Tünel Destekleme Sistemi Ön Tasarımı — NATM

1. Giriş

NATM (Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi), 1958–1963 yılları arasında Ladislaus von Rabcewicz tarafından geliştirilen ve zemin/kayanın kendi taşıma kapasitesini kullanan bir tünel tasarım felsefesidir. Türkiye'de KGM ve TCDD tünel şartnameleri NATM prensiplerini esas almakta olup Ovit (14 km), Zigana ve Bolu Dağı tünelleri dahil 847 km'nin üzerinde NATM ile inşa edilmiş tünel bulunmaktadır.

Temel ilkeler:

1. Zemin/kaya arşivi: Kazı sonrası kaya kütlesi kendi kendini destekler; destek sistemi bu kapasiteyi güçlendirir.
2. Gözlemsel yöntem: Konverjans ve oturma izleme verileri tasarımı gerçek zamanlı günceller (TS EN 1997-1:2012 Bölüm 4).
3. Minimum süreksizlik: Kontrollü ateşleme (smooth blasting) ile kaya bütünlüğü korunur.
4. Erken destek: Shotcrete ve kaya cıvataları kazıyı takip eder; açık kaya yüzeyi 3–4 saat içinde kapatılır.
5. Halka kapatma: İnvert ivedilikle betonlanarak destek ringinin bütünlüğü sağlanır.

Saha notu: Türkiye'de Zigana (8,5 km) ve Ovit (14 km, dünyanın 3. uzun çift tüplü karayolu tüneli) tünellerinde granitik ve volkano-tortul kayalarda (dasit, andezit, bazalt) yüksek SRF nedeniyle HEB 180 çelik kemer kullanımı yaygınlaşmıştır.

Önemli uyarı: 6331 sayılı İş Sağlığı ve Güvenliği Kanunu Madde 4 ve Yapı İşlerinde İSG Yönetmeliği (RG: 05.10.2013/28786) EK-4 Madde 67 uyarınca tünel ve yeraltı kazıları yetkili teknik gözetim gerektirir.

2. Kaya Kütlesi Sınıflandırması — Destek Seçimi

2.1 Q Sistemi (Barton et al., 1974)

Q değeri altı parametre ile hesaplanır:

$Q = \frac{RQD}{J_n} \times \frac{J_r}{J_a} \times \frac{J_w}{SRF}$

Tablo 1: Q Sistemi (Barton et al., 1974)

Eşdeğer boyut (ESR ile normalize edilmiş):

$D_e = \frac{\text{Tünel genişliği veya çapı (m)}}{ESR}$

ESR değerleri (Barton et al., 1974; Barton, 2002):

Tablo 2: Q Sistemi (Barton et al., 1974)

Q değerine göre destek gereklilikleri:

Tablo 3: Q Sistemi (Barton et al., 1974)

2.2 RMR Sistemi (Bieniawski, 1989)

RMR; tek eksenli basınç dayanımı (0–15 p), RQD (3–20 p), eklem aralığı (5–20 p), eklem koşulu (0–30 p), yeraltı suyu (0–15 p) olmak üzere beş parametreden oluşur. Süreksizlik yönelimi düzeltmesi –12 ile 0 puan arasındadır.

RMR bazlı destek önerileri (at nalı kesit, genişlik 10 m):

Tablo 4: RMR Sistemi (Bieniawski, 1989)

Önemli: Türkiye'de kireçtaşı, marn ve andezit ağırlıklı tünel güzergahlarında RMR ve Q sistemleri genellikle tutarlı sonuç vermektedir. Sistematik tutarsızlık durumunda TS EN 1997-1:2012 Madde 2.4.6.1 gereğince daha ağır destek sistemine göre tasarım yapılır.

KGM şartname notu: KGM Teknik Şartnamesi 2013 Bölüm 7 ve TCDD Teknik Şartnamesi 2015'e göre tünel sondajları kırmızı kotun en az 20 m altına indirilmeli ve tamamı karotlu olmalıdır.

3. Shotcrete Tasarımı

3.1 Kalınlık Hesabı (Q Sisteminden)

$t_{sc} = 0{,}2 + 0{,}035 \cdot \frac{D_e}{Q^{0{,}4}} \quad \text{(m)}$

Kaynak: Barton (2002) Q-System update; uygulama standardı: TS 11747 "Püskürtme Beton Yapım, Uygulama ve Bakım Kuralları".

Pratik sınırlar:

• Geçici destek: $t_{sc,min} = 50$ mm
• Kalıcı yapılar: $t_{sc,min} = 100$ mm (EN 14487-1:2005 Madde 5.2)

3.2 Shotcrete Dayanım Sınıfları

Basınç dayanımı (TS EN 14487-1:2005):

Tablo 5: Shotcrete Dayanım Sınıfları

Erken dayanım gereklilikleri (EN 14487-1:2005 Madde 5.3.2):

• C1 sınıfı: 1 saat sonra ≥ 0,5 MPa
• C2 sınıfı: 24 saat sonra ≥ 8 MPa

Eğilme dayanımı (fiber takviyeli shotcrete, EN 14487-2:2005):

$f_{Rk1} \geq 2{,}0 \text{ MPa}$

Saha notu: Türkiye'de çoğunlukla ıslak karışım (wet-mix) yöntemi tercih edilir. Çimento miktarı 350–450 kg/m³, su/çimento ≤ 0,45 olmalıdır. Soğuk havada (+5°C altında) kür koruması zorunludur.

4. Kaya Bulon Tasarımı

4.1 Bulon Uzunluğu

$L_b = 0{,}5 + \frac{D}{4} + \frac{z}{20}$

Minimum: $L_b \geq 2{,}0$ m (TS EN 1537:2013 Madde 7.4)

4.2 Bulon Çekme Kapasitesi

Reçineli bulonlar:

• Φ25 mm çubuk (S500): $T_{ult} = 180–200$ kN
• Φ32 mm çubuk: $T_{ult} = 280–300$ kN

Net tasarım kapasitesi (TS EN 1537:2013 Madde 8):

$T_d = \frac{T_{ult}}{FS_{bulon}} = \frac{T_{ult}}{1{,}5}$

4.3 Bulon Aralığı ve Deseni

Pratik kural: $S_b \leq L_b/2$ ve $S_b \leq 2{,}0$ m

Tablo 6: Bulon Aralığı ve Deseni

Saha notu: Türkiye metro tünellerinde (İstanbul, Ankara, İzmir) split set bolt (mekanik tutturmalı) kullanımı yaygınlaşmıştır. Bulon plakaları (150×150×8 mm çelik plaka) ve somunları öngörülen tork ile sıkılmalı; aksi halde serbest uzunlukta etkinlik kaybı oluşur.

5. Konverjans-Confinement Yöntemi

5.1 Zemin Reaksiyon Eğrisi (GRC)

İç basıncın azalmasıyla radyal deformasyon artar.

Elastik bölge ($p_i > p_{cr}$):

$u_r^{el} = \frac{p_0 \cdot r}{2G}(1 - 2\nu) \left(1 - \frac{p_i}{p_0}\right)$

Kritik iç basınç (plastik bölge başlangıcı):

$p_{cr} = p_0 - \frac{2c\cos\phi + 2p_0\sin\phi}{1 + \sin\phi}$

Kaynak: Panet & Guenot (1982); Carranza-Torres & Fairhurst (2000).

5.2 Ön Deformasyon Katsayısı

Tünel yüzü yakınında oluşan ön sıkışma:

$u_r^0 = \lambda_d \cdot u_r^{el,max}$

Burada $\lambda_d \approx 0{,}25–0{,}30$ (Panet, 1995). GRC hesabına dahil edilmezse destek kapasitesi aşılabilir.

5.3 Destek Karakteristik Eğrisi (SRC)

Shotcrete astarda elastik rijitlik:

$k_{sc} = \frac{E_{sc} \cdot t_{sc}}{r^2(1-\nu_{sc}^2)}$

Shotcrete maksimum taşıma basıncı:

$p_{max,sc} = \frac{f_{ck}}{2} \left[1 - \left(\frac{r - t_{sc}}{r}\right)^2\right]$

Kaya bulonu katkısı:

$p_{bolt} = \frac{T_d}{S_b^2}$

Denge koşulu: $p_{total} = p_{max,sc} + p_{bolt} \geq p_{cr}$ (TS EN 1997-1:2012 Madde 2.4.6.4)

Uzunlamasına deformasyon profili:

$\frac{u_r(x)}{u_r^{max}} = 1 - \left(\frac{0{,}84 r}{0{,}84 r + x}\right)^2$

Burada $x$ = tünel yüzünden uzaklık (m).

6. Ön Cephe Destekleri

6.1 Şemsiye Enjeksiyonu (Pipe Roof Umbrella)

Zayıf/parçalı kaya, kil veya su taşıyan formasyon için kazı cephesi önünde ön destekleme sistemi. İzmir Metrosu 2. Aşama ve İstanbul metro çalışmalarında yaygın biçimde uygulanmıştır.

Teknik özellikler:

• Çelik borular: Φ 76–140 mm, kalınlık 6–12 mm, uzunluk 12–20 m
• Boru aralığı: 20–40 cm (merkez-merkez)
• Örtüşme: ardışık ringler arası en az 3 m
• Enjeksiyon: çimento grouting (su/çimento 0,5–0,7) veya poliüretan

Boru üzerindeki basitleştirilmiş hat yükü:

$w = \gamma_{kaya} \cdot H \cdot S_{boru}$

Burada $H$ = örtü yüksekliği (m), $S_{boru}$ = boru aralığı (m).

6.2 Kazı Cephesi Destekleme (Face Bolts)

$F_{face} = \pi r^2 \cdot p_{face} \quad \text{(kN)}$

Gerekli yüzey bulonu yoğunluğu: $q_f = 1–3$ adet/m² (çok kötü kaya, Q < 0,5).

7. Tünel İzleme (Monitoring)

7.1 İzleme Yükümlülüğü

TS EN 1997-1:2012 Madde 4 kapsamında NATM tünellerinde saha izleme zorunludur. İzleme planı ölçüm sıklığını, alarm eşiklerini ve acil eylem protokolünü içermelidir.

7.2 İzleme Parametreleri

Tablo 7: İzleme Parametreleri

Kalıcı kaplama kriteri: KGM Teknik Şartnamesi (2013) Bölüm 7'de aylık konverjans ≤ 4 mm şartı aranmaktadır.

8. Çelik Kemer Tasarımı

Türkiye tünel şantiyelerinde IPN ve HEB profiller EN 10025 (TS EN 10025) S235JR veya S275JR çeliğinden üretilir.

Tablo 8: Çelik Kemer Tasarımı

Saha notu: Çelik kemer ve shotcrete arasındaki boşluklar doldurulmalıdır; aksi takdirde shotcrete kemere yük aktaramaz. Boşluk dolgusu için şişirme beton (stiffened shotcrete) uygulaması KGM şantiyelerinde standart pratiğe girmiştir.

9. Türkiye Jeolojik Koşulları ve Mevzuat

9.1 Başlıca Jeolojik Birimler

Tablo 9: Başlıca Jeolojik Birimler

9.2 Yürürlükteki Mevzuat

Tablo 10: Yürürlükteki Mevzuat

10. Örnek Problemler

Problem 1 — Kireçtaşı Yol Tüneli (H=8 m, RMR=68)

Veriler:

• Tünel çapı: $D = 8$ m, yol tüneli (ESR = 1,0)
• Kaya: sağlam kireçtaşı, RMR = 68 (Sınıf II — İyi Kaya), $Q \approx 12$
• Örtü yüksekliği: $z = 80$ m

İstenen: Q sistemine göre shotcrete kalınlığı.

Çözüm:

$D_e = \frac{D}{ESR} = \frac{8{,}0}{1{,}0} = 8{,}0 \text{ m}$

$Q^{0{,}4} = 12^{0{,}4} = e^{0{,}4 \times \ln 12} = e^{0{,}4 \times 2{,}485} = e^{0{,}994} = 2{,}702$

$t_{sc} = 0{,}2 + 0{,}035 \times \frac{8{,}0}{2{,}702} = 0{,}2 + 0{,}035 \times 2{,}96 = 0{,}304 \text{ m}$

Bu değer RMR Sınıf II önerisini (50 mm) aşmaktadır. TS EN 1997-1:2012 Madde 2.4.6.1 gereği daha ağır sistem esas alınır.

Sonuç: $t_{sc} = 100$ mm fiber shotcrete (C25/30) seçilir. Q = 12 > 10 (İyi kaya) ve RMR = 68 (İyi kaya) tutarlı; 50–100 mm aralığı mantıksal.

Kontrol: $Q = 12$, $D_e = 8$ → Barton grafiğinden fiber shotcrete 50–100 mm bölgesi ✓

Problem 2 — Suruç Sulama Tüneli (D=7,9 m, Marn)

Veriler:

• Tünel çapı: $D = 7{,}9$ m (sulama tüneli, ESR = 1,2)
• RMR = 40 (Sınıf III–IV — Orta–Kötü, marn birim)
• $RQD = 60$, $J_n = 9$, $J_r = 1{,}5$, $J_a = 2{,}0$, $J_w = 0{,}66$, $SRF = 1{,}0$
• Derinlik: $z = 120$ m

İstenen: Q değeri, $D_e$, $t_{sc}$ ve $L_b$.

Çözüm:

$Q = \frac{60}{9} \times \frac{1{,}5}{2{,}0} \times \frac{0{,}66}{1{,}0} = 6{,}67 \times 0{,}75 \times 0{,}66 = 3{,}30$

$D_e = \frac{7{,}9}{1{,}2} = 6{,}58 \text{ m}$

$3{,}30^{0{,}4} = 1{,}627$

$t_{sc} = 0{,}2 + 0{,}035 \times \frac{6{,}58}{1{,}627} = 0{,}2 + 0{,}141 = 0{,}341 \text{ m} \rightarrow t_{sc} = 150 \text{ mm}$

$L_b = 0{,}5 + \frac{7{,}9}{4} + \frac{120}{20} = 0{,}5 + 1{,}975 + 6{,}0 = 8{,}475 \text{ m} \rightarrow L_b = 9{,}0 \text{ m}$

Bulon çekme kapasitesi (Φ25 mm):

$T_d = \frac{190}{1{,}5} = 127 \text{ kN}$

Bulon aralığı: $S_b \leq L_b/2 = 4{,}5$ m → seç $S_b = 1{,}5$ m.

Sonuç: Shotcrete 150 mm fiber (C25/30) + Φ25 mm × 9,0 m @ 1,5 m × 1,5 m + hafif çelik kemer (IPN 140) gerekebilir.

Kontrol: $Q = 3{,}3$ → Tablo'dan "Kötü Kaya" aralığı; 100–150 mm + bolt + tel kafes → tutarlı ✓

Problem 3 — Silifke–Mut Karayolu Tüneli, GRC Analizi (D=11,5 m, RMR=28)

Veriler:

• Çift tüp, sol tüp $L = 2865$ m; $D = 11{,}5$ m (ESR = 1,0)
• RMR = 28 (Sınıf IV — Kötü Kaya; killi kireçtaşı–marn)
• $Q = 0{,}708$ (RQD=45, $J_n$=12, $J_r$=1,0, $J_a$=3,0, $J_w$=0,66, SRF=2,0)
• Derinlik: $z = 150$ m; $\gamma = 23$ kN/m³; $G = 1{,}2$ GPa; $\nu = 0{,}3$
• $p_0 = 23 \times 150 = 3{,}45$ MPa; $c = 0{,}12$ MPa; $\phi = 22°$
• Shotcrete: $E_{sc} = 20$ GPa; $\nu_{sc} = 0{,}2$; $t_{sc} = 200$ mm; $f_{ck} = 25$ MPa
• Bulon: Φ25 mm @ 1,0 m × 1,0 m; $T_d = 127$ kN

İstenen: (1) Destek sistemi seçimi; (2) $p_{cr}$; (3) $k_{sc}$ ve $p_{max,sc}$; (4) GRC–SRC denge kontrolü.

Çözüm:

Adım 1 — Destek seçimi:

$Q = 0{,}708$ → shotcrete 150 mm + yoğun bolt + çelik kemer

$RMR = 28$ → shotcrete 100–150 mm + hasır + IPN 120–140

Her iki sistem örtüşüyor → Shotcrete 200 mm + Φ25 mm × 5,0 m @ 1,0 m + IPN 140 @ 1,0 m

Adım 2 — Kritik iç basınç:

$\cos 22° = 0{,}927$; $\sin 22° = 0{,}374$

$p_{cr} = 3{,}45 - \frac{2 \times 0{,}12 \times 0{,}927 + 2 \times 3{,}45 \times 0{,}374}{1 + 0{,}374} = 3{,}45 - \frac{0{,}222 + 2{,}581}{1{,}374} = 3{,}45 - 2{,}04 = 1{,}41 \text{ MPa}$

$p_{cr} > 0$ → Plastik bölge oluşur (beklenen).

Adım 3 — Shotcrete parametreleri:

$r = 11{,}5/2 = 5{,}75$ m; $t_{sc} = 0{,}200$ m

$k_{sc} = \frac{20{,}000 \times 0{,}200}{5{,}75^2 \times (1-0{,}04)} = \frac{4{,}000}{31{,}74} = 126{,}0 \text{ MPa/m}$

$p_{max,sc} = \frac{25}{2}\left[1 - \left(\frac{5{,}55}{5{,}75}\right)^2\right] = 12{,}5 \times [1 - 0{,}869] = 12{,}5 \times 0{,}131 = 1{,}64 \text{ MPa}$

Adım 4 — GRC–SRC denge:

$p_{bolt} = \frac{T_d}{S_b^2} = \frac{127}{1{,}0^2} = 0{,}127 \text{ MPa}$

$p_{total} = 1{,}64 + 0{,}13 = 1{,}77 \text{ MPa} > p_{cr} = 1{,}41 \text{ MPa} \checkmark$

$FS = \frac{p_{total}}{p_{cr}} = \frac{1{,}77}{1{,}41} = 1{,}25 \geq 1{,}25 \text{ (SLS)}$

KGM Sınıf IV için FS ≥ 1,5 hedeflenir → IPN 140 çelik kemer ek katkısıyla sağlanır.

Sonuç: Destek sistemi geçerli: Shotcrete 200 mm C25/30 + Φ25 mm × 5,0 m @ 1,0 m × 1,0 m + IPN 140 @ 1,0 m.

Kontrol: $p_{cr} = 1{,}41$ MPa > 0 (plastik bölge var, beklenen); $p_{total} = 1{,}77$ MPa > $p_{cr}$ ✓

11. Sık Yapılan Hatalar

Tablo 11: Sık Yapılan Hatalar

13. Uygulama Fotoğrafları

14. Kaynaklar

1. Barton, N., Lien, R. & Lunde, J. (1974) — Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support. Rock Mechanics, 6: 189–236.
2. Barton, N. (2002) — Some New Q-Value Correlations to Assist in Site Characterisation and Tunnel Design. International Journal of Rock Mechanics, 39: 185–216.
3. Bieniawski, Z.T. (1989) — Engineering Rock Mass Classifications. Wiley, New York.
4. Panet, M. & Guenot, A. (1982) — Analysis of Convergence Behind the Face of a Tunnel. Proceedings Tunnelling 82. IMM, London.
5. Carranza-Torres, C. & Fairhurst, C. (2000) — Application of the Convergence-Confinement Method. Tunnelling and Underground Space Technology, 15(2): 187–213.
6. TS EN 1997-1:2012 — Geoteknik Tasarım — Bölüm 1: Genel Kurallar (Eurocode 7). TSE, Ankara.
7. TS EN 14487-1:2005 — Shotcrete — Bölüm 1: Tanımlar, Özellikler ve Uyum. TSE, Ankara.
8. TS EN 14487-2:2005 — Shotcrete — Bölüm 2: Uygulama. TSE, Ankara.
9. TS EN 1537:2013 — Kaya Bulonları ve Zemin Ankrajları. TSE, Ankara.
10. TS 11747 — Püskürtme Beton Yapım, Uygulama ve Bakım Kuralları. TSE, Ankara.
11. KGM Teknik Şartnamesi (2013) — Bölüm 7: Tünel Kazı ve Destekleme. Karayolları Genel Müdürlüğü, Ankara.
12. TCDD Teknik Şartnamesi (2015) — Demiryolu Tünel Sondaj Kriterleri. TCDD, Ankara.
13. Ağan, C. & Ertürk, S. (2017) — Suruç Tünelinde Geoteknik ve Tahkimat Tasarımları. Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
14. Çetinkaya, M. & Türkmen, S. (2023) — Silifke–Mut Karayolu T1-A Tünelinin Mühendislik Jeolojisi. Geosound Dergisi, ISSN: 1019-1003.

Kaynakça

1. İlgili Türk Standartları (TS) ve Avrupa Normları (EN)
2. TBDY 2018 — Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği
3. İlgili ders kitapları ve teknik kaynaklar

Not: Bu makale eğitim amaçlıdır. Projelerde güncel yönetmelik ve standartlara başvurunuz.

Kaynaklar

1. TS EN 1997-1:2012 — CEN — Avrupa Standardizasyon Komitesi (Eurocode). https://eurocodes.jrc.ec.europa.eu
2. TBDY 2018 — AFAD / T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı. https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018/03/20180318M1-2.htm

İlgili Hesaplama Araçları

Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:

• Zemin Taşıma Gücü Hesaplama
• Şev Stabilitesi Hesaplama
• SPT N30 Düzeltme Hesaplama

Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.