modern demiryollarında doğal afetlere karşı önlemler

MODERN DEMİRYOLLARINDA DOĞAL AFETLERE KARŞI ÖNLEMLER
Turgut ÖZTÜRK1, Zübeyde ÖZTÜRK2
[email protected], [email protected]
Öz: Ulaştırma sistemlerinde güvenlik önlemleri denilince genellikle trafiğin işleyişi
sırasında meydana gelen kazalara karşı alınabilecek önlem türleri düşünülmektedir. Oysa
trafikten kaynaklanmayan kazalar da söz konusudur. Örneğin doğal afetler işletimde hiçbir
eksiklik ve hata olmasa da can kayıplarına ve kazalara neden olabilmektedir. 1990’lı
yıllardan itibaren ulaştırma sistemleri içinde yüksek hızlı demiryolu hatları özel bir önem
kazanmıştır. Planlanan Avrupa Ulaşım Ağı Projeleri kapsamında bu hatların önümüzdeki
10’lu yıllarda daha da yaygınlaşarak 35000 km ye ulaşması beklenmektedir (Profillidis,
1995). İstanbul-Ankara yüksek hızlı demiryolu hattı bu planlama çerçevesinde yer
almaktadır. Hızın artması ile birlikte kazalara karşı önlemler de önem kazanmıştır.
Bu çalışmada, giderek yaygınlaşan yüksek hızlı modern demiryolu hatlarında fazla
yağmur, fazla kar, çığ, sert rüzgarlar ve ülkemiz için özellikle önemli olan deprem gibi
doğal felaketlerin etkileri ve bunlara karşı ne gibi önlemler alınması gerektiği
incelenmektedir. Doğal afetler konusunda Japonya’dan örnekler verilmektedir.
Anahtar Kelimeler: Doğal afetler, deprem, demiryolu
Giriş
Yüksek hızlı demiryolları tüm dünyada rağbet görmekte ve yapılan planlamalar doğrultusunda yaygınlaşmaktadır.
Çalışma, ülkemiz için çok gerekli olan bu sistemin doğal afetlerden ve özellikle ülkemiz için önemli olan depremden
nasıl korunacağı hakkında fikir vermek için yapılmıştır.
Ulaştırma sistemlerinin güvenliği denilince sadece işletim güvenliği değil, yol altyapısının, üstyapısının, şevlerin yani
yolun fiziksel yapısının da güvenliği önemlidir. Ülkelerin hava koşulları, şiddetli fırtına, kar, yoğun yağmur gibi hava
olayları, heyelan, deprem gibi afetler ülkelerin konumlarına göre farklılık göstermektedir. Hava koşulları çok sert
olmayan veya deprem kuşağına yakın olmayan ülkeler şanslı olup, çok fazla önlem gerekmez. Oysa, tam bir deprem
bölgesinde yer alan, oldukça zayıf topraklara sahip ve en sert kış koşullarında taşıma hizmeti veren Japonya gibi
ülkelerde gerek inşa gerek işletim sırasında bir dizi güvenlik önlemi alınmasına rağmen yeterli olamamakta ve kaza
sayıları en aza indirilmekle birlikte tamamen önlenememektedir.
Kullanılan Yöntem
Dünya katmanları 10 bölümden fazla bölgeye ayrılmakta olup, bu katmanlar okyanus hareketleri sayesinde yılda 1-10
cm arasında hareket etmekte ve karalar denizlere doğru kaymaktadır. Japonya takımadaları bu bölgeler arasında sınır
kısımlarda yerleşmiş durumdadır. Japonya bir ada grubu olup, 4 masif zeminin çarpışması sonucu çok şiddetli streslere
maruz kalabilmektedir. Zayıf kayalık tabakalar kayıp, jeolojik formasyon bozulmuş, yeryüzü kabuğu zincir halinde
kabararak 2 milyon yıl önce bugünkü halini almıştır.
Bu ülke sık sık depremler ve aktif volkanlarla karşı karşıyadır. Jeolojik yapı ön Mesozoik zamanlardan bugüne kadar
tabakalaşmasını tamamlamış olup, jeolojik görüntüsü diğer bölgelerden çok farklıdır.
Kuzey kutbunda ve muson ikliminde bulunmasından dolayı Japonya bol yağmur ve kar altında kalmaktadır. Yıllık
yağış, yağmur ve karın toplamı olarak 1700 mm olmakta yani Avrupa ve Amerika’ya düşen yağışın iki katı yağış
düşmektedir. Japonya bölgesel olarak dik dağlarla çevrili, dar ve uzun bir yerleşim yeridir. Avrupa ve Amerikaya
nazaran 4 kat daha engebeli bir bölgedir. Hava koşulları ve arkasından oluşan erozyonlar sonucunda topraklar kayarak
zemin seviyesinde alçalma olmaktadır. Şekil 1’de Japonya’da 1966-1995 yılları arasında doğal afetler nedeniyle
demiryollarında meydana gelen kaza sayıları görülmektedir.
1
2
İTÜ İnşaat Fakültesi Yapı Anabilim Dalı, İstanbul
İTÜ İnşaat Fakültesi Ulaştırma Anabilim Dalı, İstanbul
751
Şekil 1. Doğal Afetlere Bağlı Kaza Sayıları
Bu rakamlara deprem dahil edilmemiştir. 1966 da yılda 8000 civarında olan kaza sayısı alınan çok yoğun önlemler
sayesinde 1000’e düşürülmüştür. Doğal afetlerden korunmanın bir yolu da afetin oluşacağı bildirildiği anlarda tren
işletimine ara vermektir. Şekil 2’de hangi olay nedeniyle tren işletimine ne oranda ara verildiği görülmektedir. En
fazladan aza doğru sıralanırsa sel baskını, fırtına hasarı, kar hasarı, yıldırım düşmesi, deprem hasarı, kaya düşmesi ve
diğerleri gelir.
Şekil 2. Son 10 Yılda Afetlerin Tren İşletimini Ertelemedeki Payları
Doğal afetlerin az olması halinde tren işletimleri daha sık ve rahat olarak gerçekleştirilebilmektedir. Bunlardan
kaçınmak için tren işletimlerine ara verilmesine rağmen yaralanma ve ölümle sonuçlanan bazı kazalar meydana
gelmektedir. Doğal afetlerle mücadele oldukça güç olup, zamana, yerleşime ve afet tipine bağlı olarak bir dizi önlem
almak gerekir. Bu önlemler 3 ana grupta toplanmıştır:
Felaketi Belirleme
Felaketi belirlemek için tesis edilmiş olan sistem trenin işletilmesi sırasında herhangibir tehlike oluştuğunda trenin
durdurulmasıyla kazayı önlemektedir. Örneğin kaya ve çığ düşmelerini belirlemek ve depremi haber vermek için Acil
Deprem Belirleme ve Uyarı Sistemi (UrEDAS) geliştirilmiştir. Bazı durumlarda geleceğe yönelik bazı endişe verici
belirtiler gözlenebilmektedir. Önceden alınabilecek önlemlerle ortaya çıkacak olumsuz durumlar engellenebilir. Ancak
bu incelemeler ve önlemler önemli işgücü ve masraflar doğurmaktadır. Bu yüzden bölgeler çok iyi incelenerek önlem
almaya gidilmelidir.
Tren İşletim Kontrolu
752
Doğal olaylar çok sert olduğunda, demiryolu hattının ve trenlerin çevrede doğal afetlerin oluşturduğu tehlikelerden
korunabilmesi için tren seyir hızları azaltılır veya seferler ertelenir. Yağmurla oluşacak riski belirlemek için, biriken
yağmur miktarı ve saatlik yağmur düşüşü birlikte alınmalıdır. Şekil 3’de yağmurla gelen riskleri azaltmak için tren
işletim kontrolu uygulamasını göstermektedir. Yağış miktarına göre belirlenen hız azaltmaları ve ertelemeler
görülmektedir.
Şekil 3. Tren İşletim Kontrolu
Tehlikeler belirlenirken, su seviyeleri nehirlerin yükselmesine, rüzgar belirtileri ani rüzgar hızlarına, sismik belirtiler ise
zeminde oluşan sismik hareketlere dayanılarak saptanır. Burada tren işletim kontrolu için en önemli nokta kontrol
operasyon değerlerinin ve yönetiminin belirlenmesidir.
Güçlü Altyapı Önlemleri ve Koruyucu Elemanlar
Özellikle güçlendirilmiş altyapı sayesinde tabiat olayları nedeniyle oluşan zararlarda ve yaralanmalı kazalarda
azalmalar sağlanmıştır, (Esveld, 2001). Shinkansen hatlarında önceki durumlar da göz önüne alınarak doğal afetlere ve
tabiat olaylarına karşı daha fazla dayanma gücü sağlayan tasarımlar yapılmıştır. Konvansiyonel hatlarda bu olaylar
dikkate alınmadığı için çok fazla takviye problemi yaşanmıştır. Bu bölümde yoğun yağmur, kar, fırtına ve depreme
karşı alınacak diğer önlemler üzerinde durulacaktır.
Doğal Afetlere Karşı Önlemler
Yoğun Yağmura Karşı Trenlerin Korunması
Yoğun yağmur demiryolu hizmetlerini ciddi ölçüde aksatabilmektedir. Yağış sonucu sel oluştuğunda sular şev eğimini
ve balastı (yarma eğimi, dolgu eğimi, doğal eğim) bozmaktadır. Nehirlerin taşması köprülere ve köprü ayaklarının
temellerine zarar vermektedir. Çok yoğun sağanaklar kaya düşmelerine de yol açabilmektedir. Bu problemleri önlemek
için hat boyunca çeşitli önleyici yapılar uygulanmaktadır, Şekil 4.
753
Şekil 4. Sel Baskını ve Kaymaya Karşı Önlemler
Hat tasarımı sırasında alınan bu önlemler çoğu kez etkili olmakla birlikte bazı olaylarda da yetersiz kalmaktadır. Bu
koruyucu yapıların en uygun yerlere konulması ve işletim kontrollerinin en uygun şekilde uygulanması gerekir.
Sağanak yağışların oluşturduğu problemler eğimlerdeki bozulmalar ile ilişkilidir. Şev eğimlerindeki bozulmalarla
öncelikle yağmurun vereceği zararları önleyerek baş edilir. Önlemlerin etkili olması için yağmur seviyesinin ve kayma
derecesinin tahmini gerekir. Eğim kaymaları için RTRI yeni risk hesabı metodu geliştirmiştir. Bu hesaplar 3 tip
bozulma için yapılmaktadır; dolgunun kayması, yarma yüzeyinde bozulmalar, yarmalarda dip bozulmalar. Hesaplanan
eğim bozulması risk değeri, “kritik sağanak” dönemi kullanılarak belirlenmektedir.
Şekil 5, birikmiş yağmurun ve saatlik yağışın ikisini birden ele alan risk hesap metoduna göre elde edilmiş basit sonucu
gösteriyor. Kritik sağanak eğrileri şeklin sağ üst kısmına doğru en üst seviyede görülmektedir. Eğride işaretlenmiş
değerden gerçek yağmur düşüşü fazla olduğu zaman kayma riski büyür. Bu risk hesabı metodu Japon Demiryolları
tarafından şev eğimi bozulma riski hesabında kullanılmak üzere adapte edilmiştir.
Şekil 5. Kritik Yağış Eğrisi
754
Burada yağmur miktarının toprak kayması ile ilişkilendirilmesinin doğru olmasına rağmen, güzel havalarda da olduğu
için kaya düşmesi ile ilişkilendirilmesi doğru değildir. Kaya düşmeleri önceden tahmin edilemeyen, hasarlı ve tehlikeli
durumlar oluşturur, tren işletim kontrolu da burada yeterli değildir. Koruyucu bariyerler ve uyarıcı düzenek her zaman
için daha etkili olmaktadır. Kayaların düşme riski yarattığı bölgede hat yakınlarında döşenmiş kabloların oluşturduğu
bir düzenek vardır. Bir kablo düşen bir kayanın çarpmasına maruz kaldığı zaman alarm aktif hale geçerek tren
durdurulur.
Trenlerin Yoğun Kar Yağışından Korunması
Kar yağışı ciddi biçimde tren işletimlerini etkileyebilir. Trenler, karın raylar üzerinde ve makaslarda yığılması
nedeniyle veya çığ düşmesi nedeniyle durmak zorunda kalabilir. Çığ ve kar sürüklenmesi trenin raydan çıkmasına
neden olabilir, kar dingile birikip, hareket sırasında düşerek kazaya neden olabilir. Ayrıca çok kar yağması halinde karın
ağırlığı ile yol çökebilir. Bu gibi problemlerin oluşmasını engellemek için bazı yapılar inşa edilmektedir, Şekil 6.
Şekil 6. Kar Hasarını Önleyici Bazı Yapılar
Rüzgarlarla sürüklenen ince kar yarmaları doldurabilir, hatta dolguları kapatabilir. Yağan kara göre daha sert olan bu
sürüklenen karlar çok daha ince tabakalar halinde olsa bile geçişi güçleştirebilir. Karları sürükleyen rüzgara karşı bir
perde (paranej) konursa bu perdeye çarpan taneler önünde birikir. Bu perde sabit yapılacaksa dolu gövdeli, gezgin
yapılacaksa boşluklu gövdeli yapılması uygun olur. Uygulamada 8 m den yüksek yarmaların kar tutmadığı görülmüştür.
Paranejler ağaç dikilerek veya sed üzeri ağaçlandırılarak yapılabilir. Ya da ahşaptan, kagirden, topraktan, eski
traverslerden oluşturmak mümkündür, (Bozkurt, 1987).
Ayrıca kar demiryolu için ciddi bir tehlike oluşturmadan önce kar temizleme makinaları ile atılabilir. Buna ilaveten hem
kar makinelerinin hem de trenlerin aynı hat üzerinde değişimli olarak kullanılmasına olanak tanıyacak şekilde kış için
bir program planlanabilir. Trenlerin işletilmesi raylardaki kar miktarı ve karın temizlenebilme koşullarına göre
düzenlenebilir.
755
Çığlardan korunmak için başlıca 3 yöntem uygulanır;
-Çığların oluşmasını önlemek: Karın yuvarlanıp çığa dönüşmesini önlemek için kagir veya sıra ağaçların oluşturduğu
sabit paranejler kullanılır.
-Çığların yolunu değiştirmek: Çığa karşı durabilecek mukavemette bir istinat duvarı inşa edilir.
-Çığı yol üzerinden aşırmak: Bunu sağlamak için kar tüneli yapılır. Genelde bu tüneller, kagir veya betonarme yapılır,
bazan demir veya ahşap olur. Kar tünellerinin vadi tarafındaki yüzleri kısmen veya tamamen açık olabilir. Çığların tünel
üstlerini zedelememeleri için bunlar taşla örtülür. Ülkemizde Plümür kar tünelleri iyi bir örnek olarak gösterilebilir. Çığ
riski havadan helikopterlerle yerden de devriye gezen araçlarla gözlenebilir. Özellikle karların eridiği mevsimde çığ
düşmesi beklendiği zaman, demiryolu işletmesini koruyacak özel önlemler alınır. Başka bir problem de tünellerden
sızan suların donması sonucu oluşur. Bunu önlemek için, bu yapılar termal yalıtım malzemesi ile kaplanmaktadır.
Aşağıdaki önlemler Shinkansen yüksek hızlı demiryolu hattını karın vereceği zararlardan korumak amacıyla
alınmaktadır:
-Tokaido Shinkansen hattında, kar yağışı sırasında balastlı üstyapı üzerine su püskürtülür. Bu karın ıslanmasına neden
olup, karın araca yapışmasını engeller.
-Tohoku ve Joetsu Shinkansen hatlarının geçtiği bölgelerde daha fazla kar yağışı görülmektedir. Balastlı üstyapı
bölümleri daha azdır ve araçlar karın yapışmasını engelleyecek şekilde dizayn edilmiştir. Tohoku Shinkansen hattındaki
viyadükler 10 yıllık periodlarda bir görülen karı karşılayacak güçte yapılmıştır. Joetsu Shinkansen hattında kullanılan su
püskürtücüler ovalarda ve tünelsiz dağlık kesimlerde rayların üzerindeki buzun erimesini sağlar. Kar için yapılan
barakalar ve siperler tüneller arasındaki daha kısa bölümlerde uygulanır.
RTRI demiryolu hatları için yeni bir çığ tespit sistemi geliştirmiştir. Sistem kesin olarak çığın varlığını ve büyüklüğünü
belirleyerek büyüklüğüne göre alarm verir.
Trenlerin Sert Rüzgarlardan Korunması
Sert esen rüzgarın bir tren için oluşturabileceği en büyük tehlike trenin raydan çıkmasıdır. Fırtına şeklindeki rüzgarlar
Japonya’da 120 yıllık işletim süresinde trenlerin 29 kere raydan çıkmasına sebep olmuştur. Özellikle atalet kuvveti ve
merkezkaç kuvveti gibi bazı dış kuvvetler bunda rol oynamaktadır. Bu dış kuvvetler yerçekimi kuvveti ile birleşerek
tekerleklerin rüzgar almayan yönünde bir basınç kuvveti oluşturur. Bu basınç tekerlekleri raylarla temas noktasından
uzağa iter ve trenin raydan çıkmasına sebep olur. Bunu önlemenin bir yolu dönen dingile etki eden aerodinamik
kuvvetleri azaltmaktır. Bir başka yolu da raylar üzerindeki anemometrelerle rüzgar hızını ölçerek rüzgara dayanıksız ray
kesimlerinde rüzgar hızının limiti aştığı zamanlarda trenlerin çalışmasını durdurmaktır. İlk yöntem rüzgar perdelerinin
kurulmasını içerir. İkinci yöntem tren işletmesinin düzenlenmesini, anlık rüzgar hızı 30 m/sn ya da 25 m/sn nin üstüne
çıktığı alanlarda araçların durdurulmasını içerir. Tren durduğu zaman işletme klavuzları 30 dk boyunca durmasını, daha
sonra da eğer rüzgar hızı azalıyorsa yoluna devam etmesini ister.
Demiryolu Teknik Araştırma Enstitüsü (RTRI) köprüler, setler gibi çeşitli şekillerdeki yapıların rüzgarın oluşturduğu
aeodinamik kuvvetlere karşı ne ölçüde dayanabileceğini tesbit etmek için rüzgar tüneli testleri yapmaktadır. Aynı
zamanda rüzgarın çeşitli karakteristik özelliklerini ölçmek için rayın geçtiği bölgelerde rüzgar koşulları
araştırılmaktadır. Bu araştırmanın sonuçlarının güvenli ve verimli bir tren işletim kontrol normu oluşturmak için
kullanılması planlanmaktadır, (RTRI, 2001).
Trenlerin Depremlerden Korunması
Japonya dünyada en çok deprem yaşanan ülkelerden biridir. Bunun en son örneği 1995 Ocak ayında Kobe Bölgesinde
meydana gelen büyük Hanshin depremidir. Sanyo Shinkansen hattını da kapsayan deprem demiryolu yapısına çok
büyük zarar vermiştir. Demiryollarını depremlerden korumak için alınan önlemler şunlardır:
-Altyapı sisteminin ve donanımının olması beklenen depreme karşı koyabilmesi için güçlendirilmesi.
-Deprem meydana geldiği anda oluşacak zararı en aza indirmek amacıyla trenin en kısa sürede durdurulması.
Bunun için rayların kenarlarına sismograf cihazları yerleştirilir ve tren kontrol sistemi uygulanır. Tespit edilen sismik
harekete göre uygulama farklılık gösterebilir. Tren kontrol sistemi deprem ivmesi 40 ve 79 gal arasında ise trenin hızını
azaltır, eğer 80 galin üstünde ise trenin hızlı bir şekilde durmasını sağlar. Burada amaç trenin deprem yüzünden hasar
görmüş olan bölgeye girmeden durmasını sağlamaktır. Fakat problem, zemin sallanırken tren tamamen durmadan önce
belli bir mesafe yol almak zorunda kalmasıdır. Bu yüzden bu tip bir önlem özellikle hızlı Shinkansen hattında yetersiz
kalmaktadır. Bu yüzden RTRI, Acil Deprem Tespiti ve Alarm Sistemi (UrEDAS)’ı geliştirmiştir. Bu sistem deprem
kuvvetlerini daha hızlı tespit eder ve alarmı daha çabuk iletir. Şekil 7 de görüldüğü gibi sistem P-dalgaları olarak
adlandırılan ve yer yüzüne ilk ulaşan bu küçük sismik dalgaları toplayarak depremi tespit eder.
756
Şekil 7. Acil Deprem Tespiti ve Alarm Sistemi (UrEDAS)ın Prensibi
Daha sonra sistem depremin merkezini ve büyüklüğünü tespit eder ve bunu risk seviyelerini tespit etmek için kullanır.
Eğer risk büyükse sistem depremden etkilenecek bölgelere alarm verir. Buradaki amaç ana deprem şoku ulaşıp, zarar
vermeden trenleri durdurmak ya da en azından hızlarını düşürmektir. UrEDAS 1992 de kurulduğunda bütün Tokaido
Shinkansen hattını kapsıyordu. Şimdi bütün Shinkansen hatlarını içine almaktadır. Diğer önlem şekli de altyapı
sistemini ve donanımını güçlendirmek ve Japon hükümetinin koyduğu sismik tasarım standartlarına uymaktır.
Çalışmanın amacı büyük bir depremin beklendiği bölgelerde yeni yapılan ve önceden mevcut olan yapıların ve
donanımın depreme dayanımını arttırmaktır. Fakat 1995 yılında meydana gelen Kobe depreminin şiddeti, beklenen
deprem şiddetinin oldukça üstünde idi. Bu sebeple RTRI kendi sismik tasarım prensiplerini yeniden gözden geçirmiştir.
Bu revizyonun iki önemli sonucu şunlardır:
-Geçmişte son derece güçlü olan deprem hareketleri için orta tabaka depremleri üzerinde duruluyordu, fakat artık iç
aktif faylar boyunca oluşan depremler dikkate alınmaktadır.
-Yapısal tasarımlar yapıların depreme uzun süre dayanıp çökmemeleri prensibine dayanmaktadır. Yapısal sismik
kapasite konusundaki kararlar, yapıların önemine göre değişmektedir.
Sonuçlar
Modern demiryollarında hattı doğal afetlere karşı koruyabilmek için herşeyden önce hattın üzerinde ve yakınında
doğabilecek tehlikelerin ve gelişmelerin kontrol altına alınması, koşullardan haberdar olunması ve felaket riskine karşı
gerekli önlemlerin alınması gerekir. Raylar ve donanımlar düzenli aralıklarla incelenip, buradan alınan bilgiler alınacak
önlemleri planlamak için kullanılmalıdır. Denetimler genelde mühendisler tarafından yönetilmelidir.
İyi sonuç alınan bir tren işletim kontrolu için meteorolojik durumun doğru olarak bilinmesine de gerek vardır. Yıllar
boyunca bu, hat kenarlarına yağmur ölçüm cihazı, anemometre ve diğer cihazların kurulması ile yapılmıştır. Bazı
durumlarda bu cihazlara hat üzerinde iken de ulaşıp, bilgi elde etmek mümkündür. Daha doğru bilgiler meteoroloji
kurumundan elde edilebilir. Aynı zamanda doğal afetleri tahmin etmede kullanılan teknolojilerin güvenilirlikleri de
arttırılmalıdır.
KAYNAKLAR
1. RTRI, Railway Technical Research Instıtute, 2001, East Japan Railway Culture Foundation, Japanese
Technology Today.
2. BOZKURT, M. 1987, Altyapı Tesisleri, İTÜ İnşaat Fakültesi Ders Notları.
3. PROFILLIDIS, V.A. 1995, Railway Engineering.
4. ESVELD, C. 2001, Modern Railway Track.
757
Railway