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.

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. Geologisk kartlegging utføres etter Q-systemet som gir grunnlag for bestemmelse av stabilitetssikring og senere dokumentasjon av geologi og utført sikring.

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

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.

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. Det er i hovedsak to hovedmetoder som benyttes for konvensjonell driving av tunneler;

NTM (Norwegian Tunneling Method): I Norge er berggrunnen stort sett av en slik kvalitet at berget kan benyttes som hovedkonstruksjonmateriale. Norsk tunnelpraksis bygger på prinsippet "design as you go", og er en fleksibel metode hvor fremdrift og behov for stabilitetssikring vurderes fortløpende. Dette krever at det tas beslutninger på stuff, da valg av sikringsmetode og -mengde skal tilpasses bergforholdene. Q-systemet er tatt inn som en viktig del av NMT. Norsk tunnelpraksis skiller seg fra andre lands tunnelmetoder (spesielt sammenlignet med land på kontinentet). Felles for mange tunneler i Europa er at grunnforholdene ofte er dårligere enn i Norge og det er nødvendig med solide bergsikringkonstruksjoner for å oppta krefter fra overliggende berg/løsmasser. Tunnelene drives hovedsakelig etter NATM-metoden.

NATM (New Austrian Tunneling Method): Bygger på prinsippet "design as you monitor", og er en metode som benyttes for å utnytte armeringseffekt i sikringsmidlene for å motvirke/kontrollere deformasjon av tunnelrommet. Tverrsnittet tas ut delvis, og sikringsmidlene installeres umiddelbart. Metoden bygger på deformasjonsmåling og opererer med sikringsklasser og forhåndsprosjekterte løsninger.

NMT var ment som et norsk "svar" på den nye østerrikske tunnelmetoden NATM som ble utviklet mellom 1957 og 1964 hovedsakelig for driving i svakt berg og i skviseberg. NATM ble utviklet med empirisk tilnærming basert på erfaringer fra tidligere tunnelanlegg. Metodene er ikke direkte sammenlignbare.

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

TBM

TBM er foreløpig lite brukt til trafikktunneler i Norge, men i forbindelse med kraftutbygging har metoden vært mye benyttet. TBM er mye brukt som drivemetode i Europa, og det finnes i dag flere ulike maskiner som kan operere under mange ulike forhold. Tunneldiameteren kan variere fra én meter til 19.25 pr. dags dato.

TBM kan klassifiseres som enten åpne eller lukkede (skjoldmaskiner), avhengig av om maskinen er utstyrt med et trykkammer for å utligne trykket fra jord/vann foran kutterhodet. En åpen maskin har ikke trykkammer. Det finnes også såkalt "dual mode"-maskiner som kan drive både i åpen og lukket tilstand. Det kreves en maskin med skjold for å sette opp en full vanntett foring med prefabrikkerte betongsegmenter.

En åpen TBM er egnet for berg med god kvalitet, og der man ikke skal installere betonglining i tunnelen. Maskinen blir drevet fremover av en gripperarm. Maskinen er fleksibel med tanke på bergsikring.

En dobbeltskjold TBM er den mest avanserte av TBM-maskinene, består av et roterende borhode som etterfølges av tre skjold. Framdriften kan skje både med gripperskjold og med sylindere som presser mot den installerte betongliningen, avhengig av bergforholdene. Maskinen er egnet i berg med varierende kvalitet.

En enkeltskjold TBM er mest brukt der deler eller hele tunnelen går gjennom berg av noe lavere kvalitet. Maskinen drives fremover av sylindere som presses mot tunnelliningen. Segmentene som utgjør liningen settes på plass før maskinen gjør et nytt fremstøt. Dobbelskjoldmaskiner har bedre fremdrift, men pga. stopptid som følge av vedlikehold og logistikk, kan noe av denne fordelen reduseres i favør enkeltskjoldmaskiner. Dobbelskjoldmaskiner er ofte en større investering.

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 ved boring og sprengning. Boringen gir ingen eller minimale forstyrrelser og forandringer i bergets beskaffenhet mht. sprekker. Boringen vil i liten eller ingen grad påvirke en forinjeksjon.

Tunnelene kan drives lengre uten tverrslag pga. redusert ventilasjonsbehov. Færre tverrslag/arbeidssteder gir redusert veibygging og mindre miljømessige forstyrrelser i naturen. Bruk av TBM gir mindre miljømessige forstyrrelser på omgivelsene (støy og rystelser). Av hensyn til støykrav i tettbygde strøk vil det være restriksjoner i bruk av TBM om natten. TBM-drift gir forbedret arbeidsmiljø og sikkerhet inne i tunnelen pga. at man unngår bruk av sprengstoff.

TBM-drift er mindre fleksibel enn konvensjonell driving ved uforutsette utfordringer som ras og store uventede vanninnbrudd. Det forutsettes derfor omfattende og grundige forundersøkelser dersom TBM er en aktuell drivemetode. Planlegging og vurdering av TBM som metode må inn i en tidlig fase av prosjektet også med tanke på trasévalg og tverrslagsreduksjoner.

TBM-drift utelukker ikke behov for sprengning (nisjer, grentunneler, utslag osv.). Steinmassene vil inneholde mye finstoff og videreforedling er ikke alltid en selvfølge.

Figur 2 TBM

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.

Historien om TBM i Norge

A/S Jernbetong og Trondheim kommune inngikk i 1972 den første kontrakten på TBM. Prosjektet var en 4,3 km lang kloakktunnel mellom Sluppen og Høvringen. Tunnelboringen ble fullført i 1974.

Fra 1970-1978 benyttet man TBM for å lage sjakter i gruveindustrien. Her ble det bruk en Robbinsmaskin med diameter 1,8 m og 220 lengde. Sulitjelma var først i verden til å benytte diskkuttere i harde bergarter.

Man anvendte en TBM med en diameter på 3,15 m på en kloakktunnel mellom Lysaker og Majorstuen i 1973. Prosjektet krevde omfattende sonderboringer, forinjeksjoner i tillegg til etterinjeksjoner for å unngå senkning av grunnvannsnivå og dermed eventuelle setninger og sprekker i bygninger langs traséen. Prosjektet opplevde få tekniske problemer. Erfaringer fra dette prosjektet førte til at man installerte nødvendig utstyr for sonderboring og forinjeksjon.

TBM-maskinen fra kloakktunnelen mellom Lysaker og Majorstuen ble også benyttet til å bore en hoveddriftstunnel for Fosdalens Bergverk.

I Vestfjorden 1974-1981 ble det drevet en 40 km lang tunnel for avløpsvann. Diameter 3,0-3,5 m. Her ble det benyttet hele syv ulike TBM-maskiner fra ulike leverandører. Dette ble den mest omfattende sonderboring og forinjeksjonsprogrammet som noen gang hadde blitt utført i verden så langt.

I perioden 1981-1984 drev man en 8 km lang overføringstunnel i Ulla-Førreanlegget med en TBM med diameter 3,5 m.

I Kobbelvanlegget i 1984 oppstod det ekstreme sprakefjellproblemer, og det ble nødvendig med omfattende og systematisk bergsikring for å sikre mannskapet og utstyret som ble brukt.

I 1984 bygde man en 7 km veitunnel (to løp) gjennom Fløyfjellstunnelen, og man benyttet en TBM med tverrsnitt på 7,8 m. Det var imidlertid nødvendig å strosse i sidene for å få full bredde på kjørebanen, og dette ble både tidskrevende og kostbart. Maskinen ble ombygget til en størrelse på 8,5 m for å drive Eidsvågtunnelen på 800 m.

Svartisen vegtunnel, 7,6 km lang, ble også drvet med TBM.

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 er en metode for konstruksjon av grunne tunneler der det graves tradisjonell byggegrop og overbygd med et overhead-støtte system sterk nok til å bære belastningen av hva som skal bygges over tunnelen. 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.

Q-systemet er en empirisk modell for bergmasseklassifisering. Metoden benyttes til å bestemme sikringsomfang og sikringsmetoder. Ved hjelp av Q-systemet klassifiseres bergmassen i bergmasseklasser A til G.

Figur 3 Oversikt sikringsklasser (ref. Statens vegvesens Teknologirapport 2538)

For ytterlige beskrivelse av Q-systemet, se Q-systemet

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.

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 bolter

Fullt innstøpte bolter brukes ved de fleste bergforhold, og vil fungere som en armering av berget. Bolten gis mulighet for å ta opp strekk- og skjærkrefter, men lasten vil konsentreres over begrensede områder. Fullt innstøpte bolter, uten forspenning, blir virksomme etter hvert som berget deformeres. Ved montering fylles boltehullet med innstøpningsmiddel før bolten skyves inn. Kamstål er vanlig som boltestøl.

Figur 4 Fullt innstøpt bolt

2. Endeforankrede bolter

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 forspennes for å gi et aktivt trykk fra bolteskiva mot bergoverflaten. Dette gir en sammenpressing av bergsprekker slik at friksjonen, og dermed fastheten og stabiliteten i bergmassen bedres.

Figur 5 Polyesterforankret bolt

3. Kombinasjonsbolter

Kombinasjonsbolter er bolter som i utgangspunktet endeforankres med ekspansjonshylse, og som på et senere tidspunkt kan ettergyses. Slik kan kombinasjonsbolter benyttes både til øyeblikkelig, midlertidig og permanent sikring.

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, 2000).

Bolter benyttes svært ofte i samvirke med andre sikringsmidler. Mest vanlig er bruk av bolter i kombinasjon med sprøytebetong, fjellbånd og armerte sprøytebetongbuer. Når bolter benyttes i kombinasjon med sprøytebetong vil boltenes misjon være å sikre større ustabile steinblokker og skape forankring i stabilt berg for sprøytebetongkonstruksjonen i de tilfeller der det boltes etter påføring av sprøytebetong.

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.

Bruk av fjellbånd forutsetter bruk av bolter. Denne kombinasjonen benyttes der det er behov for å sy sammen steinblokker. Dette gir ikke bare et samvirke mellom fjellbånd og bolter, men også boltene imellom. Fjellbånd benyttes også til å henge opp forbolter i bakkant, da i kombinasjon med radielle bolter.

Sprøytebetong

Den viktigste virkemåten for sprøytebetong er å stabilisere ”låsefragmenter” og å forkile bergoverflaten slik at bergmassen like ovenfor blir selvbærende. Av hensyn til bestandighet/levetid skal sprøytebetongen utføres med gjennomsnittstykkelse ikke mindre enn 80 mm.

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

Armerte sprøytebetongbuer og betongutstøping

Permanent stabilitets-/bergsikring kan i de fleste tilfeller og for alle sikringsklasser ivaretas med bruk av sprøytebetong kombinert med bolting/forbolting og armerte sprøytebetongbuer, bortsett fra i enkelte områder hvor betongutstøping bør utføres.

Betongutstøping skal imidlertid utføres som hovedregel bak stuff, og benyttes som permanent sikring ved:

• Passering av mektige svelleleiresoner med svelletrykk > 0,5 MPa, funnet ved ødometertest.
• Større utstabile partier.
• Partier med kritisk bergoverdekning over en lengre strekning.
• Mektige knusningssoner.

Drenering av tunneler

Drenering av tunneler er viktig og det krever omfattende planlegging før drivearbeidene igangsettes. Vanligvis drives tunneler med ensidig fall eller tverrfall. Dypsprengning 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

Tilstedeværelse av vann er den faktoren som har størst påvirkning på levetiden for sikringsmidler, konstruksjoner og installasjoner i tunnelen. 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 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 tunnelene bygges som fullt utstøpte konstruksjoner.

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 vanninntregning 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 7 Eksempel på injisert sone

Sementtypene som vanligvis benyttes til injeksjon kan deles i to kategorier, industrisement og mikrosement. Avhengig av bergartstype og tilstedeværelse av leire på sprekkene velges det sementtype.

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”.

Levetid

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.

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

Teknisk levetid defineres som den 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.

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.

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:

• Hvelv av betongelementer, jf. figur 8 og 9
• Hvelv av PE-skum brannbeskyttet med armert sprøytebetong, jf. figur 10 og 11
• Sprøytbar membran (kun som vannsikring), jf. figur 12
• Betongutstøping med drensjikt og membran, jf. 13

Figur 8 Prinsipp for vann og frostsikring med betongelementer

Figur 9 Betongelementer, detalj

Figur 10 Prinsipp for vann og frostsikring med armert sprøytebetong

Figur 11 PE-skum påført sprøytebetong, detalj

Figur 12 Sprøytbar membran

Figur 13 Betongutstøping med drensjikt og membran

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 12.

Figur 12 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.

Rom bak vann- og frostsikringskonstruksjonen

Stabilitetssikringen skal legges på et slikt nivå at rutinemessig inspeksjon og rensk kan unngås. Begrunnelsen for dette er:

• HMS og sikkerhet for personell som skal utføre inspeksjonen
• Inspeksjon er tidkrevende og vil kreve stans i togtrafikken mens det pågår
• Muligheten for å observere noe som helst er begrenset

Der konstruksjonen hindrer visuell inspeksjon fra tunnelen, skal det tilrettelegges for fjerninspeksjon eller konstruksjonen dimensjoneres for lasten av en ekstrem blokk (60 kN = 6 tonn). Dette er i samsvar med det svenske regelverket.

Vurdering av individuell risiko

Hendelsesdata over steinsprang og ras i jernbanetunneler i perioden 1970-2011, samt generell sikkerhetsstatistikk, viser at tunneler ikke er spesielt farlige objekter på jernbanenettet, hverken med hensyn til steinsprang og objekter i sporet eller andre hendelser.

Så langt det framgår av hendelsesrapporter har ingen av tunnelhendelsene medført alvorlig skade på personer. I forhold til Jernbaneverkets akseptkriterier for sikkerhet, både med hensyn til PLL (Potential Loss of Life), samt personellsikkerhet og reisendesikkerhet per personkm, har disse hendelsene ikke bidratt under rapporteringsperioden (1970-2010).

Individuell risiko

I tillegg til PLL som er risikoen for alle brukere samlet, er det viktig å beregne risikoen for den mest utsatte brukeren. Jernbaneverkets akseptkriterie for individuell risiko for 2.person (reisende) og 3.person (andre berørte), målt for mest eksponerte individ er 10 ^-4(sannsynlighet for død per år), for all aktivitet knyttet til jernbane.

Beregning av individuell risiko:

Det antas at det mest eksponerte individet reiser 100 km i tunnel per dag, 300 dager per år = 30 000 togkm i tunnel per år.

Frekvens for togpåkjørsel av steinnedfall: 1 togpåkjørsel per 10⁷ togkm = 10 000 000 togkm. (relateres til DNV-rapport)

Hvor ofte vil det mest eksponerte individet oppleve togpåkjørsel: 10 000 000 togkm/30 000 togkm i tunnel per år = 300 ): 1 påkjørsel per 300 år.

Antar at 5 % av disse er alvorlig hendelseskategori: 300*20 = 6000 år. Antar at halvparten av disse krever liv, og at det mest eksponerte individet har én prosent sjanse for å være en av de drepte:

0,01/12000 = 8*10^-7

Dvs. risikobidraget utgjør under 1 % av grenseverdien for akseptkriteriet for individuell risiko.

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)

13. Beskrivelse av NATM og NTM, http://pacificfogg.com/220morningside/RFP_EXHIBITS/2.%20PARKING%20TUNNEL%20and%20ELEVATOR%20SHAFT/45_Barton-et-al_on_Design_tunnel_support.pdf