Portal Design Under Complex Geological Conditions: Doğançay T2 Tunnel Entrance Portal

Öz

The design of shallow tunnel entrance structures excavated in extremely weak rock is one of the most challenging stages of tunnel design processes. This is because the large lateral pressures generated during portal structure construction can affect both the portal structure and the stability of the tunnel. Similarly, the T2 Tunnel (on the Ankara-Istanbul High-Speed Railway line), which is the subject of this study, is a typical example of this challenging process because it was excavated in extremely weak rock, on a slope, and with a low overburden thickness. Located southeast of Doğançay station, the 4667 m long tunnel portal exhibits an alternation of low-level consolidated gravel, sandy gravel, sand, and silt. Furthermore, it is in direct interaction with the tunnel support, which has an excavation diameter of approximately 16 m. Therefore, this study explains and discusses suitable solution methods for the safe design of the T2 tunnel portal. In line with the aim of this study, geological and geotechnical data were interpreted, and the necessary numerical analyses were carried out to understand the performance of the proposed engineering measures. When the analysis results were compared with the field conditions, it was concluded that the methodology developed for excavation and support systems was compatible. Furthermore, the results show that the proposed application methodology can be effectively used in similar projects.

Anahtar Kelimeler

• Tunnel portal
• Numerical analysis
• Slope
• Lateral load.

Etik Beyan

This article adheres to scientific research and publication ethics.

Teşekkür

The author thanks the TCDD officials, Fugro Sial employees, and Prof. Dr. Candan Gökçeoğlu for their contributions during the research process.

Problemli Jeolojik Şartlarda Portal Tasarımı: Doğançay T2 Tüneli Giriş Portali

Öz

Aşırı zayıf kayada açılan sığ tünel giriş yapılarının tasarımı, tünel tasarım süreçlerinin en zorlayıcı aşamalarından biridir. Zira portal yapısı imalatı sırasında oluşan büyük yanal basınçlar hem portal yapısını etkilemekte hemde tünel stabilitesini etkileyebilmektedir. Benzer şekilde bu çalışmanın konusunu oluşturan T2 Tüneli (Ankara-İstanbul Yüksek Hızlı Demir Yolu hattında) aşırı zayıf kayada, yamaçta ve düşük örtü kalınlığında açıldığından bu zorlayıcı sürece tipik bir örnektir. Doğançay istasyonunun güneydoğusunda bulunan ve 4667 m uzunluğundaki tünelin portalinde düşük seviyede tutturulmuş çakıl, kumlu çakıl, kum ve silt ardalanması gözlenmektedir. Ayrıca kazı çapı yaklaşık 16 m’yi bulan tünel desteklemesiyle doğrudan etkileşim içerisindedir. Bu nedenle bu çalışmayla T2 tüneli portalinin güvenli tasarımı için uygun çözüm yöntemleri açıklanmış ve tartışılmıştır. Bu çalışmanın amacı doğrultusunda, jeolojik ve jeoteknik veriler yorumlanmış ve önerilen mühendislik önlemlerinin performanslarını anlamak için gerekli sayısal analizler yapılmıştır. Analiz sonuçları saha koşulları ile karşılaştırıldığında, kazı ve destekleme sistemleri için oluşturulan metodolojinin uyumlu olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca sonuçlar, önerilen uygulama metodolojisinin benzer projelerde de etkin biçimde kullanılabileceğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Tünel portali
• Sayısal analiz
• Şev
• Yanal yük.

Etik Beyan

Bu makalede bilimsel araştırma ve yayın etiğine uyulmuştur.

Teşekkür

Yazar çalışma sürecinde katkılarından dolayı TCDD yetkililerine, Fugro Sial çalışanlarına ve Prof. Dr. Candan Gökçeoğlu’na teşekkür eder.

Kaynakça

1. [1] E. İlyasoğlu, “Tünel giriş yapılarında şev stabilite analizi,” Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2008.
2. [2] E. Poşluk, K. Ogul, and H. Bozkurt, “Evaluation of landslide–tunnel relationship with numerical analysis (Ankara–Istanbul High-Speed Train Project T8 Tunnel),” Railway Engineering, vol. 21, pp. 13–26, 2025.
3. [3] F. Ye, C. He, S. M. Wang, and J. L. Zhang, “Landscape design of mountain highway tunnel portals in China,” Tunn. Undergr. Space Technol., vol. 29, pp. 52–68, 2012.
4. [4] M. Lei, D. Lin, Q. Huang, C. Shi, and L. Huang, “Research on the construction risk control technology of shield tunnel underneath an operational railway in sand pebble formation: A case study,” Eur. J. Environ. Civ. Eng., vol. 24, no. 10, pp. 1558–1572, 2020, doi: 10.1080/19648189.2018.1556582
5. [5] Ö. Satıcı and B. Ünver, “Assessment of tunnel portal stability at jointed rock mass: A comparative case study,” Comput. Geotech., vol. 64, pp. 72–82, 2015.
6. [6] A. Can, Y. Başköse, and C. Gökçeoğlu, “Stability assessments of a triple-tunnel portal with numerical analysis (south of Turkey),” Geotech. Res., vol. 9, no. 2, pp. 116–128, 2022, doi: 10.1680/jgere.21.00028
7. [7] E. B. Aygar and C. Gökçeoğlu, “Problems encountered during a railway tunnel excavation in squeezing and swelling materials and possible engineering measures: A case study from Turkey,” Sustainability, vol. 12, no. 24, p. 11663, 2020.
8. [8] E. B. Aygar and C. Gökçeoğlu, “Effects of portal failure on tunnel support systems in a highway tunnel,” Geotech. Geol. Eng., vol. 39, pp. 5707–5726, 2021.

9. [9] M. P. Komu, U. Güney, T. E. Kılıçkaya, and C. Gökçeoğlu, “Using 3D numerical analysis for the assessment of tunnel–landslide relationship: Bahce–Nurdağ tunnel (south of Turkey),” Geotech. Geol. Eng., vol. 38, pp. 1237–1254, 2020, doi: 10.1007/s10706-019-01084-9
10. [10] Y. E. Özyürek, A. Can, K. Acar, and C. Gökçeoğlu, “Proposed engineering measures and analysis of tunnel portal excavated in paleo-landslide deposits (Bahce–Nurdağ Tunnel, Turkey),” in Proc. 3rd European Regional Conference of IAEG, Athens, Greece, 2021, vol. 1, pp. 90–91.
11. [11] N. Huda, I. G. B. Indrawan, and W. Wilopo, “Stability evaluation of diversion tunnel portal slopes at Lau Simeme Dam site, Indonesia, using limit equilibrium method,” J. Appl. Geol., vol. 7, no. 1, pp. 41–50, 2022.
12. [12] W. Shi et al., “Dynamic response characteristics and instability mechanism of high-steep bedding rock slope at the tunnel portal in high-intensity seismic region,” Rock Mech. Rock Eng., vol. 57, pp. 827–849, 2024, doi: 10.1007/s00603-023-03629-0
13. [13] R. Li et al., “Mechanical responses of closely spaced large span triple tunnels,” Tunn. Undergr. Space Technol., vol. 105, p. 103574, 2020, doi: 10.1016/j.tust.2020.103574
14. [14] M. Genis, “Assessment of the dynamic stability of the portals of the Dorukhan tunnel using numerical analysis,” Int. J. Rock Mech. Min. Sci., vol. 47, no. 8, pp. 1231–1241, 2010.
15. [15] F. F. Ayoublou, M. Taromi, and A. Eftekhari, “Tunnel portal instability in landslide area and remedial solution: A case study,” Acta Polytech., vol. 59, pp. 435–447, 2019.
16. [16] [16] Q. Wang, P. Geng, C. Chen, J. Chen, and He, C., “Determination of seismic response of reinforced tunnel portal slope using shaking table tests,” Tunn. Undergr. Space Technol., vol. 136, p. 105072, 2023.
17. [17] H. Jiao, M. Zhao, J. Huang, X. Zhao, and X. Du, “Nonlinear response of tunnel portal under earthquake waves with different vibration directions,” Comput. Model. Eng. Sci., vol. 131, no. 3, 2022.
18. [18] H. T. Yu, Y. Yuan, X. Liu, Y. W. Li, and S. W. Ji, “Damages of the Shaohuoping road tunnel near the epicentre,” Struct. Infrastruct. Eng., vol. 9, no. 9, pp. 935–951, 2013.
19. [19] T. T. Wang, O. L. A. Kwok, and F. S. Jeng, “Seismic response of tunnels revealed in two decades following the 1999 Chi-Chi earthquake (Mw 7.6) in Taiwan: A review,” Eng. Geol., vol. 287, p. 106090, 2021.
20. [20] T. Asakura, Y. Shiba, S. Matsuoka, T. Oya, and K. Yashiro, “Damage to mountain tunnels by earthquake and its mechanism,” Doboku Gakkai Ronbunshu, vol. 2000, no. 659, pp. 27–38, 2000.
21. [21] K. Konagai et al., “Kizawa tunnel cracked on 23 October 2004 Mid-Niigata earthquake: An example of earthquake-induced damage to tunnels in active-folding zones,” Soil Dyn. Earthq. Eng., vol. 29, no. 2, pp. 394–403, 2009.
22. [22] S. Apostolaki et al., “Seismic performance of tunnels and verification of available seismic risk models for the 2023 Kahramanmaraş earthquakes,” Tunn. Undergr. Space Technol., vol. 156, p. 106185, 2025.
23. [23] S. Karahan, E. Poşluk, B. Büyükdemirci, and C. Gökçeoğlu, “Re-design of a railway tunnel intersected by surface rupture of the Erkenek fault segment during the 6 February 2023 Pazarcık (Mw 7.7) Earthquake (Türkiye),” Bull. Eng. Geol. Environ., vol. 84, p. 198, 2025.
24. [24] M. Aydın, H. S. Serdar, Ö. Şahintürk, M. Yazman, R. Çokuğraş, and O. Demir, “Çamdağ (Sakarya) – Sünnicedağ (Bolu) yöresinin jeolojisi,” Türkiye Jeoloji Kurumu Bülteni, vol. 30, no. 1, pp. 1–14, 1987.
25. [25] [25] E. Bozkurt, “Neotectonics of Turkey – a synthesis,” Geodin. Acta, vol. 14, no. 1–3, pp. 3–30, 2001.
26. [26] A. Gürbüz and Ö. F. Gürer, “Tectonic geomorphology of the North Anatolian fault zone in the Lake Sapanca Basin (eastern Marmara Region, Turkey),” Geosci. J., vol. 12, no. 3, pp. 215–226, 2008.
27. [27] A. Dikbaş, “Kuzey Anadolu Fay Zonunun İzmit–Gölyaka (Düzce) arasındaki segmentlerinin paleosismolojisi ve morfolojik özellikleri,” Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enst., İstanbul Teknik Üniv., İstanbul, 2009.
28. [28] Y. Ikeda, Y. Honkura, and A. M. Işıkara, “Quaternary compressional deformation in the İzmit–Sapanca Trough, western Turkey, and its implications for the present tectonics near the western termination of the North Anatolian Fault Zone,” in Electric and Magnetic Research on Active Faults in the North Anatolian Fault Zone, I. Honkura and A. M. Işıkara, Eds. Tokyo: Tokyo Institute of Technology, 1989.
29. [29] S. Sipahioğlu and T. Matsuda, “Geology and Quaternary faults in the İznik–Mekece area,” in Electric and Magnetic Research on Active Faults in the North Anatolian Fault Zone, A. M. Işıkara and I. Honkura, Eds. Tokyo: Tokyo Institute of Technology, 1986, pp. 25–41.
30. [30] TÜBİTAK, “Makale örneği,” 2005. [Online]. Available: https://e-dergi.tubitak.gov.tr/edergi/yazi.pdf [Erişim: 23-Ara-2025]
31. [31] AFAD, “Resmi internet sitesi,” 2025. [Online]. Available: www.afad.gov.tr [Erişim: 23-Ara-2025]
32. [32] Fugro Sial, “Doğançay ripajı T2 Tüneli giriş portalı jeolojik–jeoteknik proje raporu,” Fugro Sial, Ankara, 2017.
33. [33] TCDD, “Demiryolu güzergâh jeolojik–jeoteknik–geoteknik etütlerinin yapılmasına ait mühendislik hizmetleri teknik şartnamesi,” TCDD, Ankara, 2016.
34. [34] E. B. Aygar, “Tünel projelendirilmesinde kullanılan yöntemler (ampirik, analitik ve nümerik yöntemler), kısıtlamaları, karşılaştırılması ve öneriler,” Demiryolu Mühendisliği, no. 15, pp. 125–133, 2022, doi: 10.47072/demiryolu.1030404