Introduksjon til rammeverk for jernbanetunneler

__NUMBEREDHEADINGS__

Innledning

En jernbanetunnel kan både utformes og bygges på ulike måter. De ulike prosjektene har tradisjonelt foretatt en del valg ut fra rammer som foreskrives i Teknisk regelverk i tillegg til egne prosjektspesifikke vurderinger. Det har vært fremmet et ønske om å begrense valgmulighetene slik at prosjektene får klarere føringer for valg av løsninger. Formålet er bl.a. redusert planleggings- og prosjekteringstid, økt standardisering og større forutsigbarhet.

Dagens regelverk kan deles inn i konstruksjonskrav og sikkerhetskrav. Konstruksjonskravene er i hovedsak utformet som funksjonskrav, mens sikkerhetskravene er utformet som en blanding av minimumskrav og absolutte krav iht. TSI SRT.

Jernbanetunneler i Norge må uansett ses på individuelt i forhold til topografi, geologi, trafikk osv. da disse forholdene kan variere mye. Jernbanetunneler kan gå under tettbebyggelser, gjennom fjell med stor overdekning, i høyfjellsområder med hardt vinterklima, langs kyststrekninger med liten fjelloverdekning osv. Tilsvarende kan de geologiske forholdene variere en god del. En overgang fra funksjonskrav til absolutte krav må vurderes i dette perspektivet.

Krav til eksisterende tunneler er gitt i TSI SRT i kapittelet Gjennomføring av TSI-en. Disse er gjengitt i Veiledning for saksbehandling for jernbanetunneler - Krav til eksisterende tunneler

Overordnede strategiske føringer

En tunnel er et omfattende prosjekt som bygges for en brukstid på mer enn 100 år. Dette tilsier lang levetid for stabilitets- og sikringskonstruksjonene. Det er derfor naturlig å stille strenge krav til disse. Samtidig kan det være vanskelig å få tilgang til tunnelen for utførelse av vedlikehold og fornyelse. Dette tilsier at man velger tekniske løsninger for tunnelen med høy vedlikeholdbarhet samtidig som man minimaliserer utstyr og installasjoner som legges inn i tunnelen.

Føringene kan oppsummeres slik:

• Lang brukstid
• Tørr tunnel
• Minimalisert behov for vedlikehold
• Åpning for bruk av ny teknologi
  

Kapasitetskrav

Viktige føringer for tunnelprosjektene er kapasitetskravene. Disse kan være gitt i NTP, gjennom politiske vedtak og i interne planforutsetninger. Typiske krav vil være tunnelens lengde, maksimal kjørehastighet for persontog, tillatte trafikktyper (blandet trafikk, bare persontrafikk, bare godstrafikk) og trafikal kapasitet. Ut fra disse føringene vil man da kunne ta øvrige konstruksjons- og sikkerhetsvalg. Det har imidlertid vært et problem for prosjektene å innhente de trafikale føringene, noe som har vanskeliggjort disse valgene.

De trafikale kravene danner også grunnlaget for tunnelens RAM-krav eller tilgjengelighetskrav. Vedlikehold av tunnelen (generiske arbeidsrutiner) må utføres i hvite tider for å sikre at trafikken ikke blir berørt (kapasiteten opprettholdes). Det foreslås å innføre begrepet dimensjonerende ruteplan R₄₀ om ruteplanen 40 år fram i tid i forhold til tunnelprosjektets ferdigstillelse. 40 år er foreslått på bakgrunn av resonnementet om at det er vanskelig å se enda lenger fram i tid.

Den dimensjonerende ruteplanen må være en del av prosjektets planforutsetninger på lik linje med parametere som dimensjonerende hastighet for persontog og godstog, dimensjonerende aksellast og dimensjonerende frittromsprofil.

Valg av tunnelkonsept

Bakgrunnsdokument: Kriterier for valg av tunnelkonsept

I Norge har vi tradisjonelt bygget enkeltsporede tunneler uten rømningsveier. Etter innføringen av Teknisk regelverk for jernbanetunneler i 1994 har det i hovedsak blitt bygget enkeltsporede og dobbeltsporede tunneler der tverrslagene har blitt utrustet som rømningsveier. Tunnelene har i tillegg blitt utrustet med røykventilasjon. Etter at TSI SRT-kravene ble innført i Teknisk regelverk i 2006, har enkeltsporede og dobbeltsporede tunneler blitt bygget med rømningsveier iht. TSI SRT. Tunnelene har likevel blitt utrustet med røykventilasjon til tross for at TSI-en ikke anbefaler dette.

Innføringen av krav til hyppige rømningsveier har gjort det mer lønnsomt å bygge tunneler med to separate enkeltsporede løp for lange dobbeltsportunneler.

Følgende prinsipielle tunnelkonsept benyttes for dobbeltsporede jernbanestrekninger:

• Ett stort dobbeltsporet løp med rømningsveier til det fri eller annet sikkert sted for minimum hver 1000 m.
• Ett stort dobbeltsporet løp med parallell service-/rømningstunnel med tverrforbindelse for rømning for minimum hver 1000 m.
• To separate enkeltsporede løp med tverrforbindelse mellom disse for hver 500 m.
• To separate enkeltsporede løp med servicetunnel forbundet med rømningsveier mellom tunnelene.

Figur: De ulike tunnelkonseptene

Fordeler med et dobbeltsporet løp:

• Færre arbeidsfronter
• Mindre masser som må fjernes
• Mindre bergoverflateareal for sikring
• Større tverrsnitt gir mindre laster på konstruksjonene
• Enklere å etablere overkjøringssløyfer
• Enklere håndtering av trykkutjevning
• Mindre utstyr som må vedlikeholdes
• Mulighet for å plassere teknisk utstyr i rømningstunneler som ikke krever sportilgang ved vedlikehold

Fordeler med to separate enkeltsporede løp:

• Kortere rømningsveier
• Full kapasitet i ett løp ved vedlikehold i det andre løpet

Dette tilsier valg av et dobbeltsporet løp for kortere tunneler, mens to separate enkeltsporede løp blir mest gunstig for lange tunneler, spesielt der hvor det er lang avstand mellom tunnelen og ut i dagen.

Det er innhentet erfaringer fra flere land med jernbanetunneler over 10 km både i drift og under bygging. En generell trend er at lange tunneler (>15 km) bygges som toløpstunneler, mens kortere tunneler bygges som ettløpstunneler. Bl.a. har TSI-kravet om rømningsveier for hver 1000 m for ettløpstunneler og for hver 500 m for toløpstunneler påvirket denne utviklingen.

Tunnelkonsept velges av det enkelte prosjekt i henhold til strategiske føringer og krav i Teknisk regelverk.

Følgende kriterier legges til grunn for valg av tunnelkonsept:

• Tunnellengde
• Trafikkmengde
• Trafikktype
• Beliggenhet
• Hastighetsnivå
• Økonomi

Generelt kan man gi følgende konklusjoner:

• Tunneler opp til en lengde på 5 km bygges normalt som ettløpstunneler
• For tunneler med en lengde fra 5 km til 15 km vil konseptene variere avhengig av stedlige forhold
• Tunneler med en lengde over 15 km bygges normalt som toløpstunneler

Valg av tunnelkonstruksjoner

Bakgrunnsdokument: Kriterier for valg av tunnelkonstruksjoner

Tunnelens sikring deles inn i to hoveddeler:

• Stabilitetssikring
• Vann- og frostsikring

I Norge er berggrunnen generelt av en slik kvalitet at berget kan benyttes som bærende konstruksjon. I tillegg etableres det egne vann- og frostsikringskonstruksjoner som skal sikre tunnelene spesielt mot vann og is. De fleste norske jernbanetunneler er bergtunneler.

Felles for mange tunneler i Europa er at grunnforholdene ofte er dårligere enn i Norge og at det er nødvendig med egne bærende konstruksjoner for å oppta kreftene fra overliggende berg- eller løsmasser. Denne konstruksjonen kan også fungere som vann- og frostsikring. Typisk er det at nye tunneler bygges som fullt utstøpte konstruksjoner.

Det er innhentet erfaring fra norske jernbanetunneler som viser at vedlikeholdskostnader for tunnelene i hovedsak er knyttet til installasjoner og iskjøving. Forhold som tilsier mindre vedlikehold i tunneler enn for fri linje er fravær av sikringsanlegg og kontaktledningsmaster. Dette er markant forskjellig fra veisektoren der store deler av vedlikeholdskostnadene er knyttet til renhold og kontroll av teknisk utstyr.

De overordnede strategiske føringer for valg av sikring vil medføre:

• Strenge krav til stabilitetssikring i byggefasen
• Valg av vann- og frostsikringsløsninger med lang levetid og som krever minimalt med vedlikehold
• Åpning for bruk av nye vann- og frostsikringsløsninger

Levetid

I dagens Teknisk regelverk benyttes levetidskrav for jernbanebroer, sporkonstruksjoner, sikringsanlegg, lyskilder, støyskjermer og kabler. Et levetidskrav for en jernbanebro på 100 år betyr at broen skal med foreskrevet vedlikehold, holde i minst 100 år før broen må skiftes ut med en ny. Tilsvarende vil et levetidskrav for en tunnelkonstruksjon angi minste antall år før konstruksjonen må skiftes ut.

I konstruksjonens levetid utføres vedlikehold i henhold til generiske arbeidsrutiner. Feil og mangler som oppdages under inspeksjon skal utbedres eller holdes under oppsikt avhengig av feiltype og alvorlighetsgrad.

Det er innhentet erfaring fra norske jernbanetunneler som viser at vedlikeholdskostnader for tunnelene i hovedsak er knyttet til installasjoner og iskjøving. Forhold som tilsier mindre vedlikehold i tunneler enn for fri linje er fravær av sikringsanlegg og kontaktledningsmaster som totalt tilsier mindre vedlikeholdsbehov i tunneler enn for fri linje. Dette er markant forskjellig fra veisektoren der store deler av vedlikeholdskostnadene er knyttet til renhold og kontroll av teknisk utstyr.

Det velges å benytte begrepet teknisk levetid for tunnelkonstruksjoner. Teknisk levetid er tiden det tar før komponentene eller utstyret ikke lenger oppfyller sin tiltenkte funksjon. Krav til teknisk levetid (TL) uttrykkes som antall år som forventes oppnådd med minst 90 % sannsynlighet. Middelverdien av teknisk levetid antas å være minst 25 % større enn levetidskravet. Forventet middelverdi av teknisk levetid blir dermed 150 år for TL = 120, 100 år for TL = 80, 62,5 år for TL = 50 osv.

Krav til teknisk levetid gjelder helt system. Det forutsettes at visse komponenter kan vedlikeholdes eller byttes i løpet av den angitte tekniske levetiden.

Funksjonskrav for stabilitetssikring

Erfaringen med norske jernbanetunneler har vist at stabilitetssikringen ikke har vært noe stort problem, selv for tunneler som er bygget på begynnelsen av 1900-tallet. I disse tunnelene er det lite bergsikring. Ved driving av disse tunnelene var det fokus på kontursprengning og grundig rensk.

Teknisk regelverk vil presisere krav til bergsikringskonstruksjonen gjennom kravendringer og -presiseringer for kontursprengning, rensk, bergsikring og forinjeksjon. Dette vil sikre at kravene til teknisk levetid oppnås. Kravene vil være tilstrekkelige for å sikre at det ikke er nødvendig med jevnlig inspeksjon fra begrensede rom mellom, bak eller inni konstruksjonsløsninger. Inspeksjon med personell bak heldekkende vann- og frostsikringshvelv er utfordrende sett ut fra helse, miljø og sikkerhet. Andre metoder finnes og/eller kan utvikles.

For å tilfredsstille dette kravet er det en forutsetning med detaljert planlegging og oppfølging i drivefasen.

Funksjonskrav for vann- og frostsikring

Følgende krav gjelder:

• Lekkasjevannet skal føres frostfritt ned i dreneringssystemet
• I frostsonen skal tunnelen ha en isolert kledning som hindrer vanndrypp og isdannelse
• I frostfri del skal det være en vannavskjerming som sikrer at det unngås vanndrypp
• Vannavskjermingen skal gå over hele tunnelens lengdeprofil og tverrprofil over sålen

For dimensjonering av vann- og frostsikringsløsning skal konstruksjonen ha en teknisk levetid = 80 for baneprioritet 1 og 2, og 50 for baneprioritet 3, 4 og 5. Livsløpskostnaden skal beregnes over en tidsperiode tilsvarende teknisk levetid.

For nye tekniske løsninger kan det legges til grunn en redusert teknisk levetid dersom denne begrunnes med en livsløpskostnad. Livsløpskostnaden skal beregnes over en periode tilsvarende krav til teknisk levetid for vann- og frostsikringskonstruksjonen. Det skal også inngå trafikkostnader tilknyttet avstengning for vedlikehold og utskifting.

For dimensjonering av valg av materialer for vann- og frostsikring gjelder følgende:

• For baneprioritet 1 og 2 kan følgende konstruksjoner benyttes:
  • Hvelv av betongelementer
  • Full utstøpning
  • Godkjente vann- og frostsikringskonstruksjoner
• For baneprioritet 3, 4 og 5 kan følgende konstruksjoner benyttes:
  • Hvelv av betongelementer
  • Hvelv av PE-skum brannbeskyttet med armert sprøytebetong
  • Full utstøpning
  • Godkjente vann- og frostsikringskonstruksjoner

Dette kan sammenfattes i følgende tabell:

Konstruksjon/anleggsdel	Teknisk levetid (TL)
Tunnelens bærende konstruksjon (stabilitetssikring)	120
Vann- og frostsikring (baneprioritet 1 og 2)	80
Vann- og frostsikring (baneprioritet 3, 4 og 5)	50

Valg av metode for vann- og frostsikring skal bestemmes ut fra følgende kriterier:

• Tunnellengde
• Tunnelstandard
• Togtetthet
• Frostmengde
• Krav til økonomi
• Krav til vedlikehold

Strengere krav for baneprioritet 1 og 2 begrunnes med følgende:

• Hvelv av armert sprøytebetong vil ikke være et alternativ for jernbanetunneler i baneprioritet 1 og 2 på grunn av usikkerhet i langtidsvirkninger av lastvekslinger med tanke på utmatting, og at løsningen gir et dårligere omdømme på grunn av manglende fremtidsrettethet og materialets brannegenskaper og bestandighet.
• Det blir enklere å utvikle nye løsninger for vann- og frostsikring.
• En utskifting av en vann- og frostsikringsløsning i jernbanetunneler i baneprioritet 1 og 2 kan få større konsekvenser for trafikkavvikling.
• Omdømme
• Harmonisering med krav til svenske jernbanetunneler

Valg av drivemetode

Bakgrunnsdokument: Kriterier for valg av drivemetode

Jernbanetunneler har relativt stiv kurvatur både vertikalt og horisontalt, og det er normalt få muligheter til å legge om traséen 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.

Konvensjonell driving med boring og sprengning er den vanligste drivemetoden i Norge, og fleksibiliteten gjør den svært passende ved varierende fjellforhold og geometri. Fullprofilboring med TBM (tunnelboremaskin) er godt egnet for lange tunneler og skånsom mot det ytre miljøet. Hittil har ikke TBM blitt brukt i norske jernbanetunneler, men metoden er vanlig på prosjekter internasjonalt. Pigging eller fresing er metoder som kan vurderes ved spesielt svakt berg, ved profilutvidelse eller når fjellanleggets geometri varierer, som ved avgreningstunneler og lignende. I tillegg kan cut&cover-metoden benyttes i områder med løsmasser.

Følgende kriterier er bestemmende for valg av drivemetode:

• Geologiske forhold
• Byggetid
• Hensynet til omgivelsene
• Helse og sikkerhet
• Jernbaneteknikk
• Byggekostnader
• Prosjektorganisering
• RAMS

Konklusjon:

• Konvensjonell driving med boring og sprenging velges primært som drivemetode
• TBM kan vurderes ved lange toløpstunneler
• Cut&Cover vurderes ved løsmasser og liten fjelloverdekning

Valg av tunneltverrsnitt

Bakgrunnsdokument: Kriterier for valg av tunneltverrsnitt

Følgende faktorer er bestemmende for utforming av tunneltverrsnitt. Gjelder for alle drivemetoder:

• Krav til minste tverrsnitt
• Plassbehov for kontaktledning (krav til minste tverrsnitt E, nisjer ol.)
• Plassbehov pga. sikkerhetskrav
• Plassbehov pga. trykk- og sugkrefter
• Plassbehov pga. evt. andre konstruksjoner

Det er utarbeidet forslag til tunneltverrsnitt for V = 200 km/h og V = 250 km/h for alle drivemetoder.

Valg av beredskapskonsept

Bakgrunnsdokument: Kriterier for valg av beredskapskonsept

Nye forskrifter og standarder

EU har vedtatt en rekke tekniske spesifikasjoner for interoperabilitet (driftskompatibilitet) for å sikre samtrafikkevnen til de europeiske jernbaner. En av disse TSI-ene omhandler sikkerhet i jernbanetunneler og er adoptert i Norge gjennom forskrift “Vedtak 2008/163/EF – TSI-sikkerhet i jernbanetunneler”

TSI SRT spesifiserer krav til bredde og belysning av rømningsveier, maksimal avstand mellom nødutganger avhengig av tunnelkonsept samt minstekrav til dimensjon på dører i rømningsveg, skilting, kommunikasjonsutrustning etc. I tillegg spesifiseres hvilken brannbelastningskurve som skal brukes for bærende konstruksjoner i tunnel. Kravene er videreført i Jernbaneverkets tekniske regelverk.

For trafikk av tunneler skiller TSI for SRT mellom to ulike togtyper med ulike brannsikkerhetsegenskaper, spesielt knyttet til togets evne til å kjøre ut av tunnelen ved brann i materiellet:

Kategori A-materiell, for tunneler inntil 5 km i lengde, skal begrenses til strekninger hvor det ikke forekommer tunneler av større lengde, og hvor kjøretiden til sikkert sted for evakuering ikke overstiger 4 min med en hastighet på 80 km/h.

Kategori B-materiell er tilpasset for trafikkering av det transnasjonale nett uavhengig av tunnellengden og skal tillates å kjøre i alle tunneler i det transeuropeiske nettet. Materiellet skal utrustes for å kunne kjøre ut av 20 km lang tunnel med brann om bord og utrustes med brannbarrier som kan motstå en fullt utviklet brann i minimum 15 min og sikre framdrift i tilsvarende lengde.

I Norge er eksisterende tog ombygd iht. materialkrav tilsvarende kategori B-materiell og beredskapskonseptet må derfor hensynta dette.

Sikkerhets- og beredskapstiltak

På grunn av materiellsituasjonen vil det normalt være tilstrekkelig å følge minimumskravene i TSI SRT med unntak fra bredde for rømningsvei. Som grunnlag for utarbeidelse av beredskapsplanen gjelder følgende kriterier for evakuering:

• Brannintensitet: 5 MW
• Tømmetid for tog: 5 min.
• Ganghastighet: 0,8 m/s
• Ingen mekanisk ventilasjon i evakueringstiden

Dimensjonerende laster

Bakgrunnsdokument: Dimensjonerende laster

Følgende dimensjonerende laster gis for tunneler:

• trykk- og suglaster
• maksimal trykkendring
• ulykkeslast ved brann

De dimensjonerende laster er gitt i samsvar med europeiske og nasjonale forskrifter og standarder.