III
Sammendrag
Measurement While Drilling (MWD) benyttes i dag i de fleste tunnelprosjektene som er under driving i Norge. Det er et system som benytter responsen fra boreprosessen for å tolke hardhet, oppsprekking og vann i bergmassen foran stuff. Denne metoden gjør det mulig å evaluere bergmassens tilstand før det påtreffes ved stuff.
I denne masteroppgaven er det utført en analyse av disse MWD dataene ved å utføre en sammenligning mot bergmekaniske parametere som kartlegges av ingeniørgeologer.
Sammenligningen fokuserer på en vurdering av sammenhengen mellom tolkede sprekkeverdier og RQD og RQD/Jn. Det også er utført en vurdering av tolket hardhet mot kartlagte bergarter. Tunnelene som er benyttet i dette studiet er Lørentunnelen i Oslo og Eikremtunnelen og Oppdølstranda på Nordmøre.
MWD dataene som er benyttet har foreligget i tekstformat og er først behandlet i den statistiske programvaren SPSS (IBM 2010), for så å sammenlignes med de bergmekaniske parameterne i Excel (Microsoft 2010). Parameterne som er sammenlignet er plottet i det samme diagrammet. De tolkede MWD dataene har en høy oppløsning og varierer mye langs tunnelen. Det er derfor benyttet glidende gjennomsnitt på parameterne for å enklere kunne visualisere sammenhengen mellom dem. De identifiserte sammenhengene er hovedsakelig visuelt evaluert, men parameterne er også plottet i XY-plott for å bestemme korrelasjonen mellom dem.
Resultatene fra sammenligningen mellom de tolkede sprekkeverdiene og RQD har vurderingen av trendlinjene vist en sammenheng i noen strekninger langs tunnelen. Det er stor forskjell mellom hvor lange disse strekningene er i de ulike tunnelene. Ved sammenligning av de samme parameterne i en regresjonsanalyse, har resultatene vist lav til ingen korrelasjon, men her skiller Oppdølstranda seg ut, hvor analysene viser medium korrelasjon. Ved sammenligning mellom tolkede sprekkeverdier mot RQD/Jn, viser resultatene lav til ingen sammenheng og korrelasjon. Sammenligningen mellom de tolkede hardhetsverdiene og den kartlagte geologien viser ingen direkte sammenheng. Unntaket er Lørentunnelen, hvor gangbergartene har en høyere hardhet enn de fleste av de sedimentære bergartene, som av erfaring kan forventes.
IV
V
Abstract
Measurement While Drilling (MWD) is currently used in most tunnelling projects that are under construction in Norway. It is a system that utilizes the response from the drilling process to interpret hardness, jointing and water in the rock mass in front of the tunnel face.
This method makes it possible to evaluate the rock masses before it is encountered at the tunnel face.
In this thesis, it is performed an analysis of these MWD data by performing a comparison against the rock mechanical properties mapped by engineering geologists. The comparison focuses on an assessment of the relationship between interpreted fracture values and RQD and RQD / Jn. It is also conducted an evaluation of interpreted hardness toward mapped geology.
The tunnels that have been used in this study are Lørentunnelen in Oslo and Eikremtunnelen and Oppdølstranda in Nordmøre.
MWD data used has been available in text format and is first treated in the statistical software SPSS, and then compared with the rock mechanical properties in Excel. The parameters compared are plotted in the same graph. The interpreted MWD data has a high resolution and are highly variable along the tunnel. Moving average is therefore applied to the parameters in order to better visualize the relationship between them. The identified relationships are mainly visually evaluated, but they are also plotted in an XY plot in order to determine the correlation between them.
The results from the comparison between interpreted fracture values and RQD has in the assessment of the trend lines shown a relationship in some sections along the tunnels. There is a big difference between how long these sections are in the various tunnels. When comparing the same parameters with regression analysis the result shows a low to no correlation, but Oppdølstranda stands out, where the analysis shows a medium correlation. When comparing the interpreted fracture values against RQD / Jn, it shows a low to no relationship/correlation.
The comparison between the interpreted hardness value and the mapped geology shows no direct relationship. The exception is Lørentunnelen where the igneous rocks have a higher strength than most of the sedimentary rocks, which from experience is to expect.
VI
VII
Forord
Denne masteroppgaven er utført ved Institutt for geologi og bergteknikk ved Norges teknisk- naturvitenskapelige universitet, NTNU, høsten 2012.
Hovedveileder på NTNU har vært Bjørn Nilsen som jeg ønsker å rette en stor takk til for god veiledning og støtte underveis i semesteret.
Oppgaven er gjennomført i samarbeid med Statens vegvesen, Vegdirektoratet, med Are Håvard Høien som eksternveileder. Jeg ønsker å rette en spesielt stor takk til Are som har delt kunnskapen sin om MWD med meg. Han har vært svært behjelpelig med å ta seg tid til å svare på mine spørsmål og hjulpet meg med prosesseringen av de store datamengdene for alle tunnelene.
En takk til Rockma som har bidratt med å gi meg de dataene jeg trengte, da den typen data som er benyttet i oppgaven, ikke er allment tilgjengelig.
Sist, men ikke minst, må jeg takke samboeren min Kristian som er svært kyndig i Excel og har vist meg tips og triks for å gjøre arbeidet med dataene enklere, og for å være behjelpelig til å diskutere stoffet med meg.
VIII
IX
Innholdsfortegnelse
Tabell liste ... XII
1. Introduksjon ... 1
1.1 Bakgrunn for oppgaven ... 1
1.2 Formål og omfang ... 2
1.3 Fremgangsmåte ... 3
1.4 Begrensninger ... 3
2. Eikremtunnelen ... 5
2.1 Beskrivelse av prosjektet ... 5
2.2 Utførte forundersøkelser ... 6
2.3 Geologi langs tunneltrase ... 7
2.4 Ingeniørgeologisk vurdering... 10
2.5 Erfarte forhold ... 11
3. Oppdølstranda ... 13
3.1 Prosjektbeskrivelse ... 13
3.2 Utførte forundersøkelser ... 14
3.3 Geologi langs tunneltrasé ... 14
3.4 Ingeniørgeologisk vurdering... 18
3.5 Erfarte forhold ... 19
4. Lørentunnelen ... 21
4.1 Prosjektbeskrivelse ... 21
4.2 Utførte forundersøkelser ... 22
4.3 Geologi langs tunneltrasé ... 25
4.4 Ingeniørgeologisk vurdering... 28
5. Measurement While Drilling ... 29
5.1 Bakgrunn ... 29
5.2 Boring i berg ... 31
5.3 MWD boreparametere ... 35
5.4 Kalibrering av tolkningsmodulen ... 36
5.5 Normalisering av boreparametere ... 37
6. Bergmekaniske parametere kartlagt på stuff ... 40
6.1 Bakgrunn ... 40
X
6.2 Q-metoden ... 40
7. Behandling av dataene ... 44
7.1 Bakgrunn ... 44
7.2 Oppsprekking... 45
7.3 Hardhet ... 46
7.4 Bergmekaniske parametere... 48
7.5 Kommentarer til tunnelene ... 48
7.5.1 Eikremtunnelen ... 48
7.5.2 Oppdølstranda ... 49
7.5.3 Lørentunnelen ... 49
7.6 Kommentarer ... 50
8. Sammenligning av MWD-data og bergmekaniske parametere ... 52
8.1 Fremgangsmåte ... 52
8.2 Begrensninger ... 55
9. Resultater ... 57
9.1.1 Eikremtunnelen ... 57
9.1.2 Oppdølstranda ... 60
9.1.3 Lørentunnelen løp A ... 64
9.1.4 Lørentunnelen løp B ... 67
9.2 Sammenligning mellom tunnelene ... 70
10. Diskusjon ... 73
10.1 MWD ... 73
10.2 Bergmekaniske parametere ... 74
10.3 Sammenligning ... 75
10.3.1 Eikremtunnelen ... 75
10.3.2 Oppdølstranda ... 76
10.3.3 Lørentunnelen ... 77
10.4 Sammenligning mellom tunnelene ... 79
11. Oppsummering og konklusjon ... 81
12. Videre arbeid ... 82
Referanser ... 83
XI
Figurliste
Figur 1 Oversikt over plasseringen av de valgte tunnelprosjektene Eikremtunnelen,
Oppdølstranda og Lørentunnelen ... 2
Figur 2 Stor-KRIFAST prosjektet hvor Eikremtunnelen er en del av Rv. 70 Øydegard – Bronneset (Humstad 2009). ... 5
Figur 3 Fordeling av prosjektklasser langs tunnelen (Humstad 2009). ... 6
Figur 4 Angivelse av soner med lav elektrisk motstand i lengdeprofil fra resistivitetsmålingene (Humstad 2009). ... 7
Figur 5 Berggrunnsgeologi i området (NGU 2012). Tunnelområdet er markert. ... 8
Figur 6 Lineamenter og foliasjon analysert fra ortofoto viser to hovedstrukturer; en som følger foliasjonen (strøk NØ-SV) og lineamenter (strøk NV-SØ) (Dalsegg, Saintot et al. 2010). ... 9
Figur 7 Oversiktsbilde over tunnelstrekningen langs Rv. 70 Oppdølstranda ... 13
Figur 8 Berggrunnskart over Oppdølstranda (Karlsen 2010) . Tunneltraseen er vist ved blå stiplet linje. ... 15
Figur 9 Flyfoto over traseen langs Oppdølstranda med inntegnet strukturer og nummererte svakhetssoner (Gjelsten 2010). ... 17
Figur 10 Oversiktsbilde over Oslo. Området hvor Lørentunnelen ligger er ringet ut. ... 21
Figur 11 Berggrunnskart over Oslo-området (NGU 2012). Strekningen der Lørentunnelen ligger er ringet inn. ... 26
Figur 12 Oversikt over dataflyten for borparametertolkning (Høien). ... 30
Figur 13 Utstyr og mekanismer i slaghammerboring (Tatiya 2005). ... 31
Figur 14 Høyere effekt på slaghammer gir høyere penetrasjonsrate (Tamrock 1983). ... 32
Figur 15 Borsynk hastighet som funksjon av materkraft (Tamrock 1983). ... 33
Figur 16 Borkronens påvirkning på berget under boring (Thuro 1997). ... 34
Figur 17 Regresjonslinjer benyttet for normalisering av boreparametere (Schunnesson 1998). ... 38
Figur 18 Rockma sin klassifisering av bergmassen med hensyn til sprekker. ... 45
Figur 19 Rockmas klassifisering av den tolkede hardheten til bergmassen ... 47
Figur 20 Beregning av profilnummer langs injeksjonshull ... 50
XII
Tabell liste
Figur 1 Oversikt over plasseringen av de valgte tunnelprosjektene Eikremtunnelen,
Oppdølstranda og Lørentunnelen ... 2
Figur 2 Stor-KRIFAST prosjektet hvor Eikremtunnelen er en del av Rv. 70 Øydegard – Bronneset (Humstad 2009). ... 5
Figur 3 Fordeling av prosjektklasser langs tunnelen (Humstad 2009). ... 6
Figur 4 Angivelse av soner med lav elektrisk motstand i lengdeprofil fra resistivitetsmålingene (Humstad 2009). ... 7
Figur 5 Berggrunnsgeologi i området (NGU 2012). Tunnelområdet er markert. ... 8
Figur 6 Lineamenter og foliasjon analysert fra ortofoto viser to hovedstrukturer; en som følger foliasjonen (strøk NØ-SV) og lineamenter (strøk NV-SØ) (Dalsegg, Saintot et al. 2010). ... 9
Tabell 1 Antatt fordeling av bergklasser for Eikremtunnelen (Humstad 2009). ... 11
Tabell 2 Sammenstilling av antatte bergklasser og faktisk fordeling registrert under driving (Todnem 2012). ... 12
Figur 7 Oversiktsbilde over tunnelstrekningen langs Rv. 70 Oppdølstranda ... 13
Figur 8 Berggrunnskart over Oppdølstranda (Karlsen 2010) . Tunneltraseen er vist ved blå stiplet linje. ... 15
Tabell 3 Sammenstilling av registrerte sprekkesett med tilhørende strøk og fallretninger for Oppdølstranda (Karlsen 2010). ... 16
Figur 9 Flyfoto over traseen langs Oppdølstranda med inntegnet strukturer og nummererte svakhetssoner (Gjelsten 2010). ... 17
Tabell 4 Oversikt og beskrivelse av de registrerte svakhetssonene for Oppdølstrandatunnelen (Gjelsten 2010). ... 17
Tabell 5 Antatt fordeling av bergklasser for Oppdølstrandatunnelen (Gjelsten 2010) ... 19
Tabell 6 Kartlagt bergklasse under driving av tunnelen på Oppdølstranda (Stormyr 2012). .. 20
Figur 10 Oversiktsbilde over Oslo. Området hvor Lørentunnelen ligger er ringet ut. ... 21
Tabell 7 Oversikt over RQD logget fra kjerneprøvene. ... 24
Tabell 8 Punktlastverdier av prøver tatt fra borehull 1. ... 24
Figur 11 Berggrunnskart over Oslo-området (NGU 2012). Strekningen der Lørentunnelen ligger er ringet inn. ... 26
Tabell 9 Antatt bergartsfordeling fra ca. profil nr. 700-1100 ... 27
Tabell 10 Antatt bergartsfordeling for profil nr. 1200-1500. ... 28
Figur 12 Oversikt over dataflyten for borparametertolkning (Høien). ... 30
Figur 13 Utstyr og mekanismer i slaghammerboring (Tatiya 2005). ... 31
Figur 14 Høyere effekt på slaghammer gir høyere penetrasjonsrate (Tamrock 1983). ... 32
XIII
Figur 15 Borsynk hastighet som funksjon av materkraft (Tamrock 1983). ... 33
Figur 16 Borkronens påvirkning på berget under boring (Thuro 1997). ... 34
Figur 17 Regresjonslinjer benyttet for normalisering av boreparametere (Schunnesson 1998). ... 38
Figur 19 Rockmas klassifisering av den tolkede hardheten til bergmassen ... 47
Figur 20 Beregning av profilnummer langs injeksjonshull ... 50
Tabell 11 Faktorer som de tolkede sprekkeverdiene er multiplisert og addert med for de ulike tunnelene. ... 53
Tabell 12 Gruppering av grad av korrelasjon ved regresjonsanalyse av geologiske parametere (Holmøy 2008). ... 55
Tabell 13 Sammenheng mellom tolkede sprekkeverdier og RQD for Eikremtunnelen ... 58
Tabell 14 Sammenheng mellom tolkede sprekkeverdier og RQD/Jn for Eikremtunnelen ... 59
Tabell 15 Sammenheng mellom tolkede sprekkeverdier og RQD for Oppdølstranda ... 61
Tabell 16 Sammenheng mellom tolkede sprekkeverdier og RQD/Jn for Oppdølstranda ... 63
Tabell 17 Sammenheng mellom tolkede sprekkeverdier og RQD for Lørentunnelen løp A ... 65
Tabell 18 Sammenheng mellom tolkede sprekkeverdier og RQD/Jn for Lørentunnelen løp A ... 66
Tabell 19 Sammenheng mellom tolkede sprekkeverdier og RQD for Lørentunnelen løp B ... 68
Tabell 20 Sammenheng mellom tolkede sprekkeverdier og RQD/Jn for Lørentunnelen løp B ... 69
Tabell 21 Sammenstilling av sammenhengen mellom tolkede sprekkeverdier og RQD for alle tunnelene. ... 71
Tabell 22 Sammenstilling av sammenhengen mellom tolkede sprekkeverdier og RQD/Jn for alle tunnelene ... 71
Tabell 23 Sammenstilling av resultatene fra regresjonsanalysen mellom de tolkede sprekkeverdiene og RQD for alle tunnelene ... 72
Tabell 24 Sammenstilling av resultatene fra regresjonsanalysen mellom de tolkede sprekkeverdiene og RQD/Jn for alle tunnelene ... 72
XIV
1
1. Introduksjon
1.1 Bakgrunn for oppgaven
MWD benyttes i dag i de aller fleste tunnelprosjekter i Norge. I Statens vegvesens Håndbok 021 ”Veitunneler” er det satt at borparametertolkning bør som et minimum være operativt der forundersøkelsene antyder bergklasse D eller dårligere. Borparametertolkning er også med på å legge et godt grunnlag for sluttdokumentasjonen for tunnelene, men bruken av MWD er noe begrenset.
Noe som er med på å begrense bruken, er lite kunnskap om MWD og trygghet til å stole på disse dataene. Det er så langt i Norge ikke forsket mye på sammenhengen mellom bergmekaniske parametere som er kartlagt på stuff og MWD dataene annet enn visuelle sammenligninger. Dersom det er en sammenheng mellom de godt kjente og brukte kartleggingsmetodene og boreparameterne, vil det kunne være med på å styrke MWD og øke nytteverdien av denne metoden.
I denne masteroppgaven er det valgt å benytte MWD-data fra tre tunneler. Disse er Eikremtunnelen og Oppdølstranda i Møre og Romsdal og Lørentunnelen i Oslo.
Plasseringen av tunnelene er vist i et oversiktsbilde i Figur 1. Disse tunnelene drives i svært ulik geologisk setting, der Eikremtunnelen og Oppdølstranda ligger i gneisregionen på nordvest-landet og Lørentunnelen ligger i Oslo sin komplekse geologi.
Tunnelene ble valgt på grunnlag av tilgjengelig data og det er Rockma AB som er leverandør av MWD-dataene for alle disse tunnelene. Valget av å benytte én leverandør for å vurdere dataene er gjort på grunnlag av tilbakemeldinger om at Rockma sitt system er stabilt og at Statens vegvesen har god erfaring med dette systemet. Det vil også være enklere å utføre en sammenligning mellom de ulike tunnelene, da grunnlaget for beregningene vil være likt for alle tunnelene.
2
Figur 1 Oversikt over plasseringen av de valgte tunnelprosjektene Eikremtunnelen, Oppdølstranda og Lørentunnelen
MWD dataene som er benyttet i denne oppgaven foreligger i tekstformat som er sortert og videre benyttet i Excel. Dette gjør det mulig å utføre en sammenligning mot tallverdiene som er kartlagt på stuff av ingeniørgeologer.
1.2 Formål og omfang
Formålet med oppgaven er å utføre en sammenligning mellom MWD-dataene og de bergmekaniske parameterne som er kartlagt i tunnelen. Dette gjøres for å vurdere disse metodene opp mot hverandre, som begge representerer ingeniør- geologiske undersøkelsesmetoder i tunnelen og benyttes som sluttdokumentasjon og for sikringsvurdering. Den ene metoden er automatisert, mens den andre metoden er mer subjektiv.
Det er valgt å benytte tre tunneler for å få et godt sammenligningsgrunnlag. Med dette ligger det et grunnlag for å både kunne vurdere tunnelene hver for seg og også sammenligne resultatene fra tunnelene mot hverandre. Dette gir et større
3 grunnlag for å forstå både sammenhenger og avvik. Det har vært et poeng å benytte tunneler som ligger i ulik geologi, da dette er med å påvirke MWD- dataene. Eikremtunnelen og Oppdølstranda ligger i samme område, men dette kan være med på å styrke resultatene dersom de viser like trender.
1.3 Fremgangsmåte
MWD-dataene foreligger som relative verdier i tekstformat og er først behandlet i programvaren SPSS (IBM 2010) som er et statistisk program som kan behandle store mengder data. Dette er valgt å benyttes på grunn av datamengden og enkelheten ved å sortere dataene, som vil være noe mer tidkrevende i Excel (Microsoft 2010).
Q-verdiene foreligger i Excel-format, men er ikke gitt for hver meter. Verdiene er derfor behandlet for å få Q-verdier for hvert profilnummer, siden MWD-dataene også er behandlet for å foreligge for hver meter.
Disse dataene er sammenlignet i Excel ved å lage grafer for de verdiene som kan sammenlignes. For å kunne utføre denne sammenhengen, er MWD-dataene multiplisert og addert opp til å ligge rundt samme intervallet som Q-verdiene. Det er store variasjoner i dataene, så det er valgt å benytte glidende gjennomsnitt for å enklere få en oversikt over trendene til grafene. Det er også benyttet XY-plott for å utføre en regresjonsanalyse for å vurdere hvor god sammenhengen er.
1.4 Begrensninger
Noe av problemet med å sammenligne MWD-data med kartlagt data, er at de kartlagte dataene ofte er mangelfulle. Dette er tilfellet ved kartlegging av innlekkasje i tunnel. I kartleggingsdokumentene er det kartlagt lekkasjepunkt, men ikke størrelsen på innlekkasjen. Sammenligningen måtte derfor kun bestå av en visuell evaluering av borparametertolkningen mot kartlagt lekkasje. Dette vil ikke være hensiktsmessig, da masteroppgaven baserer seg på en systematisk og teknisk sammenligning mellom dataene.
4
I tunneler hvor det er utført systematisk forinjeksjon vil det også oppstå et problem i forhold til sammenligningen mellom innlekkasjedataene. Borparameter- tolkningen baserer seg på verdier fra områder som enda ikke er injisert, mens kartleggingen av lekkasjer utført av ingeniørgeologer vil foregå i områder hvor berget allerede er tettet. De lekkasjepunktene som registreres ved stuff, representerer derfor ikke nødvendigvis den tilstanden som boreparameter- tolkningen viser. Det er derfor valgt å se bort i fra sammenligningen mellom vann registrert med MWD og kartlagt innlekkasje.
Kartlegging av sprekkefrekvens i antall per meter er også mangelfullt. Det er angitt sprekkene med strøk og fall i Novapoint (Vianova 2011) rapporter, men kun for enkelte av disse sprekkene er det oppgitt sprekkefrekvens. Det er derfor ikke nok grunnlag i disse dataene til å utføre en systematisk sammenligning mot MWD dataene.
Borparametertolkningen gir store mengder data, da det ofte er registreringer per 2 cm i hvert borehull langs tunnelen. For Oppdølstranda og Eikremtunnelen stammer dataene fra salveboringen, som resulterer i mye data. På det grunnlaget har det vært nødvendig å gjøre en begrensning av dataene for Oppdølstranda som er en 7,5 km lang tunnel ved å velge ut to strekninger som skal analyseres.
5
2. Eikremtunnelen
2.1 Beskrivelse av prosjektet
Eikremtunnelen er en del av prosjektet Stor-KRIFAST og tunnelen har som grunnlag å erstatte en svingete og ufremkommelig del av Rv. 70, samt sørge for at det er sammenhengende tofeltsvei fra Tingvoll til Kristiansund. Totalt er prosjektet mellom Øydegard og Bronneset 4,2 km langt (Figur 2), hvor Eikremtunnelen representerer 980 meter av denne strekningen. Det var gjennomslag i tunnelen 5. Mai 2011 og den stod ferdigstilt 27. Februar 2012.
Tunnelen går delvis under bebygget område, dyrket mark med stedvis mektig løsmassedekke og utkantområder med tynt løsmassedekke (Todnem 2012).
Figur 2 Stor-KRIFAST prosjektet hvor Eikremtunnelen er en del av Rv. 70 Øydegard – Bronneset (Humstad 2009).
Tunnelen har geoteknisk prosjektklasse 2 med profil T8,5 og har en stigning på 2,1 % mot sør. En strekning på 300 meter fra profil 950 til 1250 går under geoteknisk prosjektklasse 3 (se Figur 3). Bakgrunnen for dette er å ivareta sårbar bebyggelse i terrenget over denne delen av tunnelen og knyttet til kryssing av svakhetssoner og mulig innlekkasje under driving (Humstad 2009).
6
Figur 3 Fordeling av prosjektklasser langs tunnelen (Humstad 2009).
2.2 Utførte forundersøkelser
Forundersøkelsene som er utført for Eikremtunnelen er grunnboring, refraksjonsseismikk og resistivitetsmålinger i tillegg til ingeniørgeologisk kartlegging av området.
Det er utført grunnboring for å finne løsmassemektigheten i området.
Grunnboringene som er utført nærmest tunneltraseen viser en maksimum dybde til berg på 3,3 meter. Tidligere utførte boringer i området viser at bergoverflaten stiger mot øst. Refraksjonsseismikk er benyttet for å dokumentere berg- overdekningen over tunnelen.
Resultatene fra refraksjonsseismikken viste en generelt middels til god bergmassekvalitet, men med innslag av enkelte svakhetssoner. Det er totalt 14 utlegg av linjer, på til sammen 1520 meter, hvor det er utført seismikk.
Resultatene er fordelt slik:
Svakhetssoner (<4000 m/s) 12% (190 m)
Middels bergmassekvalitet (4000-4999 m/s) 43% (652 m)
God bergmassekvalitet (≥5000 m/s) 45% (678 m)
Eikremtunnelen ble plukket ut som et pilotprosjekt og derfor ble det også utført resistivitetsmålinger for denne tunnelen. Dyptgående soner som viste lavere resistivitet enn 1000 Ωm ble skilt ut og sammenlignet med seismiske lavhastighetssoner. Sonene med lav motstand registrert med resistivitets- målingene samsvarer generelt godt med lavhastighetssoner fra seismikk-
7 undersøkelsene (Humstad 2009). Figur 4 viser lengdeprofil med anvisning til profilnummer hvor det er registrert elektrisk motstand mindre enn 1000 Ωm.
Figur 4 Angivelse av soner med lav elektrisk motstand i lengdeprofil fra resistivitetsmålingene (Humstad 2009).
2.3 Geologi langs tunneltrase
Fra Norges geologiske undersøkelser (NGU) sitt bergrunnskart, Figur 5, fremgår det at det i hovedsak forekommer tre hovedenheter av bergarter. Disse er:
Granittisk til diorittisk gneis, migmatitt Amibolitt, lagdelt amfibolitt, amfibolrik gneis
Glimmerskifer, amfibolitt, kalksilikatskifer, metasandstein, kalkspat- marmor og gneis.
8
Figur 5 Berggrunnsgeologi i området (NGU 2012). Tunnelområdet er markert.
I nordvest består berggrunnen av granittisk til diorittisk gneis, som er en enhet av god kvalitet med relativt lite sprekker og mindre utpreget foliasjon (Dalsegg, Saintot et al. 2010). Enheten i sørøst er svært sammensatt og består vekselvis av glimmerskifer, amfibolitt, kalsilikatskifer, metasandstein, kalkspatmarmor og paragneis som er av dårligere kvalitet, er stedvis svært oppsprukket og er tydelig preget av foliasjonen (Dalsegg, Saintot et al. 2010).
Bergarten i området har strøk rundt NØ-SV og faller hovedsakelig 20-40° mot NV, men på grunn av foldninger i bergmassen varierer denne fallvinkelen (Todnem 2012). Oppsprekkingen som er kartlagt viser en mindre oppsprukket bergmasse fra det nordlige påhugget enn lenger sørøst. I den sørøstlige delen er bergmassen tett oppsprukket, og fremstår enkelte steder fra tett oppsprukket til
”sukkerbitfjell” og er til dels sterkt forvitret. Sprekke-avstanden varierer fra 1-2 cm i sprekkesoner til over 1 meter enkelte steder der bergmassen er massiv (Dalsegg, Saintot et al. 2010). Variasjonene er store lokalt.
Dalsegg E. et al. (2010) har utført en strukturgeologisk analyse av området. Figur 6 viser analyser av foliasjonen og lineamenter fra ortofoto. Tunnelstrekningen er
9 markert med gul linje. Strukturene ligger i hovedsak normalt og parallelt til tunnelaksen. I området hvor tunnelen ligger, krysser strukturene normalt til aksen.
Figur 6 Lineamenter og foliasjon analysert fra ortofoto viser to hovedstrukturer;
en som følger foliasjonen (strøk NØ-SV) og lineamenter (strøk NV-SØ) (Dalsegg, Saintot et al. 2010).
Bergartskontakten mellom de to geologiske enhetene er utsatt for forkastninger, forvitring og vannførende soner. Foliasjonen har generell NØ-SV strøkretning og ca. 40 grader fall mot NV (Dalsegg, Saintot et al. 2010). Andre strukturer er steile NØ-SV forkastninger og/eller sprekksoner som er utviklet langsetter foliasjon hvor foliasjon er steilere enn 40 grader, eller forkastningssonene kutter foliasjonen der foliasjonen har moderat til slakt fall (Dalsegg, Saintot et al. 2010). Steile forkastninger og/eller sprekkesoner med en klar Ø-V trend som kutter foliasjonen.
10
Polplott og sprekkeregistreringer fra feltkartleggingen viser et sprekke-system med to hovedsprekkesett. Disse består av oppsprekking parallelt med bergartens strøk/foliasjon, og ett med spiss vinkel på dette (Humstad 2009):
1. Strøksprekker: Stryker NNØ-SSV og faller slakt mot NV 2. Tverrsprekker: Stryker NNV-SSØ og faller steil mot NØ og SV
2.4 Ingeniørgeologisk vurdering
Diorittisk og granittisk gneis vil erfaringsmessig generelt gi en god bergmassekvalitet (Humstad 2009). Dette på grunn av høy trykkfasthet og massive struktur. I områder der gneisen er migmatittisk, eller er markert lagdelt på grunn av hyppige glimmerlag, vil det imidlertid kunne forekomme åpne til dels plane slepper/sprekker kunne forekomme.
Amfibolitten opptrer ofte flakig med glatte sprekkeplan og innslag av svake glimmerlag, noe som kan føre til utfall av flak i heng og behov for systematisk bolting. Den har erfaringsmessig noe lavere trykkfasthet enn gneisen og det kan derfor forventes noe lavere bergmassekvalitet der det drives i denne bergarten (Humstad 2009).
Det er antatt at diorittisk/granittisk gneis opptrer hyppigst under høydedragene i området, mens der det er forsenkninger vil det mest sannsynlig treffes på amfibolitt og glimmerskifer (Humstad 2009). Dette støttes delvis av resultatene fra seismikkhastighetene som viser noe lavere hastigheter i forsenkningene og fra feltobservasjonene.
Basert på forundersøkelsene er det satt opp en prosentfordeling over hvilke bergklasser det forventes å møtes i tunnelen. Denne fordelingen er vist i Tabell 1.
Det er antatt at hoveddelen av tunnelen ligger innenfor bergklasse A til D, men at det kan møtes på noen svakhetssoner med svært dårlig til ekstremt dårlig bergmasse.
11 Tabell 1 Antatt fordeling av bergklasser for Eikremtunnelen (Humstad 2009).
Bergklasse
Typiske egenskaper
Antatt fordeling langs tunnelen Q-verdier
Seismiske hastigheter
(m/s)
A/B God 10-40 >4500 365/980 = 37 %
C Middels 4-10 4000-4500 300/980 = 31 %
D Dårlig 1-4 3500-4000 267/980 = 27 %
E Svært dårlig 0,1-1 3000-3500 31/980 = 3 %
F Ekstremt dårlig 0,01-0,1 <3000 17/980 = 2 %
2.5 Erfarte forhold
Under driving av tunnelen ble de forventede bergartene påtruffet, men det ble ikke registrert noen klare bergartsgrenser. Det største avviket var den dårlige bergmassekvaliteten som ble møtt fra profil 1250-1450, hvor det var forventet å møte på diorittisk/granittisk gneis (Todnem 2012).
Sprekkene som er registrert ved ingeniørgeologisk kartlegging under driving, viser at tverrsprekkene generelt er noe mer dominerende enn det som er forventet fra feltkartleggingen (Todnem 2012). Men for øvrig er det godt samsvar mellom det som var forventet og det virkelige sprekkesystemet.
Tabell 2 viser sammenstillingen mellom antatt bergklassefordeling langs tunnelen og fordelingen som ble registrert under driving. Den viser at det i hovedsak er god overensstemmelse mellom bergklasse A/B og C, men større deler av tunnelen enn forventet har havnet under bergklasse E. Dette er i hovedsak knyttet til den søndre delen av tunnelen, hvor det var forventet å treffe diorittisk/granittisk gneis, mens det i stede ble påtruffet amfibolitt.
12
Tabell 2 Sammenstilling av antatte bergklasser og faktisk fordeling registrert under driving (Todnem 2012).
Bergklasse Q-verdier
Antatt fordeling langs
tunnelen
Fordeling ut fra kartlegging under
driving
A/B God 10-40 37 % 33 %
C Middels 4-10 31 % 31 %
D Dårlig 1-4 27 % 13 %
E Svært dårlig 0,1-1 3 % 22 %
F Ekstremt dårlig 0,01-0,1 2 % 1,5 %
13
3. Oppdølstranda
3.1 Prosjektbeskrivelse
Rv. 70 langs Oppdølstranda er en svært rasutsatt strekning med tanke på både steinsprang og snøskred. Det har de siste årene vært flere svært alvorlige hendelser langs dette strekket og det ble derfor prioritet å bygge en tunnel som er 7,5 km lang etter tunnelklasse T9,5 (Gjelsten 2010). Dette skal gi en ny rassikker vei.
Tunnelen går under ubebygd område med innslag ved Sunndalsøra i sør, innslag i Modalen i nord og et 400 meter langt tverrslag om lag halvveis mellom disse to, se Figur 7. Den vil få et fall på ca. 2,0 % fra nord til sør.
Figur 7 Oversiktsbilde over tunnelstrekningen langs Rv. 70 Oppdølstranda
Tunnelen går under høye fjell og vil ha en overdekning på ca. 575 meter på det meste (Gjelsten 2010). Hovedsakelig ligger overdekningen på mellom 250 og 300 meter. Topografiske spenninger fra fjelltopper på over 1000 meter vil kunne medføre spenningsproblemer. Traséen går gjennom et nesten kontinuerlig fjellmassiv fra sør til nord, kun avbrutt av den dype Sandvikdalen (Karlsen 2010).
Hele tunnelen er underlagt geoteknisk prosjektklasse 3.
14
3.2 Utførte forundersøkelser
Forundersøkelsene som er utført for Oppdølstranda er grunnboringer og refraksjonsseismikk i tillegg til feltbefaring og ingeniørgeologisk kartlegging.
Alle disse undersøkelsene ble utført i 2009.
Grunnboringene er utført for påhuggsområdene, men ikke for selve påhuggene, da disse ligger i ur og fast berg. Boringene utført i Modalen, ligger for langt unna påhuggsområdet og er derfor ikke med i vurderingen. De boringene som er gjeldene viser homogent og god bergkvalitet.
Den refraksjonsseismiske undersøkelsen er utført i området for det nordlige påhugget. Det var tre seismiske linjer som viste seg å være signifikante for den videre prosessen. Resultatene fra denne undersøkelsen viste målte hastigheter mellom 600 – 4000 m/s, hvor 2600 – 4600 m/s er tolket som fast fjell (Gjelsten 2010). De laveste hastighetene kan skyldes forekomster av store blokker og urmateriale.
Både refraksjonsseismikken og grunnboringene er utført i Modalen, men det er ikke noen overlapping mellom disse metodene. Tolkningen av de seismiske undersøkelsene vurderes derimot å gi et tilfredsstillende bilde av sediment tykkelse og bergmassekvalitet i dette området (Gjelsten 2010).
3.3 Geologi langs tunneltrasé
Berggrunnen i området består i hovedsak av ulike gneiser. Figur 8 viser berggrunnskart over området hvor traseen er merket ut med blå stiplet linje.
Gneisens tekstur varierer mellom båndgneis og øyegneis, hvor det er båndgneisen som dominerer (Karlsen 2010).
Gneisene har varierende sammensetning og i følge geologisk berggrunnskart defineres de som (Karlsen 2010):
Granittisk til diorittisk grov- til finkornet, biotittholdig (Tilhører Kvitvoldekket)
15
Grovkornet granittisk gneis, øyegneis, gneisgranitt.
Inni den dominerende båndgneisen opptrer øyegneisen i lag av varierende tykkelse, men mektigheten ligger på ca. 1 meter. I båndgneisen er avstanden mellom båndene 10 – 15 cm (Karlsen 2010).
Figur 8 Berggrunnskart over Oppdølstranda (Karlsen 2010). Tunneltraseen er vist ved blå stiplet linje.
Bergarten viser både tegn til duktil og sprø deformasjon. Den duktile deformasjonen har ført til myke folder, dragfolder og rotasjon av øyene i gneisen.
Dette har resultert i en gjennomsettende tektonisk foliasjon (F1) (Karlsen 2010).
Etter etableringen av F1 har bergarten blitt gjennomsatt av minst fire sprø deformasjonsretninger. Beskrivelse av strukturene og tilhørende strøk og fallretning er sammenstilt i Tabell 3.
16
Tabell 3 Sammenstilling av registrerte sprekkesett med tilhørende strøk og fallretninger for Oppdølstranda (Karlsen 2010).
Sprekkesett Strøk/fall Sprekkeavstand Beskrivelse
F1 foliasjon 360°/20° -
20°/40° Over 100 cm
Gjennomsettende struktur, glatt og svakt bølgete. Ingen
sprekkebelegg.
S2 40°-
60°/80° Ca. 100 cm
Sprøtt deformerte strukturer, glatte og lite bølgete. Mindre gjennomsettende enn F1. Flater med cm-tykt lag av sekundær kvarts og feltspat.
S3 70°-
90°/80° Sprekkefyll
Like gjennomsettende som F1.
Sprø deformasjon, glatte og lite bølgete sprekkeflater. Flater med cm-tykt lag av sekundær kvarts og feltspat.
Sz 130°/80°
Skjærsonestruktur, noe mindre gjennomsettende enn F1. Sprø deformasjon med lag på 10-50 cm bestående av oppknust materiale med nærmest skifrig tekstur og kvalitet.
Det er registrert sju svakhetssoner fra kartstudier, flyfoto og feltbefaringer.
Beskrivelse og rundt hvilke profilnummer disse sonene er forventet å møtes i tunnelen fra forundersøkelsene er beskrevet i Tabell 4. Svakhetssonene er vist som nummererte punkt i Figur 9, sammen med de viktigste registrerte strukturene for området. Svart linje representerer F1, rød S2, blå S3 og gult viser skjærsoner Sz.
17 Figur 9 Flyfoto over traseen langs Oppdølstranda med inntegnet strukturer og nummererte svakhetssoner (Gjelsten 2010).
Tabell 4 Oversikt og beskrivelse av de registrerte svakhetssonene for Oppdølstrandatunnelen (Gjelsten 2010).
Sone Profilnr. Beskrivelse
I 1030-1070
Ca. 120 meter inn fra påhugg i sør. Strukturer dominert av Sz med strøk på om lag 130° og tilnærmet vertikalt fall. Overdekning kan være ned mot 40 meter, og sonen er mulig vannførende.
II og III 2410-2430 2280-2340
Tunneltraseen krysser sonene omtrentlig vinkel-rett.
De er gjennomsettende i terrenget og antas å gå dypt.
Samsvar med S3 og Sz med orientering omtrent 90°/80° og 130°/80°.
IV a 3600-3700
Markert forsenkning i terregnet. Dal som slynger seg fra vegen og opp til fjellet med retning SØ-NØ. Preget av S3 og Sz strukturer. Traseen vil med stor sannsynlighet krysse sonen i en vinkel på 40-50°.
IV b 3830-3870
Markert V-dal. Spesielt preget av S2-strukturer.
Mektighet omtrentlig 50 meter. Gunstig retning i forhold til tunnelen. Traseen vil med stor sannsynlighet krysse sonen i en vinkel på 40-50°.
V 4370-4420 Markert gjennomsettende sone med orientering 60°/70°, sammenfallende med S2-strukturene. Mindre fremtredende enn sone IV.
VI og VII
6270-6300 6950-6980
Sannsynligvis mindre fremtredenden i tunnelnivå.
Samsvarer med S3- og Sz-strukturene med orientering på henholdsvis 90°/85° og 120°/85°.
18
3.4 Ingeniørgeologisk vurdering
Diorittisk til granittisk gneis vil erfaringsmessig generelt gi en god bergmassekvalitet (Gjelsten 2010). I områdene der gneisen er migmatittisk eller er lagdelt på grunn av glimmerlag i bergarten, vil det kunne forekomme plane sprekker eller slepper.
Det er fra kartleggingen registrert spredte, men få forekomster av amfibolitt som linser mellom større partier av gneis. I områdene der det er registrert amfibolitt kan det være fare for flakutfall i hengen på grunn av dannelsen av flakig og glatte sprekkeplan (Gjelsten 2010). Det burde derfor boltes systematisk etter hver salve for å binde sammen disse lagene.
Det er i hovedsak de større strukturene, som svakhetssonene, oppsprekkingsmønsteret og strukturer som vil ha størst innvirkning på drivingen av tunnelen (Gjelsten 2010). Det er også knyttet en vesentlig usikkerhetsfaktor til de mulige høye bergspenningene i området på bakgrunn av den store overdekningen. Dette kan medføre til et mye større sikringsomfang.
Ut fra forundersøkelsene er det ikke mulig å identifisere områder hvor det forventes svært dårlig til ekstremt dårlig bergmasse. Men det kan ikke utelukkes at tilstanden til noen av svakhetssonene og påhuggsområdene kan komme innenfor disse klassene. Det er ut i fra ingeniørgeologisk tolkning fra feltobservasjoner og antatte Q-verdier estimert en fordeling av bergklassene i området som vist i Tabell 5.
19 Tabell 5 Antatt fordeling av bergklasser for Oppdølstrandatunnelen (Gjelsten 2010)
Bergklasse Q-verdier Antatt % fordeling langs tunnelen
A/B God 10-40 34 %
C Middels 4-10 42 %
D Dårlig 1-4 13 %
E Svært dårlig 0,1-1 7 %
F Ekstremt dårlig 0,01-0,1 4 %
3.5 Erfarte forhold
Ved 10. oktober 2012 var det drevet til sammen 7,1 km. Dette betyr at det kun gjenstår 400 meter før det er gjennomslag i tunnelen.
Basert på kartleggingsdata er det satt opp en oversikt over kartlagte Q-verdier og bergmasseklasser for deler av tunnelen. Denne oversikten inkluderer data fra profil 997 – 1441 og fra profil 2497 – 4303. Dette er tunnelstrekningen som er drevet fra påhugget ved Sunndalsøra og tunnelstrekningen drevet fra tverrslaget i begge retningene (Stormyr 2012).
Sammenstilling mellom erfaringene om bergmassen gjort under drivingen av tunnelen og den antatte bergklassefordelingen viser at bergmassen har bedre kvalitet enn forventet. Det er ingen områder som har kommet inn under bergklasse E og F, se Tabell 6.
20
Tabell 6 Kartlagt bergklasse under driving av tunnelen på Oppdølstranda (Stormyr 2012).
Bergklasse Q-verdi Kartlagt Q-
verdi Lengde
A/B God 10-40 45 % 1011 m
C Middels 4-10 51 % 1147 m
D Dårlig 1-4 4 % 92 m
E Svært dårlig 0,1-1 0 % 0 m
F Ekstremt dårlig 0,01-0,1 0 % 0 m
Det har forekommet bergtrykksproblematikk i form av avskalling langs intervallet 3400-3500, som er like ved sammenkoblingen mellom tverrslaget og hovedtunnelen i retning Modalen. Bergarten i området hvor sprak er kartlagt er beskrevet som mindre kompetent enn omkringliggende bergart.
21
4. Lørentunnelen
4.1 Prosjektbeskrivelse
Lørentunnelen er en del av prosjektet Rv.150 Ring 3 Ulven – Sinsen. Figur 10 viser et oversiktsbilde over Oslo hvor utbyggingsområdet er ringet inn. Denne strekningen er svært trafikkert og prosjektet har som mål å øke trafikksikkerheten og bedre trafikkavviklingen i området. Tunnelene går mellom Økern og Sinsen og er ca. 1200 meter lang, hvor 915 meter går i fjell og 300 meter i betong ved inngangspartiene.
Tunnelen bygges med to parallelle løp med profil T12,5. Det østgående løpet er kalt 10 000 eller K2, mens det vestgående løpet kalles 11 000 eller K3. Langs hele tunnelen er det varierende bergoverdekning som varierer mellom 7 meter opptil 25-30 meter (Iversen and Kveen 2007). Prosjektet har geoteknisk prosjektklasse 3 siden den drives i urbant strøk og det er store krav til innlekkasje og sikkerhet.
Figur 10 Oversiktsbilde over Oslo. Området hvor Lørentunnelen ligger er ringet ut.
Området over traseen har tett bebyggelse, og det må derfor tas høyde for dette under drivingen med tanke på innlekkasje og rystelser.
22
Det var gjennomslag i det første løpet den 10. februar 2011 og det andre løpet hadde gjennomslag 10. mars 2011.
4.2 Utførte forundersøkelser
For Lørentunnelen er det utført omfattende forundersøkelser, da mye dokumentasjon er viktig når det drives i urbane strøk. Undersøkelsene som er utført er (Iversen and Kveen 2007):
Bergkontrollboringer
Kjerneboringer
Seimsikk – to på 110 meter hver
Overflate tomografi i borehull
Punktlasttester
Svelleleireprøve
Simuleringer i Phase2
Lineament-analyse
Fra bergkontrollboringene ble det funnet at minste bergoverdekning vil være ved en dyprenne på ca. profil 1230 i løp K2 på ca. 7 meter. I enkelte områder ligger det løsmasser og leire med en mektighet på opptil 30 meter.
Kjerneboringen er utført for å undersøke bergkvalitet og bergartsfordeling langs tunnelen og for å ta Lugeonmålinger for å undersøke potensiell innlekkasje i tunnelen. Det er boret fire hull og plasseringen av disse hullene er (Iversen and Kveen 2007):
Borehull 1: Over K3 fra profil 1400-1430 og over K2 fra profil 1340- 1255.
Borehull 2: Går over K3 fra profil 700-940, skjærer ut mot nord.
Borehull 3: Del av hull 2 etter tilbaketrekning ble hullet styrt til høyre over østgående løp K2. Bøyer av mot venstre. Avbrutt på grunn av ras i hullet.
Borehull 4: Går over K3 fra profil 860-940, skjærer ut mot syd.
23
Borehull 4: Går over K2 fra profil 1000-1070, kommer ut fra nord og skjærer ut mot syd.
Kjernene ble logget og RQD ble funnet for alle kjernene, ved siden av vanntapsmålinger. Registreringen av RQD for alle borkjernene viser at størst prosentdel av kjernene har en RQD på 90-100 og 50-75. Det er gjennomgående for alle kjernene. Oversikt over logget RQD fra borehull 1, 2 og 4 er vist i Tabell 7. Det er også utført punktlasttesting på prøver tatt fra borehull 1. Resultatet fra denne testen er vist i Tabell 8. Syenitten viser en svært høy enaksiell trykkfasthet, mens de sedimentære bergartene har en hardhet mellom 29 og 45 MPa.
Fra kjernene har det blitt testet en leirprøve for svellende egenskaper. Prøven er tatt fra borehull 2, altså løp K3 på hulldybde 275,65 – 275,90 meter. Resultatene viste en frisvelling på 170 % som klassifiseres som svært ativ (Iversen and Kveen 2007).
Det er utført refraksjonsseismikk over sonen ved Spireaveien hvor det er antatt lavest bergoverdekning og mest løsmasse. Det ene utlegget viste hastigheter varierende mellom 4500-5300 m/s utenfor to lavhastighets-soner med hastighet 3300 m/s og 3600 m/s. Det andre utlegget viste hastigheter varierende mellom 4500-5300 m/s utenfor to lavhastighetssoner på 3300 m/s og 4000 m/s. Største bredde registrert på svakhetssonene er 17 meter (Iversen and Kveen 2007).
Tomografien som ble utført bekreftet bergoverflaten til bergkontrollboringen og refraksjonsseismikken og påviste ikke mindre bergoverdekning i tunnel-nivå. Den har påvist en lavhastighetssone utenfor de som ble funnet med refraksjonsseismikken.
24
Tabell 7 Oversikt over RQD logget fra kjerneprøvene.
Borehull 1
RQD intervall Antall m Antall sprekker/ m3 Prosent
0-25 13 <27 5
25-50 39 20-27 15
50-75 58 13-19 22
75-90 40 8-12 15
90-100 118 0-7 44
Borehull 2
0-25 38 <27 13
25-50 39 20-27 13
50-75 58 13-19 20
75-90 40 8-12 14
90-100 118 0-7 40
Borehull 4
0-25 53 <27 18
25-50 39 20-27 13
50-75 65 13-19 22
75-90 54 8-12 19
90-100 80 0-7 27
Tabell 8 Punktlastverdier av prøver tatt fra borehull 1.
Fra m Til m Bergart Is50
MPa
Enaks.
MPa
Rock Strength ISRM 1978
116 116 Syenitt 8,9 178 Very high
162 163,5 Kollekalk 3,2 45 Medium
187 187 Porfyrisk syenitt 9 180 Very high
240 244 Mørk skifer, breksjiert 2,9 41 Medium
261 266 Mørk skifer 2,1 29 Medium
267 273 Skifer 2,6 36 Medium
25
4.3 Geologi langs tunneltrasé
Bergartene for tunnelstrekningen består av Oslofeltets kambrosiluriske sedimenter (ca. 460-480 mill. år) og gjennomsettende permiske ganger (ca. 260-280 mill. år).
Figur 11 viser berggrunnskart over området. Kartet er lite detaljert og viser kun en bergart som er definert som leirskifer, mergelskifer og kalkstein, ordovicisk alder.
Sedimentære bergarter:
De sedimentære bergartene som er observert ved tunneltraseen er:
Leirskifer
Knollekalk
Mørk skifer
I tynnslip er disse sedimentære bergartene finkornige og med varierende innhold av kalk/karbonat. Høyt karbonatinnhold, som i knollekalk, gir lysere farger på bergarten (Iversen and Kveen 2007). Den mørke skiferen har derfor et lavere innhold av karbonat, men et høyrer innhold av finkornet glimmer og grafitt (Iversen and Kveen 2007).
Glimmermineralene er orientert med lengste akse i foliasjonsretningen, men det er kun i den mørke skiferen at dette bidrar til å danne en foliasjon/ sprekkeretning som påvirker stabiliteten til bergarten (Iversen and Kveen 2007).
Bergartssekvensen har undergått foldning under den kaledonske fjellkjededannelsen og har foldakser i NØ-SV retning og lagningen er parallell med denne retningen. I de mørke skiferne er det utviklet en akseplanfoliasjon som gir utslag i et ekstra sprekkesett med ofte glatte og plane sprekker.
26
Figur 11 Berggrunnskart over Oslo-området (NGU 2012). Strekningen der Lørentunnelen ligger er ringet inn.
Gangbergarter:
Det er flere gangbergart typer som skjærer gjennom den sedimentære lagrekken.
Dette er i hovedsak:
Mænaittganger
Rombeporfyrganger
Syenittganger
Diabasganger
Disse er noe forskjellig med tanke på mektighet, retning, omvandling og oppsprekking. De kan være mer oppsprukket med flere sprekkeretninger og ha tettere sprekker enn de sedimentære bergartene.
I Oslo-området viser syenittgangene stor utholdenhet. De kan ha opptil 20 – 30 meters mektighet og følger ofte en tilnærmet N-S retning (Iversen and Kveen 2007). Mens de mindre gangene vil ha en mye mer kompleks orientering, der de skifter retning flere ganger over korte strekninger.
Gangene har ofte en sveiset kontakt i den ene siden og en deformert åpen kontakt på andre siden. I tynnslip har alle prøvene av gangbergartene vist en viss grad av
27 omdanning, særlig av feltspat til glimmer (Iversen and Kveen 2007). Denne omdannelsen kan føre til leirdannelser i knusnings og svakhetssoner.
Det er registrert flere dyprenner i området med mye løsmasse. Bergartene under disse dyprennene antas å være av dårligere bergkvalitet enn ellers (Iversen and Kveen 2007). Epidotfylte soner er dannet i Oslo-feltet i forbindelse med forkastningssoner. Det er sannsynlig at den ene dyprennen er en slik forkastningssone (Iversen and Kveen 2007). Epidotmineralet sprekker opp etter kort eksponering i luft, og går i oppløsning i kontakt med vann/fukt.
Den antatte bergartsfordelingen langs begge løpene er vist i Tabell 9 og Tabell 10.
Den første tabellen viser antatt bergartsfordeling fra ca. profilnummer 700-1100.
Det er tydelig at leirskifer og mørk skifer dominerer langs dette partiet i begge tunnelretningene. Mens for profilnummer 1200-1500 er det en større fordeling mellom bergartene med størst innslag av skifer med sandstein.
Tabell 9 Antatt bergartsfordeling fra ca. profil nr. 700-1100
Bergart Østgående løp i meter
Østgående løp i %
Vestgående løp i meter
Vestgående løp i % Leirskifer m
kalksteinslag 180 m 48 155 m 41
Skifer med sandstein 0m 0 m
Mørk skifer 150 m 36 135 m 36
Knollekalk 60 m 14 65 m 17
Syenittganger 30 m 7 20 m 5
Rombeporfyrganger 0 m 0 m
Diabasganger 1 m 1 m
Epidotsoner 4 m 1
Totalt 421 m 376 m
28
Tabell 10 Antatt bergartsfordeling for profil nr. 1200-1500.
Bergart Østgående løp i meter
Østgående løp i %
Vestgående løp i meter
Vestgående løp i % Leirskifer m
kalksteinslag 20 m 10 20 m 8
Skifer med sandstein 65 m 31 70 m 27
Mørk skifer 25 m 12 40 m 15
Knollekalk 35 m 17 72 m 27
Syenittganger 40 m 19 30 m 11
Rombeporfyrganger 10 m 5 10 m 4
Diabasganger 5 m 2 10 m 4
Epidotsoner 8 m 4 11 m 4
Totalt 208 m 263 m
4.4 Ingeniørgeologisk vurdering
Bergmassen som tunnelen er drevet i er svært varierende. Gangbergartene har ofte høy enaksiell trykkfasthet, men kan så igjen vært svært oppsprukket. De sedimentære bergartene representert med knollekalk og skifer kan vise problematikk knyttet til lagdelingen i forhold til utfall i heng.
I områdene hvor det er kartlagt dyprenner er også sannsynligheten for at det møtes på svakhetssoner store. Dersom disse sonene er epidotfylte, er økt sikringsomfang sannsynlig. Det er også knyttet usikkerheter rundt sonene med leire, da leiren viser seg å være svært aktiv med hensyn til svelling, hvilket betyr at det må tas høyde for ekstra sikring i disse områdene.
Lørentunnelen er bygget i et urbant strøk med mye bebyggelse over. Det må derfor tas stor hensyn til mulige grunnvannsenkninger, setninger og rystelser i området over traseen.
29
5. Measurement While Drilling
5.1 Bakgrunn
Measurement While Drilling (MWD) er i tunnelsammenheng benyttet for å kartlegge kvaliteten til bergmassen foran stuff. Dette omfatter en vurdering av bergmassens hardhet, oppsprekkingsgrad og vannforhold. Statens vegvesen (2012) anbefaler at borparametertolkning skal brukes kontinuerlig for alle tunneler, og det er krav om at dette benyttes i områder hvor bergklassen er D eller lavere.
Borparameter loggingen foregår kontinuerlig under boring av injeksjons-hull, salvehull, sikringshull og sonderboringshull. Registreringen av boredata omfatter registrering av hullposisjoner med start og sluttposisjon, borsynk, matertrykk, rotasjonstrykk, rotasjonshastighet, slagtrykk, vannmengde og vanntrykk (Bever- Control 2012).
Ved bruk av dette verktøyet kan det være mulig å oppdage svake- og vannførende soner før de møtes under driving av tunnelen. Dette kan være med på å bidra til å minske risikoen for å møte på uforutsette vanskelige soner og minke sikringskostnadene.
Hvordan dataflyten fungerer for MWD er vist i Figur 12. Entreprenør er utførende og står for boringen og er ansvarlig for at riggen gir riktige data som leveres som rådatafiler til leverandøren (Høien 2012). En leverandør, som i dette tilfellet er Rockma AB, leverer et dataprogram med en tolkningsmodul som byggherren benytter. Det er leverandøren som sørger for forflytningen av dataene, og det er dataprogrammet som står for alle beregningene som utføres og som gir de tolkede resultatene (Høien 2012). Byggherren mottar dataene fra leverandøren og er avhengig av at dette går raskt, da nytteverdien av dataene blir lavere dersom en mottar dataene etter at et område er ferdig sprengt. Ved boring av lengre hull som injeksjonshull og sonderboringshull vil det være mulig å vurdere bergmassen et godt stykke foran stuff. Ved boring av salvehull eller sikringshull er det kun snakk
30
om noen få timer før dette området er ferdig sprengt, og det er lite tid til å vurdere dataene.
Figur 12 Oversikt over dataflyten for borparametertolkning (Høien).
31
5.2 Boring i berg
Ved driving av tunneler i Norge, er det konvensjonell driving med boring og sprengning som dominerer. Slaghammerboring er i dag standard på borerigger i tunneler som drives i harde bergarter (Thuro 1997). Dette fordi denne typen boring kan takle et bredt spekter av bore-oppgaver, fra ganske mykt berg til veldig hardt berg og fra dårlige til gode bergmekaniske forhold (Heiniö 1999).
Figur 13 viser prinsippet på hvordan slaghammerboring fungerer. Systemet består av hammer, borstangadapter, borstang og borkrone. Det er i hovedsak fire mekanismer som foregår under boring:
1. Slag fra hammer 2. Materkraft 3. Rotasjon 4. Skylling
Figur 13 Utstyr og mekanismer i slaghammerboring (Tatiya 2005).
Slagkraft fra hammeren dannes ved repeterende slag fra et stempel. Stempelets kinetiske energi overføres fra hammeren til borkronen gjennom borstangen i form av en sjokkbølge (Jimeno, Jimeno et al. 1995). Deler av energien blir overført til arbeid som fører til at borkronen får slagkraft mot berget. Slagfrekvensen ligger mellom 2000 – 4500 slag per minutt for hydraulisk boring (Heiniö 1999). Dersom det er høy effekt i slaghammeren, vil også borsynken bli høyere som vist i Figur 14.
32
Figur 14 Høyere effekt på slaghammer gir høyere penetrasjonsrate (Tamrock 1983).
For at borkronen skal holdes mot bunnen av borehullet, trengs det en materkraft.
Dette bidrar til at slagkraften fra hammeren overføres til berget. Den optimale materkraften varierer i henhold bergartsparameterne, borkronestørrelse og type og størrelse av borstålet (Tamrock 1983). En oppknust bergmasse burde bores med lav slaghammerkraft og lav materkraft (Heiniö 1999).
Figur 15 viser borsynkhastighet som en funksjon av materkraft. For lav materkraft fører til svært lav borsynk, mens høy materkraft bidrar til at borsynken ikke blir høyere. Det er derfor viktig å finne den optimale materkraften for å få høyest mulig borsynk.
33 Figur 15 Borsynk hastighet som funksjon av materkraft (Tamrock 1983).
Rotasjonen, som dreier på borkronen mellom slagene, har som hoved-funksjon å dreie borkronen til en ny posisjon for å treffe et nytt punkt av berget i bunn av borehullet. Optimal rotasjonshastighet varierer i forhold til bergmassen, frekvensen til boremaskinen, borkronediameter og andre boreparametere (Tamrock 1983). Ved optimal rotasjonshastighet er størrelsen på borkakset og deretter også borsynken på maksimum (Heiniö 1999).
For lav rotasjonshastighet resulterer i energitap på grunn av reknusing av områder som allerede har undergått slag og dette fører til lavere borsynk. For høy rotasjonshastighet fører til høy slitasje på borkrone, da berget blir tvunget til å gå i brudd på grunn av rotasjonsbevegelsen i stedet for slagbevegelsen. Det gir også overdrevent stramme koblinger mellom borstengene, som gjør det vanskeligere å løsne borstengene fra hverandre ved tilbaketrekning. (Heiniö 1999)
For å ha effektiv boring, må bunnen av borehullet holdes rent ved å fjerne borkaks så raskt som mulig. Dersom dette ikke skjer, vil store deler av energien gå til å knuse allerede knust berg som fører til slitasje på borkrone, lavere borsynk og fare for at borstålet setter seg fast (Jimeno, Jimeno et al. 1995). Skylling av borehull i undergrunnsanlegg utføres ved at vann er tvunget under trykk til bunnen av borehullet gjennom borstangen og skyllehull i borkronen. Borkakset blir tvunget ut av borehullet gjennom hulrommet mellom borstang og borehullsvegg.
34
Vannmengden og trykket som er nødvendig for å fjerne borkakset avhenger av hullstørrelse, mengde borkaks som dannes og hull-lengde (Heiniö 1999). Ved boring av lange hull har boreretning stor betydning for mengden vann som benyttes. Dersom det bores vertikale hull nedover, kreves det større mengder med vann.
Borkronen vil under boreprosessen påvirke områder i berget med knusing og dannelse av riss og sprekker. Slagene som blir påført bergoverflaten fører til at det bygges opp en spenning under kontaktarealet og måten berget reagerer på denne spenningen avhenger av bergartstype og boremetode (Heiniö 1999).
Thuro (1996) har beskrevet fire viktig knusningsmekanismer og disse er vist i Figur 16.
1. Under borkronen dannes en knust sone med fint bergpulver.
2. Fra sonen med fint bergpulver dennes det radielle sprekker.
3. Når spenningen i berget blir høy nok, kan større fragmenter i berget bli skjært av mellom bryterne.
4. Spenninger induseres periodevis.
Figur 16 Borkronens påvirkning på berget under boring (Thuro 1997).
I tilfeller hvor både slaghammer effekten, borsynken, rotasjonshastigheten og skyllingen er optimale, vil inndriften bli høy. Disse parameterne er mulig å
35 justere, mens bergmassens påvirkning på boringen vil være den avgjørende faktoren som ikke er mulig å endre. I tunneler vil bergmassen langs strekningen vise ulik karakter med hensyn til bergartstype, oppsprekkingsgrad, styrke og vannføring. Derfor må borparameterne justeres under drivingen.
5.3 MWD boreparametere
Measurement while drilling systemer måler fysiske krefter og trykk under boring (Cooper, Doktan et al. 2004). Registreringene foregår kontinuerlig, som betyr at det er mulig å innhente informasjon om bergmassen foran stuff uten hindring i fremdriften. Det er hardhet, oppsprekking og vann som er resultatet av tolkningen av målingene. Parameterne som registreres er:
Posisjon og dybde på borehull
Borsynk (cm/min)
Matertrykk (bar)
Slagtrykk (bar)
Rotasjonstrykk (bar)
Rotasjonshastighet (rpm)
Vannmengde (l/min)
Vanntrykk (bar)
Dataene logges som funksjon av boredybde og med en oppløsning som er mulig å stille inn, men som typisk ligger mellom 1-10 cm (Bever-Control 2012). Lav loggeintervall gir høy oppløsning, mens høy loggeintervall gir lav oppløsning.
Den fineste innsamlingsfrekvensen er best å bruke dersom oppsprekkingsgrad skal detekteres, mens oppløsningen kan være mye grovere dersom det kun er hardhet som skal observeres (Bever-Control 2012).
Borsynk gir hastigheten (cm/min) til boringen av hullet. Denne verdien er i fokus når hardheten til bergmassen skal tolkes. En korrelasjonsanalyse utført ved Ingeniørgeologisk Laboratorium på NTNU på 60- og 70- tallet viser at det er en korrelasjon mellom borsynk og bergartens punktlaststyrke. Bergarter med høy punktlaststyrke viser en lav borsynk, mens bergarter med lav punktlaststyrke viser
36
en høy borsynk (Nilsen and Broch 2009). Det ble funnet at for punktlaststyrker over 5-6 MPa avtar borsynken nesten lineært med økende punktlaststyrke (Nilsen and Broch 2009).
Tolkningen av oppsprekkingsgraden baserer seg på både borsynken og rotasjonstrykket (Bever-Control 2012). Borsynken er påvirket av oppsprekkingsgraden i berget. Ved forsøk er det funnet at borsynken kan bli mer en 25% større enn beregnet ved ekstremt tett oppsprukket berg, mens oppsprekkingen har mindre betydning dersom det bores med små hulldiametere som for eksempel salvehull (Nilsen and Broch 2009).
Rotasjonstrykket øker normalt i oppsprukket og svakt berg, mens borsynken øker normalt i svakt berg og i noen grad i oppsprukket berg. Variasjoner i hver parameter er også betydningsfull for bergforholdene på den måten av solid og ikke oppsprukket berg viser et jevnt mønster, mens det vil oppstå ujevn oppførsel i oppsprukket berg (Schunnesson 1996).
Vanntrykket benyttes for å få borkaks og slam ut av borehullet. Dersom berg- massen er oppsprukket, vil vannet finne veien inn i sprekkene. Dette fører til at vanntrykket mot bunnen av borehullet blir lavere og det må settes på et høyere vanntrykk for å få borkakset ut. Ved soner som er svært vannførende vil det motsatte skje. Det er mye vann i borehullet og vanntrykket må senkes for at borsynken skal opprettholdes. Vannmengden og vanntrykket blir målt kontinuerlig og danner grunnlaget for tolkningen av innlekkasjen i tunnelen.
5.4 Kalibrering av tolkningsmodulen
Tolkningsmodulen må kalibreres for at det skal være mulig å få gode hardhetstolkninger for hele tunnelen. Dette gjøres ved at hver enkelt rigg kalibreres opp mot tolkningsprogrammet for at de skal gi mest mulig like resultater både for tunnelen som drives og andre anlegg (Høien 2012). Resultatene foreligger som relative verdier.
Den relative skalaen kalibreres så mot enakset trykkfasthet som er registrert ved hjelp av Schmidthammer eller punktlasttest (Høien 2012). Dette sammenstilles
37 statistisk og utføres av programvaren GPM+ (Høien 2012). Dette må gjøres for at den registrerte bergmassekvaliteten blir så riktig som mulig (Statens-vegvesen 2012). Fordelene med disse to metodene er at de kan utføres på en enkel og rask måte på stuff og kostandene er lave sammenlignet med tester som må utføres i lab.
På samme måte er det mulig å kalibrere resultatene mot oppsprekking ved å registrere for eksempel RQD (Rock Quality Designation), sprekker per løpemeter eller per m3, på utvalgte områder i tunnelen (Statens-vegvesen 2008).
5.5 Normalisering av boreparametere
Boreparameterne som blir registrert under boring vil være påvirket av forstyrrelser som er generert av boresystemet i seg selv. Dette vil kunne være automatiske boremaskinstyringer som justerer matertrykk, slagtrykk etc. på grunn av varierende rotasjonstrykk (Bever-Control 2012). Det er derfor nødvendig at disse forstyrrelsene og trendene blir separert ut for at de verdiene som representerer bergmassen står igjen. Dette utføres ved at dataene filtres og normaliseres.
I følge Schunnesson (1998) vil endringen i bergforholdene variere normalt, også langs borehullet når borkronen penetrerer berg med forskjellig styrke og oppsprekking. Andre typer variasjoner er systematiske endringer i for eksempel hull lengde og trykk. For å gjenkjenne de systematiske variasjonene, må det tas et gjennomsnitt av et stort antall borresponsdata fra et enkelt boresystem.
Endringene i bergforholdene jevnes ut, mens de systematiske endringene står igjen (Schunnesson 1998). Når de systematiske endringene er gjenkjent, er det mulig å benytte dette mønsteret til å skille ut disse dataene fra boreloggen ved hvert nye borehull.
De fleste boreparameterne er avhengig av hverandre. Schunnesson (1998) foreslo derfor en stegvis fremgangsmåte med først å skille ut hull-lengde avhengige variasjoner for så å følge opp med en utskilling av påvirkningen av borsynk avhengig rotasjonstrykk. Dette utføres ved å plotte det gjennomsnittlige
38
matertrykket, rotasjonstrykket og borsynken mot hulldybden og beregne en regresjonslinje til disse grafene som vist i Figur 17.
Figur 17 Regresjonslinjer benyttet for normalisering av boreparametere (Schunnesson 1998).
Stigningstallet til regresjonslinjen representerer de systematiske endringene og brukes videre til å trekke ut data med samme stigningstall under prosessering av dataene fra hvert borehull. De dataene som gjenstår representerer derfor kun endringene i berget.
For å finne bergets hardhet, normaliseres verdier for borsynk, mens fjellets oppsprekkingsgrad finnes ved å normalisere verdier for varians av borsynk og
39 rotasjonstrykk. En vektet verdi av denne variansen er grunnlag for vurdering av oppsprekkingsgraden i fjellet. (Bever-Control 2012).
For en vannmodell utføres det en analyse og grafisk fremstilling av normaliserte spylevannsmengder som illustrerer endringene i vann som skyldes fjellets karakter ved fritt vann eller tilstopning på grunn av kaksoppbygging under boring (Bever-Control 2012).
Denne normaliseringsprosessen av de registrerte dataene blir utført av tolkningssystemet i programvaren GPM+ hos byggherren (Høien 2012).
Byggherren får presentert tolkningen grafisk i dette programmet, og kan benytte en eksportfunksjon som gjør at disse dataene kan tas inn i Novapoint og sammenlignes med kartleggingen som er utført av ingeniørgeologer.
40
6. Bergmekaniske parametere kartlagt på stuff
6.1 Bakgrunn
Under ”byggherrens halvtime” skal ingeniørgeologer inn til stuff i tunnelen og kartlegge bergmassen før det påføres sprøytebetong. Det skal utføres bergmasseklassifisering med kartlegging av Q-verdi, bergart, sprekkesett, svakhetssoner, vann osv. Dette gjøres med tanke på dokumentasjon av berg- kvaliteten i tunnelen og bestemmelse av nødvendig permanent stabilitetssikring.
Tilhørende Q-verdien følger også bergmasseklasse. Denne er delt inn i bergmasseklasse A til G, der A tilsvarer lite oppsprukket bergmasse med midlere sprekkeavstand større enn 1 meter, mens bergklasse G representerer eksepsjonelt dårlig bergmasse som kan karakteriseres som løsmasse (Statens-vegvesen 2012).
Det utføres geologiske analyser av Q-verdien ute i terrenget under for- undersøkelsene, men Q-verdi kartlagt i tunnelen i den samme bergarten i tunnel vil kunne være forskjellige. Dette er på grunn av at Q-verdier kartlagt i dagen ikke er påvirket av sprengningsarbeid, som er tilfelle i en tunnel.
6.2 Q-metoden
Q-metoden er et system som benyttes for klassifisering av bergmassen før og under driving av en tunnel. Det er et klassifiseringsverktøy som er til hjelp for å få en forståelse av bergmassens kvalitet. Metoden er basert på seks bergmasse- parametere som bestemmes og ved kalkulasjon gir disse en Q-verdi for området som skal klassifiseres.
De seks parameterne beregnes på følgende måte for å gi Q-verdien:
𝑄 =𝑅𝑄𝐷 𝐽𝑛 ×𝐽𝑟
𝐽𝑎× 𝐽𝑤 𝑆𝑅𝐹
