Temperaturflöden i järnvägstunnlar Glödbergstunneln

Transkript

1 RAPPORT Temperaturflöden i järnvägstunnlar Glödbergstunneln Statusrapport 21

2 Dokumenttitel: Temperaturflöden i järnvägstunnlar - Glödbergstunneln. Statusrapport 21 Skapat av: Anna Andrén Dokumentdatum: Dokumenttyp: Rapport Publikationsnummer: 212:9 Ärendenummer: TRV 211/23249 Version:. Publiceringsdatum: Maj 212 Utgivare: Trafikverket Kontaktperson: Anna Andrén Uppdragsansvarig: Anna Andrén Tryck: Trafikverket Distributör: Trafikverket, Borlänge, telefon: ISBN:

3 Innehåll Sammanfattning Inledning Tunnelobjekt Mätutrustning Resultat Temperaturmätningar längs tunneln Temperaturmätningar sedan start Lufttemperaturer i tunnelns längdsektion Bergtemperaturer Temperaturer bakom drän Temperaturer i servicetunneln Temperaturer i ballast Vindhastighet i och utanför tunneln Vindriktning utanför tunneln Mätningar vid tågpassage Analys och diskussion Jämförelse med modellstudie Inverkan av dräner Köldinträngning bakom frostisolerad drän Temperatur i servicetunneln Köldnedträngning i ballast Vindhastighet i spårtunnel Referenslista...28 Bilaga 1 Årsmedeltemperatur Bilaga 2 Köldmängd och klimatzoner

4 Sammanfattning Under vinterhalvåret orsakar is stora problem i flera av Trafikverkets järnvägstunnlar. Vatten som fryser bildar istappar och ispelare som kan falla ned i spår samt växa till sådan storlek att de inkräktar på det fria rummet som tågen kräver för att passera genom tunneln. Belysningsarmaturer och kablar bryts sönder på grund av islast och spåren blir isbelagda på grund av takdropp och svallisbildning. Återkommande frysperioder kan medföra frostsprängning av berg och sprutbetong i tak och väggar som kan lossna och falla ner. För att upprätthålla säkerheten och förhindra trafikstörningar kräver många tunnlar omfattande underhållsinsatser. För att kunna reducera underhållet i tunnlarna, krävs förbättrad kunskap kring köldinträngning och effekterna av istryck på det bärande huvudsystemet. 22 utförde Högskolan i Gävle och KTH en modellstudie för att bestämma temperaturförhållanden i tunnlar. För att verifiera modellstudien genomförs nu mätningar i fält. Denna statusrapport redovisar mätningar som utförts i Glödbergstunneln vid Nyåker som ligger 8 mil sydväst om Umeå. Mätningarna visar att framtagna modeller underskattar köldinträngningen. Trots att tunneln är 168 m lång, sker köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln. En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer är att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta. Deras funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör för kylan att tränga längre in i tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, täckningsgraden, påverkar därmed köldinträngningens längd. Mätningar av temperaturer har utförts ned i ballasten. Glödbergstunneln har en undersprängning på 2 m under RUK, med motiveringen att ledningar för exempelvis dräneringsvatten ska vara förlagda på frostfritt djup. Mätningarna visar att temperaturen inte tränger så långt ned som man tidigare befarat och undersprängning i de mittersta delarna av tunneln hade kunnat göras mindre, med avseende på frostrisken. Temperaturmätningarna bakom en frostisolerad drän, har visat att dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen. Men då temperaturen är negativ under en längre period kryper även temperaturen bakom dränen under C och då förhindras dräneringsmöjligheten på grund av isbildning och det kan orsaka frostsprängning av dränen. Mätningar av lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln visar tydligt hur köldinträngningen påverkas av luftrörelser. Servicetunneln är stängd med portar mot både ute- och tunnelluft. När luften i en tunnel inte utsätts för rörelse, värms den upp av bergvärmen och antar samma temperatur som berget har, vilket oftast brukar sammanfalla men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen. 1

5 2

6 1 Inledning Denna statusrapport är en uppföljning av rapporten Temperaturflöden i järnvägstunnlar Glödbergstunneln. Statusrapport 28 (Andrén, 28a) och redovisar resultaten av mätningarna utförda från hösten 28 till våren 21. För bakgrund, information om modellstudie och installation av mätutrustning hänvisas till den ovan nämnda rapporten. 2 Tunnelobjekt För att öka förståelsen och för att validera den modellstudie som utfördes av Högskolan i Gävle samt KTH under 22 (Sandberg, m.fl., 22), utförs nu fullskaleförsök genom fältmätningar i några befintliga järnvägstunnlar. På våren 26 installerades det första mätsystemet i Åsatunneln, mil söder om Göteborg, och under slutet av år 26 installerades det andra mätsystemet i Glödbergstunneln vid Nyåker, 8 mil sydväst om Umeå. Mätningarna i Glödberget inleddes och denna rapport behandlar främst mätningar i Glödbergstunneln under vintersäsongerna 28/29 och 29/21, för att framförallt analysera och redovisa hela vinterperioder. Resultaten från mätningarna i Åsatunneln redovisas i en separat statusrapport (Andrén, 28b samt Andrén, 212). Glödbergstunneln är en enkelspårstunnel med längden 168 m som ligger nära Nyåker, 8 mil sydväst om Umeå på bandel 129. Södra mynningen ligger på sektion km och norra mynningen ligger på km Tunneln lutar från den södra mynningen ned mot den norra mynningen och höjdskillnaden är 21 m, vilket ger en lutning på 12,. Tunneln består av betongtunnel mellan km till km Därefter är det bergtunnel fram till km och tunneln avslutas med betongtunnel mellan km till km Tunnelns höjd är 7,2 m ovan RUK och bredden är 8 m. 3 Mätutrustning Den mätutrustning som finns installerad i Glödbergtunneln mäter luft-, yt- och bergtemperaturer, vindhastigheter samt lufttryck. Lufttemperatur mäts ca 1-2 cm från tunnelväggen, yttemperatur sitter installerad på tunnelväggen och bergtemperatur sitter installerad i borrhål som i Glödberget finns på två djup, 1 respektive cm (Figur 3.1). 1-2 cm 1 cm cm Figur 3.1 Placering av temperaturgivare på och i tunnelvägg 3

7 I spårtunneln sitter luft- och yttemperaturgivare installerade i nio sektioner längs tunnelsträckningen. Bergtemperatur mäts i fyra sektioner, vindhastighet mäts i tre sektioner och lufttryck mäts i två sektioner. I Glödberget görs även temperaturmätning ned i ballasten på, m, 1 m och 2 m djup i två sektioner, temperaturmätning bakom en frostisolerad dränmatta samt mätning av luft- och yttemperatur i den intilliggande servicetunneln. En klimatstation finns uppsatt strax utanför tunnelns södra mynning. Där mäts lufttemperatur, vindhastighet, vindriktning och luftfuktighet. Information om mätutrustningen och fotografier från installationen finns i rapporten Temperaturflöden i järnvägstunnlar Glödbergstunneln. Statusrapport 28 (Andrén, 28a). 4 Resultat I vissa figurer framöver visar mätningarna avbrott i mätserierna och orsaken är oftast problem i loggern och kommunikationen med Trafikverket. Mätdata saknas vid den södra mätstationen mellan följande datum, till , till , till För den mittersta mätstationen saknas mätdata för perioden till För den norra mätstationen saknas mätdata för perioden till och för datumet Även störningar på enskilda mätare kan förekomma. 4.1 Temperaturmätningar längs tunneln Temperaturmätningar sedan start Temperaturer har mätts i nio sektioner in längs tunneln och nedan redovisas utvalda mätserier från mätdatabasen under perioden till I Figur 4.1 visas lufttemperaturmätningarna och i Figur 4.2 visas mätresultat av yttemperatur. De enskilda mätserierna är svåra att urskilja i diagrammen, men de ger en bild av hur temperaturen varierat över åren. De visar att temperaturerna var lägre under vintern 28/29 än 27/28 samt att det var längre perioder med varaktig temperatur under C. Vintern 29/21 visar ännu lägre temperaturer. Lufttemperatur längs tunneln Dygnsmedeltemperatur Temperatur utanför tunneln Lufttemp m in km Lufttemp 1 m in km Lufttemp 2 m in km Lufttemp 3 m in km Lufttemp mitten 84 m in km Lufttemp 3 m in km Lufttemp 2 m in km Lufttemp 1 m in km Lufttemp m in km

8 Figur 4.1 Lufttemperaturer i Glödbergtunneln från till Yttemperatur längs tunneln Dygnsmedeltemperatur Temperatur utanför tunneln Yttemp m in km Yttemp 1 m in km Yttemp 2 m in km Yttemp 3 m in km Yttemp mitt km Yttemp 3 m in km Yttemp 2 m in km Yttemp 1 m in km Yttemp m in km Figur 4.2 Yttemperaturer i Glödbergtunneln från till Lufttemperaturer i tunnelns längdsektion I Figur 4.3 visas lufttemperaturen vid de olika mätstationerna in längs tunneln under några dagar i mars 29. Till vänster ligger den södra tunnelmynningen och till höger ligger den norra mynningen. Tunnelns längd är 168 m lång och finns angiven på x-axeln. Den temperatur som anges vid de båda mynningarna är den temperatur som har mätts vid masten utanför den södra mynningen.

9 Södra mynningen Dygnsmedeltemperatur Lufttemperatur längs Glödbergstunneln Norra mynningen Antal meter in längs tunneln (södra mynningen till vänster) Figur 4.3 Lufttemperatur in längs Glödbergtunneln under några dagar i mars 29 De hittills utförda mätningarna visar att kylan tränger längre in i tunnlarna än tidigare antaganden. Trots att tunneln är 168 m lång, sker en köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln. Kylan tränger in längre från den lägre belägna mynningen som är den norra (21 m lägre än den södra mynningen) och den av bergmassan uppvärmda tunnelluften stiger uppåt mot den södra tunnelmynningen (vänster sida i diagrammet), vilket resulterar i högre temperaturer. 4.2 Bergtemperaturer Bergtemperatur har mätts i fyra sektioner längs tunneln. I efterföljande diagram visas luft-, yt- och bergtemperaturer (1 cm respektive cm in i berget) för de fyra sektionerna vid de två vinterperioderna 28/29 och 29/21. Vid sektion 2 m in från södra mynningen visar troligtvis temperaturgivaren vid cm in i berget ca C fel (antaget efter analys av cm bergtemperaturer vid övriga sektioner), men då givaren är ingjuten kan inte kalibrering ske i efterhand. En manuell justering har gjorts genom att addera C till samtliga mätvärden för den aktuella temperaturgivaren. I Figur 4.4 och Figur 4. visas de justerade mätvärdena för denna givare. Temperaturmätningarna visar att berget fryses ned relativt snabbt även vid cm in i berget vid relativt små temperatursänkningar av tunnelluften. På motsvarande sätt tinar även bergmassan upp snabbt när temperaturen höjs över C. 6

10 Temperaturer in i berg vid 2 m in från södra mynningen 28/ Dygnsmedeltemperatur Lufttemp 2 m in km Yttemp 2 m in km Bergtemp 1 cm, 2 m in km Justerad Bergtemp cm, 2 m in km Figur 4.4 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 2 m in från södra mynningen under perioden till OBS justerad bergtemperatur vid cm Temperaturer in i berg vid 2 m in från södra mynningen 29/ Dygnsmedeltemperatur Lufttemp 2 m in km Yttemp 2 m in km Bergtemp 1 cm, 2 m in km Justerad Bergtemp cm, 2 m in km Figur 4. Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 2 m in från södra mynningen under perioden till OBS justerad bergtemperatur vid cm 7

11 Temperaturer in i berg vid 3 m in från södra mynningen 28/ Dygnsmedeltemperatur Lufttemp 3 m in km Yttemp 3 m in km Bergtemp 1 cm, 3 m in km Bergtemp cm, 3 m in km Figur 4.6 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 3 m in från södra mynningen under perioden till Temperaturer in i berg vid 3 m in från södra mynningen 29/ Dygnsmedeltemperatur Lufttemp 3 m in km Yttemp 3 m in km Bergtemp 1 cm, 3 m in km Bergtemp cm, 3 m in km Figur 4.7 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 3 m in från södra mynningen under perioden till

12 Temperaturer in i berg vid mittersta mätstationen 28/ Dygnsmedeltemperatur Lufttemp mitt km Yttemp mitt km Bergtemp 1 cm, mitt km Bergtemp cm, mitt km Figur 4.8 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid mitten av tunneln under perioden till Temperaturer in i berg vid mittersta mätstationen 29/ Dygnsmedeltemperatur Lufttemp mitt km Yttemp mitt km Bergtemp 1 cm, mitt km Bergtemp cm, mitt km Figur 4.9 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid mitten av tunneln under perioden till I Figur 4.1 visar mätningarna ett avbrott i mätserien för yttemperaturen i början av mätperioden. Orsaken var ett kabelbrott, vilket inte uppmärksammades i tid. Ny kabel installerades i mitten av december 28. 9

13 Temperaturer in i berg vid 3 m in från norra mynningen 28/29 1 Dygnsmedeltemperatur Lufttemp 3 m in km Yttemp 3 m in km Bergtemp 1 cm, 3 m in km Bergtemp cm, 3 m in km Figur 4.1 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 3 m in från norra mynningen under perioden till Temperaturer in i berg vid 3 m in från norra mynningen 29/21 1 Dygnsmedeltemperatur Lufttemp 3 m in km Yttemp 3 m in km Bergtemp 1 cm, 3 m in km Bergtemp cm, 3 m in km Figur 4.11 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 3 m in från norra mynningen under perioden till Temperaturer bakom drän I mitten av spårtunneln finns en temperaturgivare installerad bakom en frostisolerad drän. Dränen består av dubbla PE-mattor och har en total tjocklek på 14 mm. Dränen är sprutad med tre lager sprutbetong med en total tjocklek på 8 mm. I Figur 4.12 och Figur 4.13 jämförs temperaturen bakom dränen dels med lufttemperaturer utanför 1

14 tunneln, dels med lufttemperaturen i mitten av spårtunneln. Mätningarna visar att den isolerade dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen. Under vinterperioden 28/29 var temperaturen bakom dränen under C vid ett fåtal dagar. Denna situation uppstod i slutet av februari 28, då temperaturen i tunneln under en längre tidsperiod legat under C, se Figur Under vintern 29/21 återfinns en längre period med temperaturer under C bakom dränen, se Figur Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergtunneln 28/ Lufttemperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km Temp bakom drän mitt km Figur 4.12 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och tunnelluftens temperatur under perioden till Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergstunneln 29/21 1 Lufttemperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km Temp bakom drän mitt km Figur 4.13 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och tunnelluftens temperatur under perioden till

15 4.4 Temperaturer i servicetunneln I mitten av spårtunneln finns en ingång till den intilliggande servicetunneln och ca 1 m in i servicetunneln finns temperaturgivare för luft- och yttemperatur installerade. Servicetunneln är stängd med portar mot både ute- och tunnelluft, vilket leder till att luften i servicetunneln inte utsätts för rörelser på samma sätt som luften i spårtunneln. Mätningarna visar att temperaturen i servicetunneln nästan inte alls varierar över året, utan ligger kring 2-3 C oavsett temperatur utanför tunneln. Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln 28/ Lufttemperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km Lufttemp service-tunnel mitt km Figur 4.14 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden till Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergstunneln 29/21 1 Lufttemperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km Lufttemp service-tunnel mitt km Figur 4.1 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden till

16 I Figur 4.16 visas tydligt hur temperaturen konstant ligger kring 2-3 C trots att vinterperioderna blir kallare och kallare vartefter mätningen fortgår. Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergstunneln Lufttemperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km Lufttemp service-tunnel mitt km Figur 4.16 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under hela mätperioden till Temperaturer i ballast Temperaturer har mätts ned i ballasten i två sektioner i spårtunneln, dels 3 m in från den södra mynningen och dels i mitten av tunneln. I Figur 4.17 och Figur 4.18 visas hur temperaturen på 2 m djup är relativt opåverkad av utetemperaturen samt lufttemperaturen vid 3 m in från mynningen, medan temperaturen på, m och 1 m djup tydligare följer temperaturväxlingarna i lufttemperaturen. Temperaturen vid dessa nivåer är ibland under C och under vintern 29/21 ligger temperaturen för båda givarna under C för en längre tidsperiod. 13

17 Temperatur ned i ballasten 3 m in från södra mynningen i Glödbergstunneln 28/ Temperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp 3 m in km Temp i ballast, m, 3 m in km Temp i ballast 1, m, 3 m in km Temp i ballast 2, m, 3 m in km Figur 4.17 Temperatur i ballasten 3 m in från södra mynningen i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen vid aktuell sektion under perioden till Temperatur ned i ballasten 3 m in från södra mynningen i Glödbergstunneln 29/21 1 Temperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp 3 m in km Temp i ballast, m, 3 m in km Temp i ballast 1, m, 3 m in km Temp i ballast 2, m, 3 m in km Figur 4.18 Temperatur i ballasten 3 m in från södra mynningen i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen vid aktuell sektion under perioden till I mitten av tunneln är samtliga temperaturkurvor i ballasten relativt opåverkade av växlingarna i lufttemperaturen. Dock sjunker temperaturen under C. Givaren på, m djup visar att temperaturen är under C för en längre tidsperiod, men på 1 m djup är temperaturen aldrig under C för vinterperioden 28/29 (Figur 4.19). 14

18 För 29/21 sjunker temperaturen under C för både givaren vid, m samt givaren vid 1 m. Det tar förvånansvärt lång tid innan materialet tinar igen (Figur 4.2). Temperatur ned i ballasten i mitten av Glödbergstunneln 28/ Temperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km Temp i ballast, m, mitt km Temp i ballast 1, m, mitt km Temp i ballast 2, m, mitt km Figur 4.19 Temperatur i ballasten i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden till Temperatur ned i ballasten i mitten av Glödbergstunneln 29/21 1 Temperatur (dygnsmedel) Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km Temp i ballast, m, mitt km Temp i ballast 1, m, mitt km Temp i ballast 2, m, mitt km Figur 4.2 Temperatur i ballasten i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden till

19 4.6 Vindhastighet i och utanför tunneln I Figur 4.21 och Figur 4.22 visas vindhastigheten i och utanför tunneln. Mätningarna visar att toppar och dalar för de olika mätserierna följer varandra till viss del, men att vindhastigheten utanför tunneln inte nämnvärt påverkar vindhastigheten i tunneln. Vindhastigheten är lägre i den mittersta delen av tunneln (grön kurva), än vid mynningarna och den högsta vindhastigheten uppstår vid den södra mätstationen (rosa kurva). Att det är högst vindhastighet vid den södra mätstationen kan bero på att den ligger vid den högre belägna mynningen. Hit stiger den varma luften vilket orsakar mer luftrörelser än i den lägre belägna mynningen (blå kurva). Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln 28/ Vindhastighet m/s Vindhastighet utanför tunneln Vindhastighet söder km Vindhastighet mitt km 817+ Vindhastighet norr km Figur 4.21 Vindhastighet i och utanför tunneln under perioden till Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln 29/ Vindhastighet m/s Vindhastighet utanför tunneln Vindhastighet söder km Vindhastighet mitt km 817+ Vindhastighet norr km Figur 4.22 Vindhastighet i och utanför tunneln under perioden till

20 4.7 Vindriktning utanför tunneln I Figur 4.23 visas dominerande vindriktningar vid Glödbergtunneln. De utgörs dels av sydliga vindar som ligger mellan 14-17, dels nordvästliga mellan I diagrammet finns även tunnelns sträckning i förhållande till norr inritad. Tunnelmynningarna ligger 43 och 223 från norr och då dominerande vindriktning inte ligger i tunnelns sträckning så påverkas inte luftrörelserna i tunnelluften till någon större del av vinden. Vid de få tillfällen då vindriktningen sammanfaller med någon av tunnelmynningarnas riktning, fås en liten ökning av vindhastigheten vid mätstationen för aktuell mynning. Men det ger inte någon påverkan genom hela tunneln. Figur 4.23 Den dominerande vindriktningen vid Glödberget från februari 27 till juni Mätningar vid tågpassage För de mätstationer som sitter i spårtunneln kan en programslinga aktiveras, som loggar mätvärden varje/var tredje sekund. De värden som lagras är lufttemperatur, vindhastighet och lufttryck. Programslingan startas manuellt från Trafikverket och används för att studera vad som händer i tunnelluften när ett tåg passerar genom tunneln. Nedan redovisas en mätserie från Under mätserien passerade fyra tåg, enligt Tabell 4.1. Tabell 4.1 Tåg i Glödbergstunneln Kl Tågnr Tågslag Riktning Vikt Längd ca 8: 9126 Godståg Norrgående 913 t 7 m ca 8: Godståg Norrgående 682 t 61 m ca 9: 911 Godståg Södergående 22 t 378 m ca 9:3 431 Godståg Norrgående 79 t 29 m I Figur 4.24 visas mätstationernas ungefärliga placering i tunnel samt vilken riktning tågpassage sker i tunneln vid norr- respektive södergående tåg. Figuren visar även att 17

21 den södra mynningen är den högt belägna mynningen och därför stiger den uppvärmda tunnelluften mot söder. Figur 4.24 Mätstationernas placering och riktningsangivelse för söder- respektive norrgående tåg Den tredje tågpassagen i tunneln (ca 9:) skiljer sig från de andra då detta tåg är södergående istället för norrgående. Detta tåg var även mycket tyngre än de andra och hade troligtvis lägre hastighet, därav uppstod mindre störning på vindhastigheter och tryck (se Figur 4.2, Figur 4.26 och Figur 4.27). Södra stationen Glödberget norrgående norrgående södergående norrgående 99 1 Temperatur ( C) / Vindhastighet (m/s) 1-7:46: 8:1: 8:16: 8:31: 8:46: 9:1: 9:16: 9:31: Lufttryck (hpa) Tid Lufttemp m in km Lufttemp 1 m in km Lufttemp 2 m in km Lufttemp 3 m in km Vindhastighet km Lufttryck 93 Figur 4.2 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Södra mätstationen Vid den södra mätstationen sänks temperaturen vid tågpassage för de norrgående tågen, medan det för det södergående tåget nästan inte sker någon temperaturförändring alls (Figur 4.2). Faktum är att tunnelluften vid den södra delen av tunneln är varmare än både uteluften och tunnelluften i den norra änden (jämför normaltemperaturen ca - C i Figur 4.2 med ca - 12 C i Figur 4.26), eftersom den södra tunnelmynningen ligger högre än den norra mynningen och den varma luften stiger uppåt på grund av skorstenseffekten. Orsaken till temperatursänkningen vid de norrgående tågen är att 18

22 de drar med sig kall uteluft när de kör in i den södra tunnelmynningen. För de södergående tågen hinner den kalla uteluften från norr blanda sig med den varmare tunnelluften längs hela tunneln. Så när tåget passerar den södra mätstationen, strax innan tåget passerar ut ur tunneln, är lufttemperaturen relativt nära tunnelluftens temperatur. Vid den norra mätstationen höjs istället temperaturen vid tågpassage, speciellt för de norrgående tågen. Det beror på att den varma tunnelluften som finns i tunnelns södra del trycks framför de norrgående tågen och ökar därmed temperaturen tillfälligt i tunnelns norra delar (Figur 4.26). Norra stationen Glödberget norrgående norrgående södergående norrgående 99 1 Temperatur ( C) / Vindhastighet (m/s) :46: 8:1: 8:16: 8:31: 8:46: 9:1: 9:16: 9:31: Lufttryck (hpa) Tid Lufttemp m in km Lufttemp 1 m in km Lufttemp 2 m in km Lufttemp 3 m in km Vindhastighet km Lufttryck 93 Figur 4.26 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Norra mätstationen Det sker även en ökning av lufttemperaturen vid den mittersta mätstationen, men den är inte lika markant som vid den norra mätstationen (Figur 4.27). Här sker troligtvis en omrörning av tunnelluften i mätsektionen vid tågpassagen, vilket leder till ökade temperaturer. 19

23 Mittersta stationen Glödberget norrgående norrgående södergående norrgående 6 Temperatur ( C) / Vindhastighet (m/s) :46: 8:1: 8:16: 8:31: 8:46: 9:1: 9:16: 9:31: -6-8 Tid Lufttemp mitt km Vindhastighet km Figur 4.27 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Mittersta mätstationen Analys och diskussion.1 Jämförelse med modellstudie De hittills utförda mätningarna visar att kylan tränger längre in i tunnlarna än tidigare antaganden. Mätningarna visar att trots att tunneln är 168 m lång, sker köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln (Figur.1). Lufttemperatur längs Glödbergstunneln Södra mynningen Dygnsmedeltemperatur Norra mynningen Antal meter in längs tunneln (södra mynningen till vänster) Figur.1 Lufttemperatur in längs Glödbergtunneln under några dagar i mars 29 2

24 Tunnelluften är varmast i den del av tunneln som ligger vid den högre belägna tunnelmynningen. Det kan förklaras med skorstenseffekten där den varma luften stiger uppåt. Detta har även visats i modellstudien (Sandberg m.fl., 22) och i Figur.2 visas luftflödet för den tunnelkategori som motsvarar situationen i Glödberget, det vill säga Klass III där ΔH > 2H. ΔH är tunnelns totala höjdskillnad och H är tunnelsektionens höjd. I Glödbergets är ΔH = 21 m och H = 7,2 m. Figur.2 Luftströmningsmönster för Klass III Fall D (Sandberg m.fl., 22) För att göra en enkel jämförelse med den tidigare utförda modellstudien så plockas den utetemperaturen som leder till negativa grader i hela tunnelns längd (turkos kurva) från temperaturkurvan i Figur.1. Vid utetemperaturen -1 C och en bergtemperatur på +3 C (årsmedeltemperaturen för område där Glödbergstunneln ligger se Bilaga 1) visar de streckade linjerna i Figur.3 att enligt modellstudien ska nollisotermen ligga på ca 46 m in från den lägre belägna tunnelmynningen för en lutande tunnel. I fältmätning visas dock att tunneln har negativa temperaturer i hela sin längd. X [m] T =+8 C B T =+3 C B T =+ C B Utomhustemperatur T [ C] Aktuella mätvärden från Figur.1 och Bilaga 1 Figur.3 Köldinträngning i Glödbergstunneln (modifierad från Sandberg m.fl., 22) En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer är att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta. Deras funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör för kylan att tränga längre in i tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, täckningsgraden, påverkar därmed köldinträngningens längd. 21

25 .2 Inverkan av dräner (Hela avsnittet är uppdaterat från den tekniska rapporten av Andrén & Dahlström, 211) Enligt TRVK Tunnel 11 ska den lägsta temperaturen på ytor i ett trafikutrymme bestämmas med följande förutsättningar; Järnvägstunnel med längd 1 m ska dimensioneras för köldmängd med återkomsttiden år. Vid järnvägstunnel med en längd > 1 m ska de delar som är belägna på större avstånd än m från en tunnelöppning dimensioneras för medelköldmängd. Övriga delar ska dimensioneras för köldmängd med återkomsttid år. Temperaturdata för medelköldmängd och köldmängd med en återkomsttid på år framgår av Tabell.1 och Bilaga 2. Tabell.1 Temperaturdata, enligt TRVK Tunnel 11 KLIMATZON Nedkylnings- resp. uppvärmningstid (dagar) Köldperiodens totala längd (dagar) Lägsta temperatur vid köldmängd med återkomsttid år ( C) Lägsta temperatur vid medelköldmängd ( C) TRVK Tunnel 11 anger att ovanstående förutsättningar ska tillämpas såvida inte riktigare värden kan påvisas i utredning. I utredningen ska beaktas att lufttemperaturen inuti tunneln påverkas av faktorer som läge, längd, lutning, höjdskillnad mellan påslag och ventilationsförhållanden samt de geografiska och meterologiska förhållandena. Den högsta temperaturen vid konstruktionens sida mot trafikutrymmet förutsätts vara +2 C oberoende av tunnelns geografiska läge. Antagande om temperaturer i omgivande jord och berg ska anges av byggherren. Om man utgår från de givna förutsättningarna vid dimensionering enligt ovan och resultatet från den modellstudie som tidigare utförts (Sandberg m.fl., 22) skulle resulterande köldinträngning för Glödbergstunneln bli enligt följande; Lägsta temperaturvärdet för år i klimatzon 4, -16 C (enligt Tabell.1) Bergtemperatur: +3 C (enligt Bilaga 1) Dessa förutsättningar medför, för att inte tillåta frysning, att den södra ändan isoleras från mynningen 2 m (säkerhetsavstånd, enligt Sandberg m.fl., 22) och den norra ändan från mynningen och ca 46 m in i tunneln, se Figur.3. Modellen är framtagen med syftet att identifiera tunnelavsnitt där lufttemperaturen varaktigt är under fryspunkten. I de tunnelavsnitt som under en länge varaktighet 22

26 befinner sig under fryspunkten kan isolerande dräner behöva installeras för att förhindra isbildning. I Glödberget är totalt ca 7 % av tunnelns tak och väggar klädda med 14 mm tjocka isolerande dräner. Dränerna är sedan täckta med ca 8 mm sprutbetong. Dränerna längs den 168 m långa tunneln är fördelade enligt följande; södra tredjedelen 2 % mellersta tredjedelen 48 % norra tredjedelen 2 %. Den lägre belägna norra tunnelmynningen och den norra tredjedelen av tunneln har mer eller mindre inga isolerade dräner installerats, varför detta avsnitt av tunneln är jämförbart med den tidigare framtagna modellen. Enligt modellen skulle fryspunkten tränga in ca 46 m vid en utetemperatur av -1 C, (se Figur.3), men enligt fältmätningen vid samma längdmätning i tunneln är lufttemperaturen ca - C, (se turkos kurva vid längdmätning 122 m i Figur.1). Modellen verkar överskatta temperaturen med några grader. Vindhastigheten som uppstår på grund av skorstenseffekten i tunneln har en stor inverkan på köldinträngningen och i jämförelsen mellan fält och modell används fallet för en lutande tunnel som genererar störst vindhastighet (höjdskillnaden mellan tunnelmynningarna är >2H där H är tunnelsektionens höjd). I modellförsöken redovisar (Sandberg m.fl.) framtagna vindhastigeter för olika tunnellutningar och temperaturskillnader mellan berg och uteluft ( T) som funktion av tunnellängd. För en tunnel med 1 lutning och T = 16 C är vindhastigheten ca 1-1,2 m/s. Mätt vindhastighet, 1 m in från den norra mynningen i tunneln (vid samma T och med lutningen 12, ), varierar mellan ca, till 1, m/s (Figur. blå kurva), vilket stämmer bra överens med de vindhastigheter som redovisas i modellförsöken. För att studera effekten av isolering i jämförelse med en icke isolerad tunnel har en enkel endimensionell effektbehovsberäkning, motsvarande värmeavgivningen, utförts för en tunnel med bredden 8 m och höjden 8 m. Taket har en radie på 4 m. Effektbehovet är beräknat utifrån fasta lufttemperaturer i tunneln. Betong och isolering har förutsatt vara torra. Material och de termiska egenskaper som motsvarar de i Glödbergstunneln redovisas i Tabell.2. Den isolerade dränen har förenklats och har kontakt med berget över hela sin yta, alltså ingen konvektion. Resultatet redovisas i Figur.4. Det är tydligt att skillnaden i värmeavgivningen ökar med lägre temperatur. Minskning av värmeavgivningen från berget är ca 2 % när tunneln är isolerad. 23

27 Tabell.2 Termiska egenskaper Material Termisk konduktivitet, λ [W/mK] Tjocklek [m] Värmeövergångsmotstånd, αl [m 2 K/W] Isolering,42,14 Sprutbetong 1,7,8 Luft 9,7 P = U A ΔT där P = Effektbehovet, i detta fall värmeavgivning U = Värmegenomgångstal [W/m 2 K] A = Omslutningsytornas area ΔT = (T berg T luft) 1/U= 1/α L + Ʃ d 1/ λ 1 + d 2/ λ 2 där α L = Värmeövergångstal [m 2 K/W] λ 1, λ 2 = Termisk konduktivitet [ W/mK] isolering resp. sprutbetong d 1, d 2 = tjocklek [m] isolering resp. sprutbetong 6,, 4, Värmeavgivning per meter tunnel, 8m x 8m Effekt med isolering [W] Effekt utan isolering [W] Effektskillnad [W] Effekt [W] 3, 2, 1,, Lufttemperatur i tunneln [ C] Figur.4 Resultat från en förenklad effektbehovsberäkning motsvarande skillnad i värmeavgivning från berget till tunneln med isolering och utan isolering Detta medför naturligtvis att den framtagna modellen (Sandberg m.fl., 22) inte är direkt relevant för isolerade eller delvis isolerade tunnlar. Kylan tränger betydligt mycket längre in i tunneln och i fallet Glödberget, genom hela tunnelns längd. För att bedöma köldinträngningen måste man ta hänsyn till täckningsgraden, det vill säga hur stora ytor av tunnelväggarna som är isolerade. Dessutom måste man ta hänsyn till isoleringens lokalisering i tunneln. 24

28 .3 Köldinträngning bakom frostisolerad drän Under vinterperioden 28/29 var temperaturen i tunnelluften vid ett flertal tillfällen under C och under februari 29 hade tunnelluften negativa grader under en längre tidsperiod. Det gjorde att den uppmätta temperaturen bakom dränen i mitten av tunneln vid ett fåtal dagar låg under C. Med temperaturer under C bakom dräner förhindras dräneringsmöjligheten på grund av isbildning och det kan orsaka frostsprängning av dränkonstruktionen. Under vinterperioden 29/21 låg temperaturen i tunnelluften under C för en längre tidsperiod, från mitten av december till slutet på mars. Det ledde till att temperaturen bakom dränen vid ett flertal dagar låg under C..4 Temperatur i servicetunneln De mätningar av luft- och yttemperatur som har utförts i den intilliggande servicetunneln visar att när luften i en tunnel inte utsätts för rörelse, värms den upp av bergvärmen och antar samma temperatur som berget har. Bergtemperaturen brukar oftast sammanfalla men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen. SMHI har kartor som visar årsmedeltemperaturen över Sverige. För zonen kring Glödbergstunneln är årsmedeltemperaturen mellan 2-3 C (se Bilaga 1), vilket stämmer mycket bra överens med de utförda mätningarna i servicetunneln. Lufttemperaturen i servicetunneln ligger hela året och pendlar runt 2-3 C trots att vinterperioderna blir kallare och kallare vartefter mätningen fortgår (se Figur 4.16 för hela mätserien).. Köldnedträngning i ballast Mätningarna i ballasten visar att temperaturen inte tränger så långt ned, som man tidigare befarat. Glödbergstunneln har en undersprängning på 2 m under RUK, med motiveringen att ledningar för exempelvis dräneringsvatten ska vara förlagda på frostfritt djup. Det frostfria djup som gäller i mark utanför tunneln, har även använts för frostfritt läge i hela tunnelns längd. Vid 3 m in från södra tunnelmynningen visar givarna på, och 1 m djup att under vintern 29/21 ligger temperaturen för båda givarna under C för en längre tidsperiod, medan 2 m givaren aldrig går under 1 C. I mitten av tunneln är temperaturen aldrig under C på nivån 1 m under vintern 28/29, men sjunker ned strax under nollan under vintern 29/21. Efter den vinterperioden tar det förvånansvärt lång tid innan materialet tinar igen. På 2 m nivån går aldrig temperaturen under C. I mitten av tunneln borde bortdränering av vatten kunna ske i en frostfri miljö även med en mindre undersprängning. Men det är inte bara att minska undersprängningens djup. Tunnelns lutning har stor betydelse för dräneringen och om lutningen på tunnelns botten ändras, på grund av ändrade undersprängningsdjup, så förändras givetvis dräneringsmöjligheterna. Om detta projekts resultat finns tillgängligt vid planering av nya tunnlar, kan undersprängningsdjup och tunnelutformning optimeras för bästa möjliga lösning. 2

29 .6 Vindhastighet i spårtunnel Mätningarna av vindhastighet i och utanför tunneln visar att vindhastigheten utanför tunneln inte nämnvärt påverkar vindhastigheten i tunneln. Vid den mittersta mätstationen är vindhastigheten lägre än vid mynningarna. En jämförelse med mätningarna i Åsatunneln (Andrén, 212) visar att vindhastigheten är mycket högre i Åsatunnelns mittersta mätstation jämfört med motsvarande station vid Glödbergstunneln, jämför de gröna kurvorna i Figur. och Figur.6. En orsak kan vara att Åsatunnelns mittersta mätstation ligger i en svacka, vilket orsakar att luft både kommer ned till svackan (kall luft som sjunker) och lämnar svackan (uppvärmd luft som stiger mot mynningarna). I Glödberget har tunneln en konstant lutning, vilket ger upphov till ett konstant flöde i tunnelns mittersta delar. Vindhastigheten är högre i Glödbergets mynningar än i de mittersta delarna, vilket tyder på ökade luftrörelser kring mynningarna. I Figur.2, som visar luftrörelser för Klass III, visas att en ökad luftrörelse sker i den högre belägna mynningen, som i Glödbergstunnelns fall är den södra mynningen. I Figur. ligger den rosa kurvan, som representerar den södra mynningen, något över den blå kurvan, som representerar den norra och lägre belägna mynningen. Mätningarna visar även på en relativt jämn vindhastighet över året vid den norra (blå linje) respektive södra (rosa linje) mätstationen, medan vindhastigheten vid den mittersta mätstationen (grön linje) ökar under vinterperioderna. Det tyder på ökade luftrörelser genom hela tunnelns längd under denna period. Detta är logiskt med tanke på att temperaturskillnaderna mellan uteluft och tunnelluft är större under vinterperioden, vilket driver på skorstenseffekten. Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln Vindhastighet m/s Vindhastighet utanför tunneln Vindhastighet söder km Vindhastighet mitt km 817+ Vindhastighet norr km Figur. Vindhastighet i och utanför Glödbergstunneln under perioden till

30 Vindhastighet i och utanför Åsatunneln Vindhastighet (m/s) Vindhastighet utanför tunneln Vindhastighet norr km Vindhastighet svackan 47+ Vindhastighet söder km Figur.6 Vindhastighet i och utanför Åsatunneln under perioden till (Andrén, 212) 27

31 Referenslista Andrén, A., 28a. Temperaturflöden i järnvägstunnlar Glödbergstunneln. Statusrapport 28. Borlänge: Banverket XTBG. Andrén, A., 28b. Temperaturflöden i järnvägstunnlar Åsatunneln. Statusrapport 28. Borlänge: Banverket XTBG. Andrén, A., 212. Temperaturflöden i järnvägstunnlar Åsatunneln. Statusrapport 21. Borlänge: Trafikverket. Andrén, A. & Dahlström, L-O., 211. Temperaturflöden i järnvägstunnlar Glödbergstunneln. Luleå: LTU. Sandberg, M., m.fl., 22. Köldinträngning i järnvägstunnlar. Utveckling av ett projekteringsverktyg. Gävle: Högskolan Gävle, KTH, Banverket. SMHI ( Trafikverket, 212. TRVK Tunnel 11. TRV publ nr 211:88. 28

32 Bilaga 1 Årsmedeltemperatur 29

33 Bilaga 2 Köldmängd och klimatzoner Från TRVK Tunnel 11 3

34 Trafikverket, Borlänge. Besöksadress: Röda vägen 1. Telefon: , Texttelefon: