Riktlinjer för val av system för karaktärisering och klassificering av berg Underlag för projektering av bygghandling

Transkript

1 Dokument Nr: Citybanan i Stockholm Riktlinjer för val av system för karaktärisering och klassificering av berg Underlag för projektering av bygghandling Upprättad av Granskad av Godkänd av Rob Swindell Roberth Colliander, WSP Sverige Roberth Colliander, WSP Sverige WSP Sverige Lars Rosengren Rosengren Bergkonsult AB/WSP, Sverige Lars Hässler, Golder-ELU Peder Torshager, Ramböll Carl-Olof Söder, Sweco Lars Hässler, Golder-ELU Peder Torshager, Ramböll Carl-Olof Söder, Sweco Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc

2 Innehållsförteckning 1 Inledning Syfte och mål Karaktärisering och klassificering av bergmassan Riktlinjer för val av system för karaktärisering och klassificering... 7 Referenser... 8 Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc 2 (9)

3 1 Inledning Den planerade Citybanan mellan Tomteboda i norr och Södra Station i söder utgörs huvudsakligen av en undermarksanläggning bestående av bergtunnlar. Inom projekt Citybanan har det under systemhandlingsskedet bildats en Berggrupp bestående av representanter från konsultuppdragen U8, U9, U10 och U12 samt representanter från beställaren (Banverket). Berggruppens uppgift har bl.a. varit att ta fram gemensamma riktlinjer för den kommande bygghandlingsprojekteringen av t.ex. bergförstärkning och tätning, samt vattenoch frostisolering. För att säkerställa att karaktärisering och klassificering av bergmassor görs så enhetligt som möjligt har berggruppen fått i uppdrag att ta fram riktlinjer för val av system för karaktärisering och klassificering av berg. Dessa riktlinjer har sedan använts vid framtagandet av de förundersökningsrapporter och ingenjörsgeologiska prognoser som redovisats under hösten 2006 och våren 2007 och som utgör underlag för den fortsatta projekteringen av bygghandlingar. I den mån det finns anledning att utföra revideringar eller kompletteringar av redovisade prognoser ska dessa riktlinjer tillämpas. 2 Syfte och mål Syftet med föreliggande dokument är att redovisa riktlinjer för val av system för karaktärisering och klassificering av berg inom projekt Citybanan. Målet är att karaktärisering och klassificering av bergmassan ska bli enhetligt utfört inom hela projektet så att samma typ av grundläggande information finns tillgänglig i samtliga projekteringsuppdrag. 3 Karaktärisering och klassificering av bergmassan 3.1 Allmänt Förståelse av hur en bergmassa kommer att bete sig under och efter utbrytning av öppningar under jord har utgjort ett betydande forskningsområde under många år. Ett av hjälpmedlen för att uppskatta bergets kvalitet och vilka åtgärder som kan tänkas behövas i form av t.ex. bergförstärkning är att utnyttja s.k. karaktäriserings- och klassificeringssystem. Idag finns det ett stort antal karaktäriserings- och klassificeringssystem. Dessa har mycket varierande bakgrund, vilket gör att det ibland kan vara svårt att avgöra vilket eller vilka system som är mest lämpliga att använda vid olika tillfällen (typ av bergmassa, konstruktion anläggning m m). Gemensamt för samtliga system är att de baseras på upphovsmännens empiriska kunskap Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc 3 (9)

4 (erfarenheter). De flesta av klassificeringssystemen har uppdaterats allt eftersom nya erfarenheter tillförts från utförda bergbyggnadsprojekt. Det klassificeringssystem som använts mest frekvent i bergbyggnadssammanhang i Sverige de senaste ca 10 åren är Q-index (se t.ex. Barton, 1974 och 2002). Det finns dock, av olika orsaker, en tendens till missnöje med detta system och hur det har tillämpats inom det Svenska bergbyggnadsskrået. SwedPower AB utförde på uppdrag av Banverket en genomgripande studie av olika system för karaktärisering och klassificering av bergmassor. Detta arbete är avrapporterat i Lindfors, m.fl. (2003). Syftet med studien var att: (1) beskriva de system som idag finns tillgängliga för karaktärisering och klassificering av en berg inför eller vid någon form av tunneldrivning, rumsutbrytning etc, (2) rekommendera vilka av karaktäriserings- respektive klassificeringssystemen som är mest lämpliga för svenska bergförhållanden (hårt kristallint berg), samt (3) ge rekommendationer för utförande av karaktärisering och klassificering vid användande av de rekommenderade systemen. Rapporten har utgjort delunderlag för upprättande av Banverkets projekteringsanvisningar för järnvägstunnlar (Banverket, 2006). De karaktäriserings- och klassificeringssystem som studien har fokuserat på är RMR (Rock Mass Rating) (Bieniawski, 1976 och 1989), Q-index (t.ex. Barton 1974 och 2002), RMi (Rock Mass Index) (Palmström, 1995) och GSI (Geological Strength Index) (t.ex. Hoek, 1994, 1997 och 2002). I Lindfors m.fl. (2003) rekommenderas att man skiljer på begreppen karaktärisering och klassificering. Enligt Lindfors m.fl. (2003) definieras karaktärisering som: en beskrivning av bergmassan med avseende på de parametrar som kontrollerar och påverkar bergmassans beteende. Detta innefattar t.ex. hållfasthet på intakt bergmaterial, sprickighet och sprickors hållfasthet. Vid karaktärisering används ett antal fördefinierade parametrar som vanligen grupperats i olika värde-intervall ur vilka representativa värden för bergmassan eller del av bergmassan väljs. Parametervärdena bestäms t.ex. genom att studera borrkärnor, berghällar eller bergytor i en befintlig tunnel. Parametrarna kan antingen beskrivas i text eller ges numeriska värden (poäng), vilka tillsammans ger ett karaktäriseringsvärde för bergmassan. Vid karaktärisering bör ingen hänsyn tas till eventuell tunnelutformning, sprickorientering i förhållande till drivningsriktning, spänningsförhållanden eller vattenförhållanden. Karakteriseringsvärdet bör därmed spegla bergmassans egenskaper i ostört tillstånd, vilket innebär att det kan användas för att uppskatta bergmassans hållfasthets- och deformationsegenskaper. Karaktäriseringsindex betecknas enligt Lindfors, m.fl. (2003) med Q Bas, RMR Bas, GSI och RMi. Klassificering definieras av Linfors m.fl. (2003) som : en värdering av bergmassan för tillämpning i dimensioneringssyfte, exempelvis för val av förstärkning i en tunnel. Vanligen utförs klassificering på samma sätt som karaktärisering. Skillnaden mellan karaktärisering och klassificering ligger i att man vid klassificering även tar hänsyn till yttre faktorer som t.ex. tunnelutformning, sprickorientering i förhållande till drivningsriktning, spänningsförhållanden eller vattenförhållanden, vilka därmed påverkar det klassificeringsvärde som erhålls. Klassificeringsindex betecknas enligt Lindfors, m.fl. (2003) med Q och RMR. Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc 4 (9)

5 Vid såväl karaktärisering som klassificering är det enligt flera olika författare, t.ex. Lindfors m.fl. (2003), Hoek (2000) och Bieniawski (1990) rekommendabelt att använda fler än ett system eftersom de inte tar hänsyn till exakt samma parametrar. 3.2 Karaktärisering Vid karaktärisering tas ej hänsyn till: spänningsförhållanden sprickorientering i förhållande till drivningsriktning tunnelutformning, läge, korsningar, tunnelpåslag, etc vattenförhållanden (vattentryck eller flöden in i tänkt tunnel). För karaktärisering rekommenderar Lindfors m.fl. (2003) att antingen RMR Bas eller GSI används i första hand. Båda systemen är relativt enkla att använda och kan även användas för att uppskatta bergmassans hållfasthets- och deformationsegenskaper med hjälp av Hoek & Browns brottvillkor. I andra hand rekommenderas Q Bas för generell karakterisering men inte för att ta fram bergmassans hållfasthetsegenskaper. Vid karaktärisering med RMR Bas sätts: RMR vatten =15 (torra förhållanden) RMR spricko. =0 (mycket fördelaktig) GSI beräknas med hjälp av sambandet i Ekvation 1 (se t.ex. Hoek, 2000). GSI=RMR Bas -5 (1) Då det p.g.a. bergmassans kvalitet inte är möjligt att använda RMR Bas (RMR Bas <25) görs karaktäriseringen direkt med GSI. Vid karaktärisering med Q Bas sätts: SRF=1 Jw=1 Dessutom görs ingen korrigering av parametern Jn med hänsyn till korsningar mellan tunnlar eller till tunnelpåslag. Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc 5 (9)

6 3.3 Klassificering Klassificering av bergmassan kan ses som en fortsättning på karaktäriseringen. Både för RMR and Q-index ingår samtliga parametrar som vid karaktärisering med dessa system. Utöver karaktäriseringsparametrarna tas vid klassificering även hänsyn till parametrar relaterade till: spänningsförhållanden (Q-index) sprickorientering i förhållande till drivningsriktning (RMR) tunnelutformning, läge, korsningar, tunnelpåslag, etc (Q-index) vattenförhållanden (Q-index och RMR). För klassificering rekommenderar Lindfors m.fl. (2003) att Q-index och RMR används. 3.4 Utförande I Lindfors m.fl. (2003) ges detaljerade rekommendationer för utförande av både karaktärisering och klassificering med rekommenderade system. Vid karakterisering respektive klassificering är det viktigt, oberoende av vilket/vilka system som valts, att bergmassan ges en detaljerad beskrivning, utan att blanda in något karaktäriserings- eller klassificeringssytem, innan delpoäng tilldelas de parametrar som ingår i valt/valda system. Grundläggande indata till respektive karaktäriserings- och klassificeringssytem är baserad på en serie av indataparametrar. För att ta hänsyn till variationer i bergmassans egenskaper rekommenderar Lindfors m.fl. (2003) att varje indataparameter ges som ett största värde och ett minsta värde snarare än som ett enda värde. Detta innebär att varje parameter erhåller en minsta och en största delpoäng, vilket i sin tur ger ett största och minsta karaktäriseringsrespektive klassificeringsvärde när delpoängen kombineras enligt reglerna för respektive system. Vidare rekommenderas även att ett typ-värde bestäms för såväl varje enskild parameter som för de resulterande karaktäriseringsrespektive klassificeringsvärdena. Typ-värde definieras som det mest representativa värdet för den aktuella sektion som karaktäriseringen eller klassificeringen avser. Detta tillvägagångssätt bedöms dock vara opraktiskt vid t.ex. kärnkartering därför har Citybanan utarbetat ett alternativt sätt att ta fram min-, typ- och max-värden för karaktäriserings- respektive klassificeringsindex. Riktlinjer för hur detta ska göras inom projekt Citybanan redovisas i dokument Riktlinjer för kärnkartering och upprättande av ingenjörsgeologisk samt bergteknisk prognos Underlag för projektering av bygghandling. 3.5 Uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper För uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper rekommenderar Lindfors m.fl. (2003) en metodik som är baserad på karaktärisering med RMR eller GSI tillsammans med användande av Hoek&Browns brottvillkor och publicerade samband för uppskattning av bergmassans elasticitetsmodul. Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc 6 (9)

7 Rekommenderad metodik ger ett stringent framtagande av nödvändiga parametrar för bergmekaniska analyser, men kräver att karaktäriseringen utförs med angivna metoder (RMR Bas eller GSI) och att adekvata och tillräckligt många lab-försök i form av enaxiella och triaxiella tryckhållfasthetstester utförs för bestämning av enaxiell tryckhållfasthet för intakt berg (σ ci ) samt parametern m i. 4 Riktlinjer för val av system för karaktärisering och klassificering Följande riktlinjer är baserade på rekommendationerna från refererad studie (Lindfors, m.fl., 2003), annan publicerad litteratur (t.ex. Hoek, 2000) samt bedömt behov för Citybanan. Vid karaktärisering och klassificering av berg inom projekt Citybanan ska: bergmassan först ges en detaljerad beskrivning utan att blanda in något karaktäriserings- eller klassificeringssystem, innan de olika parametrarna tilldelas poäng i enlighet med valda system för karaktärisering respektive klassificering. Det rekommenderas att denna beskrivning i princip görs i enlighet med ISRM:s rekommendationer (Brown, 1981), se även dokument nr Riktlinjer för kärnkartering och upprättande av ingenjörsgeologisk samt bergteknisk prognos Underlag för projektering av bygghandling. karaktärisering göras med RMR Bas och Q Bas. GSI beräknas med sambandet i Ekvation 1 så långt det är praktiskt möjligt med hänsyn till bergkvaliteten. Då det inte är möjligt att uppskatta RMR Bas med hänsyn till bergkvaliteten görs direkt uppskattning av GSI. karaktäriserings-värden för RMR Bas, Q Bas och GSI tas fram i borrkärneskala respektive tunnelskala och redovisas i karteringsprotokoll för borrkärnor respektive på ritningar ingående i ingenjörsgeologisk prognos. klassificering göras med RMR och Q. klassificerings-värden för RMR och Q-index tas fram i tunnelskala (ej i borrkärneskala) och redovisas på ritningar ingående i ingenjörsgeologisk prognos poängvärden vid användning av valda system för karaktärisering och klassificering i såväl borrkärneskala som i tunnelskala väljas enligt riktlinjerna i dokument nr Riktlinjer för kärnkartering och upprättande av ingenjörsgeologisk samt bergteknisk prognos Underlag för projektering av bygghandling. min-, typ- och max-värden för karaktäriserings- respektive klassificeringsindex tas fram enligt riktlinjerna i dokument nr Riktlinjer för kärnkartering och upprättande av ingenjörsgeologisk samt bergteknisk prognos Underlag för projektering av bygghandling. Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc 7 (9)

8 rekommenderad metodik för uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper med hjälp av GSI och Hoek&Brown:s brottvillkor enligt Lindfors m.fl. (2003) följas. bergmekaniska laboratorietester utförs i tillräcklig omfattning inom varje projekteringsuppdrag. omvandling mellan RMR- och Q-systemen med hjälp av publicerade empiriska samband bör om möjligt undvikas, såvida inte objektspecifika samband mellan systemen etableras. Referenser Banverket (2006) Projekteringsanvisningar Dimensionering av det bärande huvudsystemet för bergtunnlar. Järnvägssystem, Rapport BB 06-04, , DNr: HK /BA45. Barton, N Some New Q-value Correlations to Assist in Site Characterization and Tunnel Design. Int. J. of Rock Mech. & Min. Sci. 39. pp Barton, N., Lein, R. & Lunde, J Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support. Rock Mechanics, 6, 1974, pp Bieniawski, Z.T Rock Mass Classifications in Rock Engineering. Proceedings Exploration for Rock Engineering (Johannesburg 1976), pp Rotterdam: A. A. Balkema. Bieniawski, Z.T Engineering Rock Mass Classifications. New York: Wiley & sons. ISBN Bieniawski, Z.T Tunnel Design by Rock Mass Classifications. US Army Corp of Engineers, Update of Technical Report GL Brown, E. T Rock Characterization Testing and Monitoring. ISRM Suggested Methods (Ed. E. T. Brown). Oxford: Pergamon Press. Hoek, E Rock Engineering Course Notes. Available online, URL: Hoek, E. & Brown, E.T Practical Estimates of Rock Mass Strength. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 34, No. 8, pp Hoek, E. Carranza-Torres, C. & Corkum, B Hoek-Brown Failure Criterion 2002 Edition. In: Proceedings NARMS-TAC 2002 Mining and Tunneling Innovation Opportunity (Toronto, Canada, 2002), Vol. 2, pp Toronto: Univeristy of Toronto Press. Updated version (Oct 2, 2002) available online, URL: Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc 8 (9)

9 Lindfors, U., Sjöberg, J. & Perman, F Karaktärisering och Klassificering av Berg Underlag för Projekteringshandbok. Banverket Järnvägssystem Rapport Lundman, P., Sjöberg, J. & U. Lindfors Banverkets syn på bergmekanisk dimensionering med exempel från framtida projekteringshandbok. I Bergmekanikdag Föredrag, sid , SveBeFo. Stockholm ISSN: Palmström, A The volumetric joint count a useful and simple measure of the degree of rock jointing. Proc. 4 th congr. Int. Assn Engng Geol., Delhi 5, Palmström, A RMi A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes. Ph.D. Thesis. Oslo: University of Oslo Riktlinjer för kärnkartering och upprättande av ingenjörsgeologisk samt bergteknisk prognos Underlag för projektering av bygghandling, WSP,. Riktlinjer för karaktärisering och klassificering av berg_ doc 9 (9)