Tunnel/Driving og stabilitetssikring

__NUMBEREDHEADINGS__

Innledning

Driving av jernbanetunneler avviker i utgangspunktet ikke vesentlig fra driving av tunneler for andre formål. Men det er mer komplisert å utføre vedlikeholdsarbeider i en jernbanetunnel, og valg av sikringsmetoder må derfor velges ut fra krav til lang levetid. De fleste togtunneler er enkeltsporede uten omkjøringsmuligheter, og omfattende vedlikeholdsarbeider vil derfor medfører driftsforstyrrelser.

Normalt drives tunneler i Norge etter prinsippet ”design as you go” eller observasjonsmetoden, som er et fleksibelt opplegg hvor framdrift og behov for stabilitetssikring vurderes fortløpende. Dette krever at det tas beslutninger på stuff, da valg av sikringsmetoder skal tilpasses bergforholdene.

Stort sett er bergforholdene i Norge relativt gunstige, og det medfører derfor at vi kan bygge mye billigere tunneler sammenliknet med de fleste steder i utlandet.

Hensikten med kapitlet er å gi en kortfattet innføring i ulike problemstillinger ved driving og sikring av jernbanetunneler.

Driving

Jernbanetunneler har relativt stiv kurvatur både vertikalt og horisontalt, og det er normalt få muligheter til å legge om traseen for å unngå svakhetssoner. I tillegg går ofte jernbanetunneler gjennom sentrale områder med mye bebyggelse som er ømtålig for miljøforstyrrelser. Dette byr ofte på krevende utfordringer, og stiller store krav til planlegging og forberedende arbeider.

Drivemetoder

I Norge er konvensjonell drift med boring og sprengning mest vanlig. Men også driving ved hjelp av tunnelboremaskiner (TBM) kan være egnet. Pigging eller fresing er metoder som kan vurderes ved spesielt svakt berg, ved profilutvidelse eller når fjellanleggets geometri varierer, som ved avgreningstunneler og lignende.

Valg av drivemetode er vanligvis et kostnadsspørsmål, og ved vurdering mellom konvensjonell drift og TBM-drift tas det hensyn til faktorer som stufflengde, trasévalg og omgivelser, tidsforbruk, totale kostnader og spesielle krav til tverrsnitt og geometri (trykk-/sugkrefter, komfortkrav, energiforbruk for togmateriell, beredskapsplaner).

De ulike metodene for tunneldrift har sine områder hvor de passer best, og hvor de kommer best til sin rett. En kort oversikt over ulike drivemetoder og deres egnethet i ulike bergarter er gitt i det følgende.

Konvensjonell driving

Konvensjonell driving med boring og sprengning er en fleksibel metode som er egnet i alle bergarter, og er den mest brukte drivemetoden i Norge. Restriksjoner ved konvensjonell drift er gitt i Jernbaneverkets regelverk for underbygning JD 520, kapittel 12 ”Tunneler”.

Figur 1 Borrigg med tre borebommer og en bom med korg.

TBM

TBM er foreløpig lite brukt til trafikktunneler i Norge, men forbindelse med kraftutbygging har metoden vært mye benyttet. Moderne TBM-drift er egnet i de aller fleste bergarter. Metoden har tidligere vært lite fleksibel da borhodet fyller hele profilet slik at det ikke har vært mulig å utføre fjellsikring på stuff. Men det utvikles stadig nye og mer fleksible konsepter, og det er nå mulig både å forinjisere, og sikre rundt stuffen. Ved TBM blir det drevet et sirkelrundt profil, og det medfører en stabilitetsmessig gunstig situasjon. Behovet for sikring i en TBM-drevet tunnel er vanligvis mindre enn tilsvarende tunnel drevet konvensjonelt.

Figur 2 TBM

For en enkeltsporet tunnel er et sirkelrundt profil relativt gunstig, og nødvendig diameter for TBM-borhodet blir ca 8 meter. For en dobbeltsporet tunnel blir nødvendig diameter omkring 11 meter, og da er det mindre gunstig å bruke TBM. Det må blant annet fraktes store mengder masse tilbake i tunnelen for å fylle opp til nødvendig nivå for sporene.

Figur 3 Bergbrytingsprinsipp for TBM

Figur 3 viser prinsippet for hvordan TBM bryter fjellet opp og ”spiser” seg innover. Borhodet roterer, og rullemeislene lager riss og avskallinger i berget foran seg som vist på figuren.

Dersom TBM skal brukes til driving av dobbeltsporet jernbane vil det gjerne være mest gunstig å bore to enkeltsporede løp istedenfor et dobbeltsporet. Det vil da kunne drives tverrforbindelser mellom tunnelene som kan benyttes som rømningsvei.

Dypsprengning

Under driving av en tunnel vil beboere i området utsettes for vibrasjoner og støy fra sprengning, men disse vil være av begrenset varighet. Strukturstøyen fra togpasseringer er imidlertid et varig forstyrrende element for beboerne. For å redusere strukturstøyproblemet er det viktig med et riktig oppbygget fundament. Flere steder, bla i Sverige løses dette problemet ved at tunneler dypsprenges. Det vil si at det sprenges ca 2 meter ned i grunnen under nødvendig dybde, men at massene blir liggende. Disse massene vil fungere som dempningslag for vibrasjoner, slik at de i mindre grad overføres gjennom berget til omgivelsene. I Norge har dette til nå ikke vært vanlig praksis, men det har vært vurdert. Dypsprengning vil i tillegg til redusert strukturstøy gi jevnere elastisitet i underbygningen og dypere frostfri drenering. Ved store vannlekkasjer må det vurderes behov for rørføring.

Løsmassetunneler

Bortsett fra kulverter drevet som ”cut&cover” er det kun drevet noen få løsmassetunneler i Norge, blant annet en på Eidsvoll i forbindelse med utbyggingen av Gardermobanen. I områder med løsmasser og liten overdekning er det ofte mest økonomisk å drive tunneler som ”cut&cover”. Det vil si at det graves tradisjonell byggegrop og støpes kulvert i hele tunnelens lengde. Etter at kulverten er etablert tilbakefylles massene og terrenget over tunnelen reetableres.

Uten å åpne overflaten kan tunnel etableres enten ved skjoldmaskin (lukket stuff) eller med åpen stuff med graving. Her vil massenes evne å stå uavstivet (stand-up-time) være avgjørende for valg av tiltak og metode.

I områder med hardpakkede løsmasser( f.eks tett, overkonsolidert morene) kan tunneler drives med seksjonert stuff etter de samme metoder som tunneler i løst berg slik vi kjenner bl.a. fra Mellom-Europa. Permantent sikring bør vanligvis følge umiddelbart etter stuffen, og bestå i full utstøping eller sprøytebetongribber som danner en tett og stabil selvbærende konstruksjon.

Ved driving av åpen stuff tunnel med i løsere pakkede masser må ofte stabiliseringstiltak utføres før driving kan igangsettes, og to alternativer for stabilisering er rørskjerm med forinjeksjon eller frysing.

Ved bruk av rørskjerm og forinjeksjon til driving av løsmassetunnel etableres tilstrekkelig stabilitet i løsmassene i en skjerm rundt tunneltverrsnittet, slik at massene holdes oppe inntil permanent sikring etableres. Det er imidlertid vanskelig å sikre mot innstrømmende grunnvann med dette prinsippet. Hvis ikke dette, på grunn av krav til omgivelsene, kan løses med grunnvannspumping, er frysing eneste løsning for åpne stuff tunneler.

Ved frysing brukes samme prinsipp med at det etableres et stabilt skall rundt tunnelprofilen. Ved å bore inn doble rør med sirkulerende kald væske i to omkretser ca 1-2 m fra ønsket tunnelprofil, fryses et område ned og blir med det til en fast masse. Tre til fire måneder etter at nedfrysingen er igangsatt, er normalt tilstrekkelig styrke oppnådd i massene, og driving av tunnelen kan påbegynnes.

HMS i tunneldrift

HMS i tunneldrift omfatter mer enn utslipp og støy fra drivingen. Miljøet rundt anlegget er sårbart, og anleggsdriften må ikke gå på bekostning verken av arbeidernes helse og sikkerhet eller samfunnets verdier for øvrig.

Når et anlegg planlegges må HMS implementeres i alle planfasene, og sikres på tilfredsstillende måte gjennom organiseringen og prosedyrer for alle aktiviteter som skal utføres.

Miljøoppfølgingsprogram

De fleste bedrifter har sine HMS-rutiner og i diverse håndbøker og forskrifter er de fleste forhold ivaretatt. I tillegg skal det for alle tunnelanlegg utarbeides et miljøoppfølgingsprogram for å ivareta helse og sikkerhet på anlegget og miljøet rundt.

For miljøet rundt anlegget er det viktig å holde beboere og andre berørte parter informert om hva som skjer og hvilke følger det kan medføre for dem. I fellesskap må byggherre, entreprenør og andre berørte parter finne frem til de mest hensiktsmessige tiltak for å redusere belastningene for miljø og for tredje part. Se kapittel 3, ”Forundersøkelser”

HMS i anleggsfasen

Under driving av tunneler og fjellanlegg blir det mye støv, støy, rystelser og avgasser som kan sjenere både tunnelarbeidere og miljøet rundt.

Inni tunnelen oppstår det støv og giftige nitrøse gasser fra sprengningene, og sammen med utslipp fra kjøretøy og eventuelle kjemikalier fra injeksjonsmasser gir det forhold som krever vernetiltak. Aktuelle krav fremgår av Arbeidstilsynets ”Tunnelforskrifter”. Oppfølging og dokumentasjon må følges opp blant annet av målinger av gass- og støv-nivå. For å sikre at utslipp fra tunneldriften ikke medfører miljøskade, bør det tas jevnlige prøver av både avløpsvann og resipienten. Ved sårbare resipienter må det normalt settes inn et midlertidig renseanlegg.

Bergsikring

Stabilitetssikring av jernbanetunneler avviker i utgangspunktet ikke fra sikring av andre tunneler. Vedlikeholdsarbeid i jernbanetunneler er lite gunstig med hensyn til opprettholdelse av regulariteten i togdriften. På grunn av få omkjøringsmuligheter og hyppige togavganger, er det vanskelig å foreta større tiltak uten at det medfører driftsforstyrrelser for toget. Ved planlegging av bergsikring bør det derfor velges løsninger med lang levetid.

Ved bygging av jernbanetunneler i tettbygde strøk må det påregnes at miljøet over traséen er sårbart for setninger og grunnvannssenkninger. Dette stiller store krav til spesielt til vanntetting, men også til bergsikringen.

Retningslinjer og krav til bergsikring er gitt i Jernbaneverkets prosesskoder. Ofte må det allikevel tas viktige beslutninger ved stuff, og det må derfor sikres gjennom kontraktsbestemmelsene og organiseringen at det benyttes høy kompetanse i all oppfølging av tunneldriften.

Sikringsmetoder

Hovedprinsippet ved norsk sikringsfilosofi er å utnytte bergmassens selvbærende egenskaper og tilstrebe størst mulig grad av samvirke mellom sikringsmiddel og bergmasse. En skiller mellom stiv og fendrende sikring:

• Stiv sikring: Lite eller ingen deformasjon ønskelig
• Fendrende sikring: Kontrollert deformasjon ønskelig

Det er viktig å sette inn bergforsterkning med riktig styrke og stivhet på riktig tidspunkt. I praksis er det vanskelig å bestemme optimalt tidspunkt. Normalt vil berget sette seg noe før sikring, fordi utlasting og rensk vil gå forut for sikringen. I noen tilfeller vil det være aktuelt å sikre relativt raskt etter sprengning. For norske forhold vil store deformasjoner være særlig knyttet til bergtrykksproblemer (sprakeberg og bergslag) og svakhetssoner med innhold av svelleleire.

Berget stabilitetssikres med sikringsmidler av forskjellige typer, avhengig av geologiske forhold. Hovedtyper av sikringsmidler er i dag:

• Bolter
• Fiberarmert sprøytebetong
• Armerte sprøytebetongbuer
• Betongutstøping

Omfang av sikring ved stuff er entreprenørens ansvar, mens metoder for sikring ved stuff fastlegges av entreprenør og byggherre i samråd. Metoder og omfang av sikring bak stuff fastlegges av byggherren.

Ved konvensjonell drift er rensk viktig, og skal om mulig utføres før annen stabilitetssikring installeres. Rensk utføres både for å hindre nedfall, og for å gi godt samvirke mellom bergmasse og forsterkning.

Bolting

Dimensjonering og design av boltesikring gjøres ved ulike metoder:

1. Erfaringsbasert/empirisk

2. Likevektsberegning

3. Numeriske analyser

I alle tilfeller er grundig kartlegging og forståelse av ingeniørgeologiske forhold viktig.

Q-systemet er en empirisk modell for bergmasseklassifisering. Metoden benyttes til å bestemme sikringsomfang og sikringsmetoder. Likevektsberegninger er enkle beregninger, men fastlegging av inngangsparametere er ofte vanskelig. Numeriske analyser brukes stort sett for å beregne totalstabilitet i høye fjellskjæringer og store bergrom.

Hovedbruksområder for bolter er:

• Grovblokkig berg: Sikring mot utglidning/utfall (spredt bolting).
• Tett oppsprukket berg: Systematisk bolting, vanligvis i kombinasjon med andre metoder.
• Sprakeberg/høye spenninger: Systematisk bolting, vanligvis i kombinasjon med fiberarmert sprøytebetong.
• Svakhetssoner: Som en del av et større konsept med f.eks. sprøytebetongbuer (forbolter og radielle bolter).
• Påhugg: Sikring med forbolter

Det er flere boltetyper på markedet, og de er tilpasset ulike bergforhold. Det er i hovedsak tre hovedklasser av bolter:

1. Fullt innstøpte bolter

2. Endeforankrede bolter

3. Kombinasjonsbolter

1. Fullt innstøpte, ikke-forspente bolter brukes ved de fleste bergforhold. Sikringssystemet er passivt, boltene blir først satt i funksjon når berget deformeres og gir tøyninger i boltene. Ved montering fylles boltehullet med innstøpningsmiddel før bolten skyves inn. Kamstål er vanlig som boltestøl.

Figur 4 Fullt innstøpt bolt

2. Dersom det er løse blokker eller flak som skal festes brukes vanligvis endeforankrede bolter i passende lengde. Endeforankrede bolter er også riktig type i tilfeller hvor det er mulighet for at fjellet vil “sette seg” etter at sikringen er utført, og at boltene vil strekkes som følge av deformasjon i fjellet, f.eks. ved høye spenninger ( som fendrende sikring). Figur 5 viser skisse av en polyesterforankret bolt. Den er egnet i både harde og myke bergarter, og benyttes i de tilfeller hvor det er behov for rask sikring og ellers der endeforankrede bolter er påkrevet. Bolten er forankret med polyester i bunnen av borhullet, og kan forspennes etter at polyesteren er herdet.

Figur 5 Polyesterforankret bolt

3. CT-bolten er en kombinasjonsbolt som kan brukes ved de fleste bergforhold, se figur 6. Bolten endeforankres med ekspansjonshylse. Ved hjelp av et gysemunnstykke som kobles til hullet i halvkulen, pumpes mørtelen gjennom polyetylenrøret til enden av bolten og videre på utsiden av røret til mørtelen kommer ut rundt underlagsskiven.

Figur 6 CT-bolten er en kombinasjonsbolt

Detaljer om flere ulike boltetyper og bruksområdet finnes i “Håndbok i fjellbolting” (Statens vegvesen 1994).

Fjellnett/fjellbånd

Ved mindre partier med høy sprekketetthet eller oppknuste svakhetssoner kan fjellnett i kombinasjon med fjellbånd brukes for å hindre nedfall av mindre stein mellom boltene, og for å samle nedfall slik at det ikke havner i sporet. Nettene må kontrolleres jevnlig og tømmes hvis det legger seg nedfall i dem, og er derfor normalt ikke egnet i jernbanetunneler. Fjellbånd er aktuelt ved lokaliteter hvor det er flere løse blokker som kan “syes” sammen til en stabil masse. Dette inngår da gjerne i ”tung” sikring sammen med sprøytebetong.

Sprøytebetong

Den viktigste virkemåten for sprøytebetong er å stabilisere ”låsefragmenter” og å forkile bergoverflaten slik at bergmassen like ovenfor blir selvbærende. Normalt oppstår det ikke særlige krefter i et sprøytebetongsjikt, men tykkelsen bør ikke noe sted være mindre enn 6-7cm for at materialkvaliteten skal bli tilfredsstillende til å unngå forvitring og nedfall.

Ved større stabilitetsproblem kreves tyngre tiltak som forbolting, fiberarmert sprøytebetong eller stangarmerte sprøytebetongribber.

Bruk av sprøytebetong og sprøytebetongribber har etter hvert erstattet full utstøping på stuff i stor grad. Det er en billigere sikringsmetode fordi fremdriften i anlegget kan holdes betydelig høyere enn ved full utstøping.

De ulike sikringsmidlene brukes gjerne i kombinasjon med hverandre for å tilfredsstille de varierende behov ved en lokalitet. For eksempel benyttes boltesikring i kombinasjon med sprøytebetong på partier der bolter og rensk ikke gir tilfredsstillende sikkerhet.

Full utstøping og betongelementhvelv

Full utstøping er en tidkrevende og dyr sikringsmetode som kan benyttes som sikring i meget vanskelige partier som soner med svelleleire, manglende bergspenning eller svært svake bergarter. Utstøping kan utføres på og bak stuff. I spesielle vanskelige områder vil også utstøping av tunnelsålen være nødvendig.

Ved mindre omfattende stabilitetsproblemer kan betongelementhvelv være et alternativ til full utstøping. Disse brukes hvor det er fare for mindre, men hyppige nedfall, og kan også fungere som vann- og frostsikring.

Drenering av tunneler

Drenering av tunneler er viktig og det krever omfattende planlegging før drivearbeidene igangsettes. Vanligvis drives tunneler med ensidig fall eller tverrfall. Dypsprenging eller dreneringsgrøfter må etableres for å lede vannet ut. Dersom tunnelen ikke har naturlig helning må det etableres tilstrekkelig fall i drensgrøftene eller settes inn pumpestasjoner slik at vannet ledes ut av tunnelen.

Det bør benyttes lukket drenering i tunneler, og dreneringen skal dimensjoneres slik at alt lekkasjevann føres frostsikkert ut av tunnelen.

Retningslinjer og krav til dreneringen er gitt i Jernbaneverkets regelverk for Underbygning JD 520, kapittel 11, ”Drenering”.

Tunneltetting og vann- og frostsikring

Vannlekkasjer

Generelt

Vannlekkasjer i tunneler kan ofte medføre store utfordringer på flere områder. De kan føre til grunnvannssenkning og setninger i området rundt tunnelen, korrosjon på skinnegangen, problemer med elektriske anlegg, dannelse av vaskesviller, isdannelser i profilet og frostsprengning som fører til nedfall av stein og blokker.

I utlandet er det vanlig å sikre trafikktunneler med full utstøping og membran. Dette ivaretar både stabilitetssikring og vanntetting. I Norge har vi generelt mye bedre bergkvalitet, slik at sikring med vanntett utstøping normalt er regnet å være unødvendig tung sikring. Tilleggskostnader ved vanntett ettersikring av tunnelen kan komme opp i 3 – 5 ganger øvrige tunnelkostnader, men lokale forhold og de miljøkrav kan gjøre dette påkrevet.

I områder med bebyggelse hvor grunnvannssenkning kan medføre setningsskader er det viktig å unngå for store innlekkasjer. Normalt bør det settes opp poretrykksmålere og setningsmålere for å kunne iverksette tiltak i rett tid. Bruk av forinjeksjon er det mest brukte tiltaket mot vanninntrenging i tunneler, men som oftest er dette ikke tilstrekkelig for å unngå fare for drypp og isdannelse.

Tetting med injeksjon

Injeksjon utføres normalt som forinjeksjon for å stabilisere dårlig fjell, eller hindre vannlekkasjer inn i tunnelen. Forinjeksjon er den vanligste injeksjonsformen, og utføres ved at det bores opp og injiseres i en skjerm foran stuffen. Omfanget av injeksjonen bestemmes av de lokale forhold, og de tetthetskrav som stilles til anlegget fra omgivelsene. Før injeksjonsarbeidene starter skal det foretas en vurdering av bergartens oppsprekking, vannføring og strømretning i fjellet rundt tunnelen. På dette grunnlag settes det opp en plan for injeksjonsarbeidene. Etterinjeksjon benyttes kun unntaksvis, og erfaring har vist at det vanligvis oppnås bedre resultater ved forinjeksjon, og at det derfor bør benyttes i de tilfeller hvor det er valgmuligheter.

Figur 6 Eksempel på injisert sone

Det er flere typer injeksjonsmidler i bruk, både sementbaserte, kjemiske og mikrosementer. I det siste har det vært en dreining fra sementer og kjemiske midler mot mikrosementer. Sementbaserte midler har normalt dårligere inntrengningsevne enn kjemiske midler og mikrosementer, og enkelte kjemiske midler er påvist å kunne være miljøskadelige. Dette er noe av grunnen til at bruken av disse bør begrenses.

Nødtiltak mot setninger

Ved tunneldrift skjer det normalt noe endringer i grunnvannstrømningene i bakken. Ofte får ikke dette vesentlige konsekvenser på overflaten. I enkelte tilfeller kan det imidlertid oppstå problemer i form av setninger på overflaten. Dersom det ligger løsmasser over fjellet, og grunnvannsnivået i massene senkes som følge av at man ikke har oppnådd tilstrekkelig lave vannlekkasjer inn i tunnelen, kan det medføre setninger i løsmassene. Dermed vil evt. bygninger som er fundamentert på disse løsmassene kunne få skadelige setninger som følge av poretrykksreduksjonen. I områder hvor det vurderes å være fare for setninger anbefales å sette ut poretrykksmålere for å kunne følge med på eventuelle endringer i poretrykket, og dermed kunne sette inn tiltak på et tidlig tidspunkt. Tiltak vil vanligvis bestå av vanninfiltrasjon i grunnen. Som oftest vil borebrønner som senkes noen meter ned i fjell virke best. Det settes inn pakning i berget og påføres et moderat vanntrykk i forhold til overflaten. Slike anlegg skal betraktes som geoteknisk prosjekt og skal i henhold til NS 3480 minimum klassifiseres i prosjektklasse 2, etter skadekonsekvens og vanskelighetsgrad.

Vann- og frostsikring

Funksjon

Jernbanetunneler krever i likhet med andre trafikktunneler at det utføres vann- og frostsikring for å ivareta gjeldende funksjonskrav. Det er allikevel noen spesielle hensyn som må tas ved dimensjonering av vann- og frostsikring i jernbanetunneler. Opptredende trykk- og sugkrefter er betydelig høyere, og tilgjengelighet for vedlikehold er ofte meget begrenset.

Vann- og frostsikring i jernbanetunneler skal i hovedsak ivareta følgende to funksjonskrav:

hindre at vann og is kommer i berøring med tekniske installasjoner, derav også banelegeme.

hindre at issvuller får bygge seg inn i profilet slik at det medfører fare for rullende materiell

Hensyn til miljø

I tillegg til funksjonskrav kan geologisk og geografisk betingede hensyn kreve at tunneler skal tettes tilstrekkelig for å unngå skader på overliggende miljø. For å begrense faren for setningsskader i områder med tettbebyggelse skal det stilles krav til maksimalt tillatt innlekkasje pr.min og løpemeter tunnel.

Det eksisterer ingen generelle krav til tillatt mengde innlekkende vann i tunneler. Dette medfører at det ved hvert enkelt tunnelprosjekt spesifiseres hvilke krav som skal oppnås. Det må derfor foretas kartlegging av terrenget ovenfor tunnelen for å vurdere potensielle skadevirkninger av en eventuell grunnvannssenkning.

Tiltak som bør utføres i forkant av utbyggingen for å forhindre setningsproblemer på grunn av vannlekkasjer og eventuelt fastsettelse tetthetskrav er beskrevet i kapittel 3 “Forundersøkelser”.

Vann- og frostsikringsprinsipper

Ved planlegging av vann- og frostsikring i jernbanetunneler er det i første rekke miljøkrav, funksjonskrav og økonomi som vil være avgjørende for valg av løsninger. Tunnelens lengde og planlagte trafikkmengde har betydning for hvilke krav som stilles til brannbeskyttelse av vann- og frostsikring, se for øvrig avsnitt 4.2.5.

Følgende typer konstruksjoner for vann- og frostsikring er aktuelle for nye tunneler:

Hvelv av betongelementer, jf. figur 7 og 8 Hvelv av armert sprøytebetong, jf. figur 9 og 10

I frostfri del vurderes det om det er tilstrekkelig med en vannavskjerming kun i hengen eller deler av hengen.

Figur 7 Prinsipp for vann og frostsikring med betongelementer

Figur 8 Betongelementer, detalj

Figur 9 Prinsipp for vann og frostsikring med armert sprøytebetong

Figur 10 PE-skum påført sprøytebetong, detalj

Dimensjonering av frostisolasjon

Frostisolasjonen dimensjoneres i henhold til frostmengden på stedet. Ved fastsettelse av dimensjoneringskriteriet legges frostmengden F₁₀₀ (h⁰C) til grunn. Kart over frostmengder finnes i bl.a. i Jernbaneverkets lærebok L52 Underbygning, kap. 6 Frost.

Frostmengden innover i tunnelen må vurderes i hvert enkelt tilfelle. I tunneler opptil 3 km må det påregnes frost i hele tunnelens lengde. Det medfører at vannsikring må utføres med isolasjon og at dreneringssystemet i tunnelsålen må isoleres eller legges på frostfri dybde. I lengre tunneler kan frostsoner av varierende lengder opptre i begge ender, mens midtpartiet kan være frostfritt. Lokale meteorologiske forhold og tunnelens stigning vil være avgjørende for trekkretning og hvor langt frosten trenger inn i tunnelen.

For de aktuelle isolasjonsmaterialer benyttes følgende minimumstykkelser:

PE-skum: 50 mm Ekstrudert polystyren (XPS): 40 mm

Forholdet mellom frostmengde og nødvendig isolasjonstykkelse er vist i figur 11.

Figur 11 Forholdet mellom dimensjonerende frostmengde og krav til isolasjonstykkelse.

Erfaringer fra nyere tunneler har vist at PE-skum med sprøytebetongsikring også blir brukt som vannavskjerming i frostfrie partier.

Dimensjonering for trykk- og sugkrefter foretas etter prinsipper gitt i Jernbaneverkets regelverk JD 520, kap.12 Tunneler.

Brannbeskyttelse av frostisolasjon

På grunnlag av simuleringer og teoretiske beregninger, utført av Det Norske Veritas, har Jernbaneverket innført en del begrensninger til bruk av PE-skum uten brannbeskyttelse. For at brann skal oppstå i PE-skum er det forutsatt at et brennende tog må stoppe i tunnelen. Tunnelens lengde og togtetthet er derfor de parametrene som er premissgivende for krav til brannbeskyttelse.

For tunneler som er kortere enn 500 meter er det ikke krav om brannbeskyttelse av PE-skum.

For høytrafikkerte tunneler, dvs. enkeltsporede tunneler med mer enn 30 tog per døgn, og dobbeltsporede tunneler med mer enn 80 tog per døgn, skal alt PE-skum i tunneler lengre enn 500 meter brannsikres. For lavtrafikkerte tunneler skal PE-skumfelter større enn 50 m² sikres. Krav til avstand mellom hvert felt er 100 meter i tunneler opp til 5000 meters lengde, og 200 meter i lengre tunneler. Er avstanden mellom feltene mindre skal PE‑skumplatene brannsikres. Disse kravene er basert på beregnet selvantennelsesteperatur og de brannlaster brennende PE-skum representerer.

For å oppnå tilstrekkelig bestandighet og levetid skal brannsikring av PE-skum utføres med 70 mm nettarmert sprøytebetong uten stålfiber. Ved å benytte sprøytebetong uten fiberarmering oppnås bedre komprimering og tettere sprøytebetong.

Punktlekkasjer

Ofte er det små punktlekkasjer som forårsaker isdannelser i eksisterende tunneler. Slike punktlekkasjer kan normalt isoleres med noen få PE-plater. I korte tunneler med betydelig gjennomgående frostmengde oppstår ofte problemer med at vannet fryser bak PE-platene, og det bygger seg opp is. Dette kan medføre at platene brytes ned etter noen få vintre.

Også ved slik etterisolering er det viktig å finne dimensjonerende frostmengde i området (jf. frostmengdekart i lærebok L521, kap. 6 Frost, eller tabeller i Vegnormal 018). Tunneler som ligger i fjellområder med store frostmengder kan ha behov for doble PE-plater, jf. figur .11. Tetting rundt kantene på platene er også viktig for å hindre kald luft å trenge inn bak platene.

Montering av PE-plater kan normalt monteres i isfrie perioder. Det er derfor viktig at områder med isdannelser merkes om vintrene for å sikre at platene senere blir montert på riktig plass.

Lekkasjer over større felter

Ved behov for isolering av sammenhengende innlekkasjer over lengre partier i tunnelene, må det vurderes om PE-skumplater skal settes opp som styrt profil eller om platene skal følge ujevnhetene i tunnelkonturen. Dette vil avhenge av størrelsen på ujevnhetene og tunneltverrsnittet.

Som eksempel ble det i Romeriksporten satt av 30 cm til vann- og frostsikring i de partiene hvor det var planlagt å bruke PE-skum belagt med armert sprøytebetong. Partiene med betongelementer ble beregnet å ha behov for ca. 45 cm i forhold til teoretisk profil.

Forskjæringer og påhuggsområder

Utformingen av skjæringer og påhuggsområder bestemmes ut fra lokale forhold, men må ivareta jernbanetekniske krav. Under planlegging bør forhold som hensyn til omgivelsene, estetiske forhold, eventuell rasfare, snøforhold, overflatevann, berørte vassdrag, portal og kostnader vurderes. I tillegg skal utforming av portaler ved tunnelpåhuggene være slik at portalen får en god terrengtilpasning. I enkelte tilfeller kan det være aktuelt å tilpasse terrenget rundt portalen for å oppnå et vellykket resultat. Forbolting av påhuggsområder er vist i figur 12.

Figur 12 Prinsippskisse forbolting

Ved etablering av skjæringer må helningsvinkelen vurderes utifra de lokale fjellforhold. Dersom fjellet er massivt, og har gunstig fallvinkel bort fra sporet kan det tillates tilnærmet vertikal skjæring. Ved småfallent fjell med ugunstig fallvinkel og ved potensielle glideplan må det utføres egen dimensjonering av fagkompetanse. Det er spesielt viktig å unngå underkutting av potensielle glideplan uten at overliggende partier er tilstrekkelig sikret. Høye skjæringer skal derfor utføres med flere nivåer og skrittvis sikring.

Ved detaljutforming av skjæringer og påhugg må det i tillegg tas hensyn til topografiske forhold og eventuelle svakhetsplan og knusningssoner i bergarten som vil få konsekvenser for drivingen.

Rensk og stabilisering av overliggende jord omkring kan bli et svært viktig hensyn som krever nøyaktige forundersøkelser og god planlegging.

Generelt i skjæringer er det viktig med funksjonell drenering. Dersom det renner vann i skjæringen kan det medføre isdannelse som kommer i sporet, nedfall av stein som følge av frostsprengning og utvikling av vegetasjon som kan medføre nedfall som følge av rotsprengning.

Ved en totalvurdering av alle de ovennevnte forhold, vil en gjerne finne at det er gunstig å legge påhugg for en tunnel lengst mulig ut mot opprinnelig bergoverflate.

LITTERATURHENVISNINGER

1. Norges Byggstandardiseringsråd NS 3480 ”Geoteknisk prosjektering” Fundamentering, grunnarbeider, fjellarbeider. (aug. 1988)

2. Broch Einar, Nilsen Bjørn ”Ingeniørgeologi – fjell” (aug 1991)

3. NTH, Johannesen Odd ”Tunnelsikring – Bolting”, Prosjektrapport 10A-91

4. NTH, Johannesen Odd ”Tunnelsikring – Sprøytebetong”, Prosjektrapport 10B-91

5. NTH, Johannesen Odd ”Tunnelsikring – Full utstøping”, Prosjektrapport 10C-91

6. NTH, Johannesen Odd ”Fullprofilboring av tunneler ”, Prosjektrapport 1-94

7. NTH, Johannesen Odd ”Fjellsprengningsteknikk – sprengning med restriksjoner ”, Prosjektrapport 14A-95

8. NTH, Johannesen Odd ”Tunneldrift – prognoser konvensjonell drift” Prosjektrapport 2-88

9. Statens vegvesen, ”Fjellbolting” Publikasjon nr 72, 1994

10. Statens vegvesen, ”Vann- og frostsikring i tunneler” Håndbok nr. 163, 1995

11. Norsk forening for fjellsprengningsteknikk ”Fjellinjeksjon” Håndbok nr. 1, 1995

12. NSB Gardermobanen, ”Anbudstegninger Bekkedalshøgda – Ålborgveien” (1995)