veiriqtioner vid hydreiulisk tlöfnoggrernnhet och neilurligo spröckning och överborrning SveBeFo Yanting Chang Christer Ljunggren Johan Andersson O' U

Transkript

1 SveBeF STIFTELSEN SVENSK BERGTEKNISK FORSKNING SWEDISH ROCK ENGINEERING RESEARCH O' U aa aa BE R,OSPAN N I N OSMAÎN I N OAR g REPRESENTATTVl1ET tlöfnggrernnhet ch neilurlig veiriqtiner vid hydreiulisk spröckning ch överbrrning Christer Ljunggren Yanting Chang Jhan Anderssn

2 STIF ELSEN SVENSK BERGTEKNISK FORSKNING SWEDISH ROCK ENGINEERING RESEARCH BE ROSP in N I NOSMÃÎN NGARS R,EPR,ESENfAfIVITEÍ ftlötnggrnnhet ch nalurlig Yr rióner vid hydraulisk spräckning ch överbrrning R,epresenllivify f rck stress mesufernenls ' meaguring ccureicy cnd nalurcl varitins in vercrinþ nd hydrulic fracturing dl Christer Ljunggren, Vattenfall Hydrpwer Yanting Chang, Vattenfall Hydrpwer Jhan Anderssn, Glder Assciates Stckhlm 1998 ISSN I t ISRN SVEBEFO-R--37--SE

3 I FÖRORD Bergspänningars rll vid dimensinering ch byggande i berg är en av bergmekanikens svåra e frågr, sm bland annat har behandlats vid två större internatinella knfersnser, i Stckhlrn 1986 ch i Kumamt, Japan, En mfattande redvisning av mrådet finns ckså i bken "Rck stress and its measurement" av Amadei ch Stephanssn, utgiven Frågan m tlkning av uppmätta spänningsvlirden är dck lång ifrån löst. Likafullt används uppskattade eller uppmätta spänningsvärden regelmässigt sm indata vid bergmekaniska berlikningar, samtidigt sm relevansen hs de använda värdena fta är föremål för diskussin. Mätmetderna ger data från enstaka punkter, de måste tlkas ch extrapleras till stöne vlymer, vilket i många fall innebåir stra síikerheter. Dessa prblem diskuteras i föreliggande rapprt sm baseras på en str mängd data sm kunnat göras tillgåingliga från mätningar utförda enligt de två dminerande principerna "överbrrning" ch "hydraulisk spräckning" i samband med kärnavfallsprgrammen i Sverige ch Finland. Prjektets resultat ha ckså redvisats vid knferensen i Kumamt ch Bergmekanikdagen i mars Prjektet har genmförts inm ramen för SveBeF:s ramprgram med kmpletterande finansiering från SKB. De gestatistiska utvärderingarna har främst utförts av Jhan Anderssn, Glder Assciates, medan övriga avsnitt skrivits av Yanting Chang ch prjektledaren Christer Ljunggren, båda vid Vattenfall Hydrpwer. Sm referensgrupp har verkat L O Ericssn, SKB, Ove Stephanssn ch Håkan Stille, KTH, Bengt Leijn, Cnterra samt undertecknad. Ett varmt tack framförs till alla medverkande samt till SKB ch Psiva Oy, sm ställt undersökningsmaterial till förfgande för prjektet. Stckhlm i mars 1998 Tmas Franzén

4 III SAMMANFATTNING Bergspänningsmätningar ch kunskapen m aktuellt spänningstillstånd är viktiga redskap vid utiedning, prjektãring ch knsiruktin av berganlùggningar. Amnet har sin givna plats såvãl i utiednings- ch frprjekteringsskedet sm under designskedet, ch är ett st i beslutsprcessãr bl a vad avser lkalisering (djup, läge, rientering), stabilitet, risk för brtt i berg ch anläggningsfunktin. Föreliggande arbete har behandlat bergspänningsmätningars representativitet, dels med anledning av den spridning sm många gånger freligger mellan varandra nåirliggande mätpunkler, dels med anledning av möjligheten att extraplera punktvisa fåtalsmätningar till att tìilampas för en berganläggning sm vlymmässigt är mycket större ijamförelse med mätmetdernas influensmråde. Utlrt arbete har utelutande behandlat överbrrning ch hydraulisk spräckning då dessa är de abslut mest vanligen frekmmande mätmetderna. Arbetet har ej syftat till att kvantifïera fel respektive naturliga variatiner utan har i stället kncentrerats på att belysa ch aktualisera de prblem sm föreligger ch även i viss mån visa på möjligheter till att reducera sådana prblem. Arbetet redvisar vidare exempel på húr bergspanningsmätningar kan utnyttjas i byggprcessen, från utredning till fìirdig aniaggning, ch typ av frågeställningar där bergspänningsmätningar är av vikt. Vidaie belyses, med två praktikfall, hur resultaten från bergspänningsmätningar kan tillgdgöras i planerings-, design- ch byggfasen. Arbetet har även inkluderat gestatistiska bearbetningar av resultat från bergspänningsmätningar för att studera ch även kunna förklara delar av den variatin sm freligger i resultaten, dels mellan resultat från en ch samma metd, men âven den skillnad sm ibland frekmmer mellan lika metder. De gestatistiska arbetena utfrdes på data från Äspö ch Kivetty i Finland. På båda ställena har ett större antal mätningar utfrts med både hydraulisk spräckning ch tredimensinell överbrrning. Resultaten från de gestatiska ansatserna visar att en del av variansen i vertikalspänningen kan lrklaras med djupberendet, men att återstden är str ch slumpmässigt nrmalfrdelad. Den vlymetriska töjningen uppvisar ett tydligare djupberende vilket blir än tydligare då âven Pissn's lrhållande inkluderas i analysen. Vid jämlrelse mellan metderna knstateras bl a att variansen fr verbrrningsdata är större än fr hydraulisk språickning. Vidare visar analyserna på fürekmsten av en strskalig variatin utöver den småskaliga.

5 rv SUMMARY Characterizatin f the in-situ stress cnditins is an imprtant step twards prper design f an undergrund facility. The actual stress state gverns the decisins regarding lcatin (depth and rientatin), layut, stability and functin f the under-grund cnstructin. Hence, in-situ rck stress measurements is a cmmnly used tl t gather this infrmatin. Hwever, it has been seen n many ccassins that the variatin in data frm adjacent test pints in a brehle can be rather extensive. This has resulted in a debate regarding the applicability f stress measurement data. The wrk presented discusses the representativity f rck stress measurement data. The subject is imprtant t address fr tw reasns in particular; (i) the variatin in magnitude that is ften seen between neighburing measuring pints, and (ii) the apprpriateness f extraplating sme few discrete measuring results t be applied fr the analyses f large undergrund cnstructins. The wrk presented in this reprt has nly cnsidered three dimensinal vercring and hydraulic fracturin g data, as these measuring methds are tday's mst cmmnly practiced techniques. The wrk des nt aim at trying t quantifr errrs and natural variatins. Instead, it has been fcused n illustrating/highlighting the prblems that exist regarding the applicatin f rck stress measurements results. Methds t reduce these prblems are als discussed. Sme methds n hw t apply rck stress measurements in the cnstructin prcess, frm preinvestigatin t cmplete cnstructin, and sme issues where the stress state is f specialinterest are als reprted. Furthermre, tw case studies where prper understanding f the stress state has been f great imprtance are summarised. Gestatistics were applied n the results frm tw sites where alarge amunt f data exists in rder t study and pssibly explain sme f the variatin ften seen between adjacent data. The analyses where cnducted bth n data btained frm ne and the same methd, and als n data frm bth vercring- and hydrfracturing measurements t investigate if and hw the variatin bserved is cupled t a specifrc measurement technique. The gestatistical analyses where perfrmed n data frm Äspö in Sweden and Kivetty in Finland. At bth sites, a large amunt f vercring- and hydrfracturing stress measurements have been cnducted within the past decade. The results frm these analyses shw that sme f the variance seen in the vertical stress cmpnent can be explained by a depth dependency. Hwever, the remaining part f the variance is large and randm with a nrmal distributin. If instead the vlumetric strain n the same data is studied, a mre prnunced depth dependency is shwn, which becmes even mre evident as the Pissn's rati is included in the analyses. Frm the cmparisn f the methd specific data it can be cncluded that the variance f vercring data is larger than that f hydraulic fracturing data. The analyses als shw that bth a small scale and alarge scale variatin exist, independent f the measuring technique studied.

6 V INNEHÅLLSFöRTECKNING Sida FÖRORD SAMMANFATTNING I r.2 J r.2 4.t.3 4.r.4 4.r.5 4.t.6 4.t \t I SUMMARY INLEDNING BERGSPANNINGAR Metder fr bergspänningsmätningar Överbrrning Hydraulisk spräckning BERGSPANNINGAR OCH BERGBYGGANDE Inledning Bergmekaniska Prblem Anvãndning av bergspänningar i bergmekaniska prblem TYPFALL - SPANNINGSRELATERADE PROBLEM OCH LÖSNINGAR Arlandabanan Inledning Prblemställning Gelgiska frhållanden ch bergspänningsmätningar Design av bergfrstärkning, fre uttag av pilttunnlarna Defrmatinsmätningar under drivning av pilttunnlarna Val av slutlig bergfrstärkning ch berguttagssekvenser Slutsatser Gjöviks lympiska berghall Allmänt Bergspänningsmätning Numeriska analyser Defrmatinsmätning Slutsatser LITTERATURINVENTERING - BERGSPE WTNCNNS REPRESENTATIVITET Inledning Bergspänningars natur - variabilitet ch skaleffekter Bergspänningsmätningar ch skaleffekter Överbrrning Hydraulisk spräckning Nggranhet hs bergspänningsmätningar Överbrrning Hydraulisk spräckning I I ll l t4 l T

7 \ri Sida r I r STATISTISK ANALYS AV BERGSPATNINGSDATA Inledning - krtfattad prblembeskrivning Fel vid extraplatin Vad vill vi skatta? Direkt gestatistisk analys av bergets egenskaper Statistisk analys av lika extraplatinsmetder Multipel linjär regressin Gestatistisk analys Analys av data från Äspö Mätpunkter Beskrivande statistik Multipel linjär regressin Direkt analys Standardiserade residualer E-mdul? Avstånd från tunnel Töjningar S ammanfattning regressin Gestatistik Experimentella varigram Slutsatser Diskussin STATISTISKA ANSATSER FÖR ATT STUDERA SKILLNADER MELLAN HYDRAULISK SPRACKNING OCH OVERBORRNING Inledning Tânkbar analys Onskade data Beskrivande statistik ch skatterplttar Jämfrelse av medelvärde - Variansanalys Jämfrel se mellan varianser Tillämpningsexempel från Äspö Indata Analys av alla data Analys med värden <500 meter brttagna Tillämpningsexempel Kivetty Indata Analys av data Slutsatser l DISKUS SION OCH SLUTSATSER 70 9 REFERENSER 75

8 I 1 n{ledning Föreliggande rapprt behandlar det arbete sm utfrts inm ramen lr SveBeFs (Stiftelsen Svensk Bergteknisk Frskning) prjekt Bergspänningars rll vid bergbyggande. I samband med prjektfrmulering fastställdes att det övergripande målet flr prjektet var att "undersöka lrutsättningarna fr extraplering av ñtalsdata till att tillämpas fr större vlymer". Ur detta övergripande mål identifïerades sedan ett antal delmment sm bedömdes sm viktiga att arbeta igenm lr att hantera det övergripande målet. De delmment sm identifierades var i) redgöra fr vad den enskilda mätpunktens tillfrlitlighet berr av, samt ii) analys av existerande data ch testa möjligheter att frklara resultaten givet mätmetdernas egenskaper ch den gelgiskamiljön ivilken mätningarna skett, Speciell vikt lades vid att undersöka m gestatistiska metder kunde fungera sm ett verktyg att frklara bergspänningsratningur. variabilitet. Med anledning därav har arbetet i prjektet främst kncentrerats till gestatistiska bearbetningar av befintliga data. I rapprten sammanfattas krt principerna fr de två vanligaste mätprinciperna; överbrrning ch hydraulisk spräckning. Därefter redvisas en litteraturinventering innehållande referenser till relevant material inm mrådet bergspänningsmätningars representativitet. Vidare diskuteras bergspänningsmätningars betydelse i byggprcessen. Två typfall diskuteras, vilka visar dels på varlr mätningar skall utfras ch även hur resultaten kan tillämpas på ett framgångsrikt satt. Slutligen redvisas de statistiska ansatser sm utfrts på befintliga bergspänningsdata i syfte att studera variabilitet, samt skillnader i resultat mellan hydraulisk spräckning ch överbrrning.

9 2 2 BERGSPÄNxtxc,n De överlägset mest tillämpade metderna fr bergspänningsmätningar utgörs av överbrrning ch hydraulisk spräckning. Överbrrning är baserad på principen m töjningsrelaxatin vid avlastning av en bergvlym, medan hydraulisk spräckning är baserad på principen m mtverkande krafter. Bergspänningar intrducerades i Sverige redan ibörjan på 195O-talet av Gustavssn ch Wirstam (1951). De överbrrade trådtjningsgivare sm limmats mt ytr på bergpelare i Laisvallsgruvan. Samma år intrducerade Nils Hast sin överbrrningsmetd, sm sedan nyttjades i närmare 25 år (Hast, 1958). Till skillnad från dagens överbrrningsmetder, sm beskrivs nedan, var Hast's metd en sk styv metd innebärande att avlastningen sm fljer vid en överbrrning direkt påverkar cellens inspänningslrhållande i brrhålet. I den vidareutveckling sm skett av överbrrningsmetden sedan Hast's pinjärarbete skall nämnas Statens Vattenfallsverk (Hiltscher,1972) ch det arbete sm bedrevs vid Högsklan i Luleå under 1980-talet (Leijn et al., 1981). Hydraulisk språickning intrducerades relatiw sent i Sverige. De frsta egentliga mätningarna var de sm utlrdes inm ramen fr Stripa prjektet (De et al., 1983). Därefter tg utvecklingen rejäl fart i ch med Högsklan i Luleås satsning på utveckling av ny tekniskt avancerad utrustning fr hydraulisk spräckning (Stephanssn ch Ångman, 1984, Bjarnasn, 1986 ch Ljunggren, 1990). Sedan dess har den utrustningen anvåints i ett strt antal prjekt, framflrallt i Sverige ch Nrden, men även i övriga Världen. 2.1 Metder für bergspänningsmätningar 2.lJ Overbrrning överbrrning finns sm både tvådimensinella ch tredimensinella metder ch baseras på principen m töjningsrelaxatin vid avlastning av den bergvlym sm frigörs från det yttre belastningsfältet. Spänningarna beräknas sedan från de töjningar sm uppmätts vid överbrrningen med tillampning av, i nrmalfallet, linjärelastiska terier. De mätceller sm dminerar mätningar i Sverige, ch sm âr knstruerade enligt likartade principer ch nyttjar identisk utvärderingsteri, är den sk CSIRO-cellen utvecklad i Australien samt Vattenfall Hydrpwer AII's sk BORRE. Båda metderna medger en fullständig bestämning av spänningsfìiltet med en mätning, dvs tredimensinell mätteknik. Skillnaderna mellan utrustningarna ligger på knstruktinsplanet, där den senare medger ett bredade anvtindningsmråde i ch med att den tillåter

10 -t mätningar i vattenryllda hål ch är bestyckad med en datalgger sm medger kntinuerlig avläsning av töjningsflrändringar under mätlrlppet utan yttre kabelanslutning till avläsningsenhet. Installatin ch mätprcedur vid användande av mätcellen Brre illustreras schematiskt i Figur 2.1 nedan. Mätlrfarandet åir likartat fr CSIRO-cellen' I l) 2) 3) 4) s) 6) Brrning av Q76 mm hål till mätdjup.därefter rensplning av hålet. Brrning av (Þ36 mm pilthåi, granskning av kärna fr bedmning av flrutsåittning fr mätning ch rensplning av håi. Mätcellen, mnterad i ett installatinsadaptern, sänks ned mt pilthålet' Cellen hålls centrerad i grvhålet mha adapterns styranrdningar. Mätcellens främre ände med trådtöjningsgivare mnterade frs in i pilthålet. Cellen frigörs från installatinsadaptern via en utlösningsmekanism ch de limbestrukna töjningsgivarna pressas mt pilthålets vägg mha tppknen. Den limkpp sm skyddar givarna under transprt i brrhålet frigörs ch faller ned till pilthålets btten' Installatinsadaptern, sm även innehåller en kmpass, tas till ytan. Överbrrning/fribrrning av mätcellen sker (<Þ76 mm) under kntinuerlig registrering av töjningsvärden mha en datalgger inbyggd ibrre. Knäckning av klirnan ch upptagning till ytan. De under fribrrningen avlästa töjningsvåirdena överflrs från mätcellens datalgger till en extern PC fr utvärdering' Figur 2.1 Installatin ch mätprcedur avseende mätcellen Brre. (efter Ljunggren ch Klassn, 1996)

11 4 Efter fribrrning av mätcellen utlrs kmpletterande beståimningar av bergets elastiska parametrar genm trycksättning av bergkärnan i en s k biaxialcell.. Biaxialfrsöket ger infrmatin m bergmaterialets elastiska egenskaper uttryckt i frm av elasticitesmdul ch Pissn's frhållande. Biaxialfrsöket ger ckså besked m samtliga givare reagerar på ett sätt sm kan flrväntas till fljd av de belastningsscykler sm genmfrs. Utvärderingen av spänningarna baseras på töjningsdifferenser, bestämda sm skillnaden i töjningsvärde fre ch efter fribrrning av mätcellen, samt parameterväirden från biaxialfrsöket. För utvärderingen gäller vidare att bergets egenskaper har antagits, i nrmalfallet, flja linjär-elastiska lagar samt att berget är hmgent ch kntinuerligt. Den slutgiltiga spänningsberâkningen är datriserad' llydraulisk spräckning Hydraulisk spräckning utnyttjas fr bergspänningsmätningar i kärnbrrade hål ch medger bestämning av spänningsfìiltet till magnitud ch rientering i planet vinkelrätt brrhålsaxeln. I ett vertikalt hål ger metden således infrmatn m det hrisntella spänningstillståndet i bergmassan. En islerad sektin av brrhålet trycksätts med vatten. Vid ett kritisk vätsketryck kmmer en dragspricka att uppstå i brrhålsväggen. Detta indikeras av ett plötsligt tryckfall i testsektinen varvid våitskeinjekteringen avbryts. Genm att registrera det efterlljande tryckfallet kan den minsta spänningen vinkelrätt sprickplanet bestämmas (minsta hrisntella spânningen i ett fall med vertikal spricka). Den största hrisntella spänningen kan, med kännedm m den minsta hrisntella spänningen ch bergets draghållfasthet, därefter beräknas med tillampning av Kirsch lsning. Spänningarnas rientering bestäms ftast med hjälp av en rienterad avtrycksmanschett, vilken placeras ch trycksätts i de lägen dâr spräckning tidigare utflrts. På manschetten avbildas de sprickr sm initierats ch med hjälp av en kmpass, sm rienterar manschetten i brrhålet, kan därefter sprickrna rienteras i frhållande till magnetisk nrr. Sprickrnas rientering sammanfaller med riktningen fr största hrisntella spänningen. Figur 2.2 visar knfiguratinen i brrhålet under spräckning respektive avtryck.

12 5 E L-J 1) \ u L.J 2) Figur 2.2 Knfiguratin i bnhålet fr hydraulisk spräckning vid l) spräckning ch 2) rientering.

13 6 3 BERGSPÄNNTNCAR OCH BERGBYGGANDE 3.1 Inledning En byggprcess fr en berganlãggning mfattar i allmänhet ett flertal faser, däribland ingår förstudie, upprättande av systemhandling, entreprenadhandling ch bygghandling, samt utfrande ch anpassning av handlingar under byggskedet. Inm respektive byggfas ska man fatta beslut av lika slag fr att uppfrlla freliggande krav på anlaggningen med givna eknmiska ÍamaÍ. De eknmiska begränsningarna är många gånger den styrande faktrn i sammanhanget. Byggherrens eknmiska riskbenägenhet ch val av risknivå är viktiga lrutsättningar fr val av tekniska lösningar. Kännedm m de gelgiska frhållandena, inklusive in-situ spänningarna, àr då en grundläggande infrmatinsbit lr att bestämma lämplig knstruktins- ch frstärkningsteknik. In-situ spänningarna är en styrande faktr i flesta bergmekaniska prblem vid knstruktin av berganläggningar, vilket i sin tur påverkar de tekniska lösningarna. Om bergspänningarnas psitiva effekter nyttjas i designskedet av en anläggning kan det generera eknmiska frdelar genm minskande frstärkningsinsatser ch krtare byggtid. Detta kapitel ska behandla typiska bergmekaniska prblem ch dagens metder fr framtagning av tekniska lösningar där bergspänningarna spelar en avgörande rll. 3.2 Bergmekaniska prblem Ptentiella bergmekaniska prblem sm kan uppkmma vid knstruktin av en berganläggning, ch vilka samtliga har en tydlig kppling till spänningstillståndet i bergmassan, är enligt fljande:. Stabilitetprblem (ras, kllaps, utfall, krypning) Defrmatinskänsliga prblem (anläggningar i tätrt) Grundvattenflöden (inlackande vatten, frsämrad hållfasthet på berget) Instabilitet är det mest frekmmande prblemet vid bergbyggande. Brtt iberg berr bl a av spänningsnivå ch befintliga strukturer. Figur 3.I (Hek, 1992) ger en sammanlattande beskrivning av de vanligaste typerna av brtt i berganläggningar. Sett ur brttmekanisk synvinkel kan bergbrtt delas upp i två klasser:

14 J t< 7 r Nedfallande bergblck, där sprickrnas hållfasthet överskrides. Överskridande av bergmassans hållfasthet Lw stress levels High stress levels (l) an (n ad à Massive rck subjected t lw in situ stress cnditins. Little r n rck failure, and supprt is nt required except lcally r t satisry mine safety regulatins. Massive rck subjected t high in situ stress cnditins. Failure initiatin and prpagatin ccurs in the rck adjacent t the excavatin bundary. Mesh r fibre reinfrced shtcrete with lcal blting will usually cntrl prpagatin ffailure znes. J Q l< () Massive rck with relatively few discntinuities under lw stress cnditins. Failure invlves falling r sliding f wedges and blcks defined by intersecting structural features' Rckblts shuld be designed t supprt dead weight f blcks. Massive rck with relatively few discntinuities under high stress cnditins. Failure invlving bth intact rck and structural features ccurs. Pattern rckblting r cableblting with mesh r straps, t cntrl surf4ce spalling, is generally required. J (.) ti (c 0) Heavilyjinted rck under lw stress with failure cntrlled by unravelling f small blcks and wedges frm the excavatin surface. Mesh r fibre reinfrced shtcrete with sme rck' blting will prvide adequate supprt. Heavilyjinted rck under high stress causing "squeezing" grund cnditins. Fully gruted dwels with mesh r fibre reinfrced shtcrete will generally cntrl failure. Alternatively, steel set may be required t maintain perrnanent access. Figur 3.1 Stabilitetsprblem berende av spänningsnivå ch bergets karaktâr (Efter Hek,1992)

15 8 Sm tidigare nämnts är det angeläget att nyttja de psitiva effekter sm spânningarna i bergmassan kan ge upphv till i syfte att ptimera insatsen av firstärkning. En hög nrmalspänning över sprickplan har t ex i de flesta fall en psitiv inverkan på stabiliteten då utglidning av bergblck längs existerade sprickplan styrs av gravitatinen ch spänningstillståndet. Gemetriskt utseende (t ex stupning, strykning, råhet ch vågighet) på sprickplanen ch bergspänningarnas magnituder är avgörande faktrer fr valvbildning i berget (Stille, 1990). När spänningarna överskrider bergets hållfasthet kan fljande prblem uppkmma (Stille, 1990): Smällberg (ppping grund). Krypande berg (squeezing grund) Därutöver påverkar rådande bergspänningar direkt eller indirekt uppkmsten av Svällande berg (swelling grund) Flfande bergmaterial (running eller flwing grund) Snabbt sönderfallande berg (ravelling grund) Bergfrstärkning i alla dessa fall är mer kmplicerade ch kräver i flesta fall sfi stikerade analyser ch bservatiner. Vid anläggning av bergrum cl/eller tunnlar i tätrter ställs sm regel mycket stränga krav på minimering av mgivningspåverkan. Däribland gäller att minimera markdefrmatiner lr att undvika sättningar för vanliggande byggnader. Bergspänningarna spelar här en avgörande rll då spänningstillståndet påverkar valvbildning ch defrmatinsfrdelningen i bergmassan. Närvarn av vatten i berg ger fta prblem av lika slag, dels genm att stabiliteten ñrsâmras, ch dels genm att inläckande vatten frsvårar drivningen eller ger skadr på mgivningen. Att spänningarna påverkar vattentransprt i berg är känt, dck är det inte helt klart på vilka sätt ch under vilka mständigheter. Idag är detta ett av flera viktiga frskningsämnen inm gevetenskapen. Vilka av de van nämnda prblemen sm kan uppkmma ch vilket prblem sm är styrande är ckså berende på typ av berganläggning. Tabell 3.1 redvisar en övergripande lista över typiska prblem flr lika berganlaggningar. Vidare redvisas i Tabellen vilka beslut i byggprcessen sm behöver infrmatin m spänningstillsåndet

16 9 Tabell 3.1 Typiska bergmekaniska prblem ch beslutsfattande vid byggande av lika typer berganläggningar' AnläggningstyP Beslutsfattande sm berör Typiska bergmekaniska prblem Bergvlym l. Tunnlar - Val av tunnellinje - Stabilitet - Inläckande vatten Spännvidd l0-20 m, längd l0 - km 2. Bergrum - Orientering av bergrum - Stabilitet vid stra spännvidder 20 x m - Inläckande vatten - Sättning i markytan 3. Berglager - Orientering av berglager - Design av tätning - Höga inre tryck, - Höga eller låga temperaturer m - Vattentransprt i berget 4. Gruvr - Val av förstärkning med låga kstnader - Stabilitet - Inläckande vatten m 5. Bergslänter 6. Bergschakt Släntlutning - Val av lining - Srabilitet - Grundvattentryck - Höga inre tryck i tryckschakt m l0-100m Ovanstående avsnitt har krt visat på att bergspänningarna har en str betydelse lr både eknmiskt utfall ch design vid knstruktin av berganlåiggningar. I följande avsnitt diskuteras någt m användningen av bergspänningar i designprcessen då ptentiella bergmekani ska prblem lreligger' 3.3 Användning av bergspänningar i bergmekaniska prblem Ätgärderna fr att bemästra bergmekaniska prblem kan numer sm regel lösas med hjälp av en kmbinatin av fljande metder (Stille, 1990): Empiriska metder Analytiska ch numeriska beräkningar. Observatinsmetder Bergbyggande kännetecknas ftast av kmplexa frhållanden. Bergmassans skiftande gelgiska uppbyggnad innebär att det är svårt att päteretiska grunder harleda b.rg*urruns mekaniska egenskaper. Bedömning av stabilitet ch frstârkningsinsatser har traditinellt därfr varit grundade på erfarenhet ch empirism' Empiriska klassificeringssystem av bergmassan (t ex RMR, Q-metden) med vissa parametrar har utvecklats ch använts till det syftet. För Q-metden ingår t ex rådande spännings- SveBeF RapPrt 37

17 10 tillstånd sm en av sex ingående parametrar i systemet. Under de sista åren har numeriska verktyg utvecklats i snabb takt, vilket inneburit att bergmekaniska beräkningar blivit viktigare vid framtagning av bergmekaniska åtgarder. För en numerisk mdell utgör spänningstillståndet, ibland de övriga bergrelaterade parametrarna, fundamentala indata. För att anpassa lrståirkningsinsatser ch drivningsmetder till rådande frhållanden utfrs fta bservatiner under byggtiden, speciellt under svåra flrhållanden. Med hjälp av bservatinerna kan bergets egenskaper ch även bergspänningar uppskattas genm s k numeriska bakåt-beräkningar (back calculatins). Detta verktyg ger utrymme för fråindring av både fürstärkningsinsatser ch drivningsmetd. Metden har visat på stra frdelar både tekniskt ch eknmiskt (Nrd ch Stille, 1997). Det skall dck påpekas att den säkerhet sm inte sällan lreligger i spänningsdata ibland medfr svårigheter att arbeta fram den ptimala lösningen lr bergmekaniska prblem. Idag finns det inte en systematisk metd att tillgå fr att utvärdera säkerheten i tillgängliga spänningsdata kpplat till en specifìk prblemställning. Detta leder ibland till knservativa lösningar. För att belysa betydelsen av bergspänningar vid berganläggningsknstruktin redvisas i nästa kapitel två verkliga anläggningexempel där kunskapen m spänningarna spelat en viktig rll i byggprcessens många skeden. Det skall understrykas att varje bergprjekt är unikt. De genmfürs med lika frutsättningar, arbetssätt ch lika målsättningar, vilket medlr att de metder sm nyttjas vid prblemlösning, ch sm diskuterats van, fta används tillsammans. Betydelsen av varje metd ch den arbetsmetdik sm nytdas regleras av tillgänlig infrmatin ch uppställda måi.

18 1l 4 TYPFALL - SPÄNNINGSRELATERADE PROBLEM OCH rösnncar 4.1 Arlandabanan Inledning Detta typfall redvisar bergmekaniska prblem ch tekniska lösningar vid lika skeden i byggandet av underjrdsstatinen Shuttle 2 i fulandabanan-prjektet' Arlandabanan,* a, Sveriges fl.sia större BOT-prjekt (Build, Operate, Transfer) byggs med i huvudsak privat fïnansiering. Prjektet, sm är en snabbjärnvâgs-förbindelse mellan Stckhlms Central ch Arlanda flygplats har en ttal byggnadskstnad pä 4,65 Miljarder SEK. Två engelska fretag; GþC-Alsthm ch Mwlem ansvarar für tågieveranser, signalsystem ch rälsläggning. SiabA{CC i knsrtiet Banbrytarna ansvarar lr alla byggnadsarbeten m ttalt 2,1 Miljarder SEK. Banbrytarnas prjektledning har sitt säte i Märsta nära Aflanda. Prduktinen är indelad i fyra áriftmråden - mark, berg, betng ch statiner. Markblcket ansvarar flr alla markarbeten van jrd inklusive 500'000 m3 bergschakt iskärningar' Bergarbeten under jrd mfattar ttalt m3 bergschakt, fürdelat på enkelspårs-, dubbelspårsch 3 underjrdsstatinstunnlar samt 11 hiss- ch rulltrappsschakt rakt under terminalerna vid Arlanda flygplats, Figur 4' l ' Brytningen av underjrdsstatiner påbrjades i "shuttle 2" under utrikesterminalen (Tlrminal 5). Shuttle 2 statinen är 155 m lång med en spåinnvidd m23 m' BergtÈickningen varierar mellan ca 8 - l3 m. mrådet van är dck tidigare plansprängt vilket kan innebära att den effektiva bergtäckningen är betydligt lägre berende på underbrrning ch sprängskadr. Ovanförliggande Terminal 5, grundlagd på pelarsulr på bergytan, är mycket känslig lr differentiell sättning ch de statiska lasterna från pelarsulrna âr uppskattade till kn' Prblemställning Shuttle 2 statinen är det svåraste underjrdsbygget i hela Arlandabanan prjektet med avseende på vanliggande känsli gabyggnatiner, stra ytlaster, liten bergtäckning ch relativt dåligt berg. Att inte utsätta Terminal 5 lr stra skadr under bergarbeten var den största utmaningen fr bergarbetena, prjektering ch prduktin inkluderade' Den preliminàra bergmekaniska studien under lrsta prjekteringsfasen indikerade att risken flr skadliga defrmatiner vid uttag av full statinssektin var betydlig. Defrmatinen i samband med berguttaget är bl a starkt kpplad till magnituden på de hrisntella spänningarna, Figur 4.2. Vid låga hrisntella spänningar freligger tydlig risk för skadliga sâttningar medan det vid höga hrisntella spänningar föreligger risk fr skadlig hävning. SveBeF RapPrt 37

19 t2 c a' j" ' 1 i õ ts (/,,t.a //),4- : \' 7 / í I t\ ll \/ ii.4!. / 1: t 1_ a -P 2 I 'l I I,''\ a /. )' T -& /l i -L I,l \l -r ',} 7- I I,s #,. 'at a-- Figur 4.1 Översikt över Arlandabanans tunnlar i flygplatsmrådet

20 t3 Risk str risk für skadlig sättning str risk flr skadlig havning Hrisntalsþänning, n (MPa) Figur 4.2 Risken lr skadlig defrmatin sm funktin av hrisntalspänningarna. Gelgiska undersökningar ch bergspänningsmätningar utfrdes i ett tidig! skede av prjektet. Shuttle 2 statinen ligger iglimmerskiffer ch glimmergnejs med i regel väl sammanhållna flrskiffringar. Vinkeln mellan frskiffringens strykning ch statinens riktning varierar från ca 0' till 20'. Bergkvalitén varierar från dåligt till bra berg, vilket mtsvarar Q: Strleken på största huvudspänningen uppmättes till ca l-9 MPa berende på djup ch gegrafiskt läge. Osäkerheter m bergets materialegenskaper ch initialspänningar i kmbinatin med känsliga mgivningar leder sjalvklart till en knservativ frsta design av bergfrstärkning samt stra restriktiner på berguttaget. För att på basta sätt eliminera riskerna fr skadliga defrmatiner tillsammans med en tillräcklig frstärkning beslots att statinen skulle tas ut i två steg, Figur 4.3. I en lrsta fas tgs två sidpilter ut längs hela statinsstråickan med kvarstående temprär mellanpelare i mitten. Defrmatiner kntrllerades ch bergkarteringar utfrdes. Därefter tgs mellanpelaren ut efter analys av uppmätta defrmatiner ch utlrda bergkarteringar, tillsammans med kmpletterande beräkningar av erfrderlig berglrstärkning. Frdelen med metden var att genm bergkartering i pilttunnlarna tillsammans med defrmatinsmätningar erhölls en förhållandevis helt ickande infrmatinsbild Över bergmassan, vilket gav ett underlag fr anpassande prjektering för uttag av mellanpelaren ch övriga schakter. Denna sk "active design" ställer hga krav på beslutsvägarna sm måste vara krta både vad gäller design, berguttag, uppfljning ch kntrll. Inte minst viktigt är samarbetet mellan entreprenör ch knsult.