabarması riskleri azaltılabilir.

Atıf: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Anahtar kelimeler: kalkan tünel yükselmesi, yeraltı suyu sızması, eş zamanlı enjeksiyon, metro tüneli inşaatı, sayısal modelleme