Val av borrklass kopplat till MWD, bergklass samt vattenflöde vid projektet Hallandsås

Transkript

1 EXAMENSARBETE 2005:218 CIV Val av borrklass kopplat till MWD, bergklass samt vattenflöde vid projektet Hallandsås PER LINDÉN CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Väg- och vattenbyggnadsteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad Avdelningen för Bergmekanik 2005:218 CIV ISSN: ISRN: LTU - EX / SE

2 FÖRORD Examensarbetet omfattar 20 poäng och har genomförts under våren 2005 på uppdrag av Banverket vid projektet Hallandsåsen. Detta är det avslutande momentet på civilingenjörsprogrammet Väg och Vatten. Examensarbetet har utförts på institutionen för samhällsbyggnad, avdelningen för Bergmekanik på Luleå Tekniska Universitet. Riktlinjerna för examensarbetet har tagits fram i samråd med Banverket projektet Hallandsås samt handledare Lars-Olof Dahlström adjungerad professor LTU/Banverket. Ett stort tack till Lars-Olof Dahlström och Kenneth Rosell på Banverket för hjälp och stöd under arbetet. Ett stort tack också till övriga inblandade vid projektet Hallandsåsen. Göteborg, juni 2005 Per Lindén I

3 SAMMANFATTNING De återstående två tredjedelar av tunnlarna igenom Hallandsåsen kommer att slutföras med hjälp av fullortsborrningsteknik. Tunnelborrmaskinen (TBM) är en sköldad maskin som har möjlighet att gå i öppet så väl som slutet läge. Slutet läge innebär att utrymmet framför borrhuvudet trycksätts av en slurryblandning med åtta bars mottryck som begränsar vatteninläckaget samt stabiliserar fronten. Även förbehandling av bergmassan genom skölden eller genom borrhuvudet är möjlig för att begränsa vatteninläckaget och stabilisera bergmassan framför fronten. TBM:en är utrustad med borriggar från Atlas Copco som har möjlighet att använda sig av MWD-teknik (measure while drilling). MWD innebär att borrparametrar loggas kontinuerligt under borrning. Dessa data kan sedan användas för att bedöma bergmassans hårdhet och sprickighet. Även en mätning av vatteninläckaget ur sonderingshålen sker. Med hjälp av de data som erhålls från MWD-borrsonderingen kan bergklass och hydraulisk konduktivitet bestämmas. Bergklasserna är indelade av Banverket och representerar de olika bergtyper som förväntas finnas i Hallandsåsen. En stabilitetsanalys av bergmassan har utförts med Examine 2D. Bergklassificeringssystemet rock mass rating (RMR) har används samt brottkriteriet Hoek & Brown. Vid analysen har torra förhållanden antagits. Vid högre hydrauliska konduktiviteter har olika brottscenarier studerats med avseende på RQD och vittringsgrad för att undersöka möjliga stabilitetsproblem. Resultaten från Examine 2D visar på att stabilitetsproblem vid torra förhållanden (K<5*10-7 m/s) börjar ske vid bergklass 7. Detta innebär att stabiliserande åtgärder, så som drivning i slutet läge eller förinjektering, bör vidtas vid bergklass 7, 7a, 8, 9 och 10. För värden på den hydrauliska konduktiviteten mellan 5*10-7 och 2,3*10-5 m/s bedöms stabiliserandeåtgärder behövas redan vid bergklass 4 och 6. Vatteninläckaget i tunnlarna är begränsat till 100 l/s som ett snitt över en 4-veckorsperiod under byggtiden. Detta innebär att vid högre inläckage måste åtgärder vidtas. För att bestämma när detta sker har en vatteninläckagemodell framtagits. Denna bygger på Darcy s lag och beskriver inflödet till ett cirkulärt hålrum belägen i en homogen bergmassa med ett visst vattentryck. Resultaten visar på att värdet på 100 l/s överskrids vid drivning i öppet läge när den hydrauliska konduktiviteten är högre än 2,3*10-5 m/s för bergmassan. Vid drivning i slutet läge överskrids 100 l/s när K>5,1*10-5 m/s. II

4 ABSTRACT The remaining two thirds of the tunnels through Hallandsåsen will be completed with a tunnel borring machine (TBM). The tunnel borring machine in this case is shielded and can excavate in both open and closed mode. Closed mode, means that the front is pressured with eighth bar by a slurry mix that restricts the water inflow and stabilizes the front. It is also possible to pregrout the rock mass through the shield or the front, to restrict the water inflow and to stabilize the front. The TBM is equipped with drill rigs from Atlas Copco, which has the possibility to use MWD-technology (measure while drilling). MWD means that drill parameters logs continuously during drilling. The data is then used to determine rock hardness and fracture frequency. Also measurement of the water inflow through the probe-holes will be performed. The data that is received from the probe-holes is used to determine the rock class and hydraulic conductivity. The rock classes have been defined by Banverket and represent the different types of rock that can be found in Hallandsåsen. A stability analysis of the rock mass has been performed with Examine 2D. The rock mass classification system rock mass rating (RMR) and Hoek & Browns failure criterion is used in the program. In the analysis dry conditions is assumed. With higher hydraulic conductivities different types of failure is studied considering RQD and weathering to examine possible stability problems. The results from Examine 2D show that stability problems will start to occur in dry conditions (K<5*10-7 m/s) in rock class 7. This means that stability measures, like driving in closed mode or pre-grouting, should be performed at rock class 7, 7a, 8, 9 and 10. For values on the hydraulic conductivity between 5*10-7 and 2,3*10-5 m/s stability measures can also be required in rock class 4 and 6. The water inflow to the tunnels are limited to 100 l/s under a period of 4 weeks during the construction phase. This means that if higher water inflows are achieved, measures have to be taken. To determine when this occur a water inflow model have been established. This model is built on Darcy s law that describe the water inflow to a circular tunnel situated in a homogeneous rock mass under a specific water pressure. The results show that the value 100 l/s is exceeded, when driven in open mode and, the hydraulic conductivity is higher then 2,3*10-5 m/s for the rock mass. When driving in closed mode 100 l/s is exceeded when K>5,1*10-5 m/s. III

5 INNEHÅLLSFÖRTECKNING FÖRORD...I SAMMANFATTNING... II ABSTRACT... III 1 INLEDNING Bakgrund Syfte Mål Avgränsningar TUNNELDRIVNING VID PROJEKTET HALLANDSÅSEN Geologin Hydrogeologin Allmänt Hydraulisk konduktivitet Bergklasser Tunnelborrmaskinen Allmänt TBM n vid projektet Hallandsåsen Borrklasser Behandlingsklasser MWD-TEKNIK Allmänt Utrustning på TBM vid projektet Hallandsås Analys av MWD-data Kalibrering Bergets hårdhet Bergets sprickighet Vattenflöde MWD-data kopplat till bergklasserna STABILITETSANALYS AV BERGMASSAN RMR (Rock Mass Rating) Hoek & Browns brottkriterium Examine 2D analys Modell Resultat Stabilitetsanalys av RMR-klasser Stabilitetsanalys av vittringsgrad och RQD samt dess påverkan från vattenflödet Grön sektion Blå sektion Gul sektion Röd sektion BESTÄMNING AV VATTENINLÄCKAGE Vatteninläckagemodell Resultat Bestämning av bergmassans hydrauliska konduktivitet utifrån borrsondering Bestämning av tunnelinläckaget utifrån inläckaget i sonderingshålen REKOMMENDATION AV BORRKLASS Beslutskarta för val av borr- och behandlingsklasser... 30

6 6.2 Tillämpning av beslutskartan DISKUSSION OCH SLUTSATS REFERENSER BILAGA 1 Vittring och RQD BILAGA 2 TBM BILAGA 3 Geologiskt prognosblad sektion till BILAGA 4 Examine 2D analys

7 1 INLEDNING 1.1 Bakgrund Banverket har beslutat om att tunnlarna genom Hallandsåsen skall slutföras med hjälp av en tunnelborrmaskin (TBM). Denna TBM skall enligt planerna vara i drift, augusti Maskinen är anpassad för att arbeta i de specifika geologiska samt hydrogeologiska förhållanden som råder i Hallansåsen med skiftande bergkvalitet och hög hydraulisk konduktivitet. För att möta de varierande bergförhållandena har 14 borrklasser framtagits, varav sex gäller öppet läge samt åtta vid slutet läge. Omfattande geologiska och hydrogeologiska undersökningar har genomförts i åsen, dessa uppgifter samt en kontinuerlig uppföljning vid drivningen genom sonderingsborrning i berget skall ligga till grund för val av borrklass. Under sonderingsborrningen kommer borrparametrar att registreras, så kallad measure while drilling (MWD). Sonderingsborrningen sker genom TBM-skölden med ett överlapp på 10m. Bergmassan i Hallandsåsen har indelats i bergklasser som baserats på rock quality designation (RQD), blockstorlek, vittringsgrad samt dimensionerande deformations- och hållfasthetsegenskaper. Bergklassen skall sedan kopplas samman med vattenflödet, där inläckaget i tunneln är begränsat till 100 l/s under byggtiden som ett snitt över en 4- veckorsperiod, för att ge den borrklass som är lämplig att använda vid det aktuella tillfället. 1.2 Syfte Föreliggande examensarbete syftar till att undersöka och utreda borrsondering med MWD så att en tolkning av bergklass kan prognostiseras framför TBM. Tolkningen av resultaten kopplas sedan samman med bergklasserna för projektet Hallandsåsen. Bergklasserna skall sedan tillsammans med bergmassans hydrogeologiska egenskaper generera underlaget för val av borrklass. De av myndigheterna satta gränsvärdet för vatteninläckaget i tunnlarna under byggtiden på 100 l/s under en 4-veckorsperiod får inte överskridas. De resultat som framkommer vid undersökningen skall tillsammans med andra utredningar ligga till grund för val av borrklass samt övriga åtgärder för en säker drivning. 1.3 Mål Målet med examensarbetet är att få en god förståelse för hur MWD-tekniken fungerar och hur den kan tillämpas vid tunneldrivning. Vidare att förstå och kunna tillämpa bergklassificeringssystem och brottkriterium för att utföra stabilitetsanalyser av bergmassor. Erhålla kunskap om hydrogeologiska tillämpningar vid tunneldrivning för vatteninläckageberäkningar. Samt att presentera en ansatts till kopplingen mellan MWDbergklass-borrklass. 1

8 1.5 Avgränsningar Examensarbetet är avgränsat till att gälla för projektet Hallandsås. Detta innebär att de beräkningar och analyser som utförts inte är direkt tillämpbara vid andra projekt. Vid undersökningarna om MWD-tekniken har en närmare granskning av programmet Tunnel Manager utförts. Detta på grund av att det är det programmet som kommer användas vid projektet. Det finns dock fler program men dessa har här inte granskats inom ramen för detta examensarbete. Stabilitetsanalysen bygger på bergklassificeringssystemet RMR samt brottkriteriet Hoek & Brown. Fler bergklassificeringssystem och brottkriterium finns, men dessa används inte i examensarbetet. Beräkningsmodellerna för bestämningen av vatteninläckaget i tunnlarna är grundade på Darcy s lag och förenklingar till inflöden till ett långsträckt cirkulärt hålrum i ett kontinuum. I beslutsmodellen tas inte hänsyn till vilken behandlingsklass, enligt Skanska/Vinci, som skall användas när det behövs förbehandlingsåtgärder. Ingen studie har gjorts på vilka injekteringsåtgärder som krävs för stabilisering och/eller tätning av bergmassan. 2

9 2 TUNNELDRIVNING VID PROJEKTET HALLANDSÅSEN Tunneldrivningen vid projektet Hallandsåsen innefattar två parallella tunnlar á 8,6 km vardera med en area på 86 m 2 utbruten teoretisk bergvolym. Vid dags datum återstår två tredjedelar att driva, det vill säga ungefär 2 x 5,7 km. Drivningen beräknas ta ungefär 5 år, därtill tillkommer övriga installationer på ungefär 1 år. Tunnlarna beräknas kunna vara i drift år De geologiska samt hydrogeologiska förhållanden som råder vi projektet Hallandsåsen i kombination med rådande miljökrav gör att utförandet av tunnlarna är mycket komplicerat. Arbetet med drivningen ställer höga krav på tillförlitliga tekniska lösningar och den utrustning som kommer att användas. På grund av projektets historiska bakgrund samt med dagens krav och givna förutsättningar är de myndighetskrav och restrektioner som är satta mycket strikta. 2.1 Geologin Hallandsåsen som är en horst bildades för omkring miljoner år sedan. En horst bildas i samband med en normalförkastning. Det omgivande berget sjunker och en bergsplint står kvar över omkringliggande berggrund. Den förkastningslinje som Hallandsåsen tillhör kallas Tornquistlinjen och löper tvärs över Europa. Den bergart som är rikligast förekommande i åsen är gnejs. Denna gnejs bildades för ungefär 2 miljarder år sedan. Även amfibolit som är en mörk bergart som liknar gnejs förekommer till viss del. Till mindre del återfinns också granit och diabas. Längs tunnlarnas sträckning finns tre besvärligare partier, s.k. sprickzoner, se figur 1. Dessa bildades när hallandsåsen höjdes ur omgivande berg genom sekundärförkastningar. Värme och vatten har under miljoner år vittrat sönder dessa zoner. Figur 1. Åsen innehåller tre partier i tunnelsträckningen med särskilt dåligt berg: Norra randzonen, Möllebackzonen och Södra randzonen, [1]. Den höga sprickfrekvensen och bitvis höga vittringsgraden i framförallt de ovan nämnda sprickzonerna gör att drivningen av tunnlarna blir komplicerad. Åsen som i sig är ett grundvattenmagasin med generellt mycket hög hydraulisk konduktivitet som medför extremt höga inflöden till tunnlarna. Dessa faktorer gör tunnelarbetet i Hallandsåsen svårare än normalt i Sverige. 2.2 Hydrogeologin Allmänt Ett stort problem vid drivningen av tunnlarna genom Hallandsåsen är det stora flöde av vatten som förekommer. Grundvattennivån ligger till största delen ungefär 150 meter över tunnlarna vilket resulterar i ett vattentyck på 15 bar. Det relativt höga trycket och bergmassans höga 3

10 hydrauliska konduktivitet längs sträckningen har resulterat i att tätningar av berget, till de av myndigheterna angivna tillåtna inläckage, har varit svåra att uppnå med injekteringsteknik. De inläckage krav på grundvattnet som är satta av myndigheterna under byggtiden är 100 liter/sekund som ett snitt över en 4-veckorsperiod. Alltså kan det förekomma att värdet på 100 l/s överskrids tillfälligt under en 4-veckorsperiod. Under driftskedet är det största tillåtna inläckaget 30 l/s Hydraulisk konduktivitet Den hydrauliska konduktiviteten, som är ett mått på bergets vattengenomsläpplighet, har bedömts längs sträckningen utifrån hydrogeologiska undersökningar. De angivna värdena visar på en generellt hög hydraulisk konduktivitet med stor spridning. Värdena bör betraktas som medelvärden för ett tunnelavsnitt. I kontraktshandlingarna har en indelning av bergets hydrauliska konduktivitet gjorts i tre klasser, utgående från 50 % respektive 90 % sannolikhet att värdet överskrids, se figur 2. De tre klasserna är: K 50 > 0,5*10-6 m/s K 90 < 5*10-6 m/s K 50 > 5*10-6 m/s K 90 < 50*10-6 m/s K 50 > 10*10-6 m/s K 90 < 100*10-6 m/s Figur 2: Principskiss över variation av hydraulisk konduktivitet längs ett tunnel avsnitt, [2]. 2.3 Bergklasser Vid projektet Hallandsås har en indelning av berget gjorts i bergklasser. Dessa bergklasser har indelats som funktion av RQD, blockstorlek och vittringsgrad, bilaga 1. Vittringsgraden är grundade efter ISRM:s standard för vittring av bergarter (efter Brown 1981). I tabell 1, 4

11 redovisas bergets geologiska egenskaper samt de dimensionerande deformations- och hållfasthetsegenskaper som tilldelats bergklasserna. De givna värdena för bergmassan bygger på beräknade medelvärden baserade på deformationsmätningar och erfarenheter från uttagna tunnelpartier samt empiriska samband mellan geologisk klassning och bergmekaniska egenskaper, [2]. Resultaten av de bergspänningsmätningar som utfört visar att den största spänningen ligger i horisontalplanet och är orienterad parallellt med tunnlarna. Storleken på spänningen är ungefär lika med dubbla vertikalspänningen. De deformationsmätningar som utförts vid uttag av tunnlarna indikerar att horisontalspänningen vinkelrät mot tunnlarna är lika med vertikalspänningen. Resultaten av mätningarna är något förvånande och är osäkert eftersom bergsryggen bildades genom en normalförkastning där den dominerande spänningen en gång varit den vertikala. σ H = 2σ v σ h = σ v RQD Klass [%] Block storlek [cm] Vittring E m [GPa] σ cm [MPa] c [MPa] φ [º] v i [º] > 60 W ,2 45 0, W ,7 40 0, W ,9 35 0, W ,2 32 0, W ,7 30 0, W ,9 28 0, W3 1,7 2,3 0,7 26 0,2 2 7a W3 1,5 1,5 0,5 25 0, W4 1,5 1,5 0,5 25 0, W ,3 23 0, W5 0,5 0,5 0,2 20 0,2 0 Tabell 1. Geologiska egenskaper samt dimensionerande deformations- och hållfasthetsegenskaper för bergmassan, [2]. Inom sprickzoner med RQD < 25 förekommer ofta en ökad vittringsgrad, därför saknas kombinationer med högt RQD samt en vittringsgrad på W2-W5. Där vittringen är kraftig (W4-W5) är den hydrauliska konduktiviteten ofta låg. Vid lägre vittringsgrad (W1-W3) är den hydrauliska konduktiviteten ofta hög till mycket hög. 2.4 Tunnelborrmaskinen Allmänt [3] En fullborrad tunnel innebär att hela tunnelarean borras av en stor maskin, en s.k. TBM (Tunnel Boring Machine). Maskinen, se bilaga 2, borrar sig genom berget med hjälp av roterande krossande diskrullar, s.k. kuttrar. Dessa kuttrar är fastsatta på ett cirkulärt huvud och rullar med stort tryck vilket genererar skjuvspänningar som överskrider bergets hållfasthet. Det losstagna berget transporteras på maskinens ovansida via skovlar som sitter på ytterkanten av borrhuvudet. Det kraftiga matningstryck som fodras erhålls genom att maskinen spänns fast med hjälp av spännben som pressar stödplattor ( grippers ) mot väggen, 5

12 varefter hydraulcylindrar pressar borrhuvet mot fronten. För en säker indrift finns oftast utrustning för förstärkningsarbete och injektering bakom borrkronan. Maskinerna kan grovt delas in i sköldade respektive öppna maskiner. Under senare år har två typer av sköldade maskiner etablerat sig. Dessa är slurry-maskinen samt Earth pressure balanced (EPB) maskinen. Sköldade TBM:er används oftast i dåliga bergförhållanden och/eller när vatteninläckaget måste regleras. Slurry maskinen trycksätter fronten genom en vätska för att stabilisera berget och begränsa vatteninläckaget, materialet pumpas ut via ett rörsystem. EPB maskinen använder sig av det sönderbrutna berg/jord- material för att stabilisera fronten vid drivning, materialet tas ut via en skruv genom bulkhead. Öppna maskiner arbetar mest i hårdare bergarter och förstärkningen kan sättas in direkt bakom kronan. Indriften under extremt goda förhållanden kan uppgå till 30 m/dygn. Då investeringskostnaden för maskinen är stor krävs en viss längd på tunneln för att det ska vara lönsamt ur en ekonomisk synpunkt. Lönsamheten beror på tunnelns diameter samt bergartens kvalitet. Ett generellt värde på längden av tunneln när TBM är att föredra är svårt att uppskatta då en mängd faktorer spelar in. Möjligheterna att applicera förstärkning i samband med TBM är något begränsad. Förstärkningen kan installeras före och efter borrhuvudet. Normalt sker detta efter, men då bergförhållandena är dåliga kan förstärkningen tvingas ske före kronan. Detta medför ofta en markant sänkt indrivningshastighet då processen är tidskrävande. Vid konventionell drivning sker normalt skador på omkringliggande berg orsakade av sprängningen, vilket kan ge ett större behov av förstärkning jämfört med TBM. Andra fördelar med TBM i detta avseende är den ur bergmekanisk synpunkt gynnsamma geometrin. Ett runt tvärsnitt ger generellt färre blockutfall samt en bättre spänningsfördelning. Förutom empiriska metoder, så som Q-systemet och RMR, används andra metoder för att dimensionera förstärkningen. En vanlig analytisk metod är GRC (ground reaction curve) som lämpar sig väl för tunnelgeometrin efter en TBM. Utifrån GRC bedöms belastning på förstärkning och storlek på deformation. Även numeriska metoder används där beräkningar av spänningar och deformationer leder till en uppskattning av förstärkningsbehovet. Vid konventionell drivning är svaghetszoner, i form av mer eller mindre lerfyllda krosszoner, ofta förknippade med stora problem. Resultatet vid en sprängd tunnel blir ofta dåliga konturer samt nya inducerade svagheter i det kvarstående berget, vilket medför ökad risk för ras. I tunnlar drivna med TBM kan väl konsoliderade och torra zoner passeras utan att konturen förstörs. Nedfall sker dock ofta en till två dygn efter borrning, men tidsförskjutningen gör att förstärkning kan appliceras efter kronan. En TBM väger, beroende på diametern, flera hundra ton. Detta medför att drivningen inne i svaghetszoner kan göra att gripprarna får dåligt fäste. Det kan ge upphov till sämre matningskraft samt göra maskinen svårstyrd TBM n vid projektet Hallandsåsen Vid projektet Hallandsåsen kommer en sköldad slurry TBM att användas, se bilaga 2. Maskinen är tillverkad av den tyska TBM-tillverkaren Herrenknecht AG och har en diameter på 10,5 meter. På grund av geologin samt de hydrogeologiska förhållandena i Hallandsåsen ställs mycket höga krav på maskinen. 6

13 Den sköldade TBM n har en elementstation i bakre delen av skölden där betongelement monteras och sammanfogas till en tät betonglining. Denna betonglining är konstruerad för ett statiskt vattentryck på 15 bar samt rådande bergtryck och löser problematiken kring myndigheternas krav på vatteninläckaget. Betongliningen fungerar även som mothåll för hydraulcylindrarna när dessa trycker maskinen framåt. Tidigare i projektet användes en TBM där gripprar tog spjärn mot tunnelväggarna. Det bitvis mycket dåliga bergförhållandena gjorde dock att gripprarna sjunk in i bergmassan och detta resulterade i dålig matningskraft samt att maskinen inte gick att styra. Den nya maskinen kringgår detta problem och kan därmed drivas i mycket vittrat och uppsprucket berg. För tekniska data kring tunnelborrmaskinen se bilaga Borrklasser Skanska/Vinci har gjort en indelning i 14 olika borrningsklasser, se tabell 2. Grovt kan indelningen göras i öppen samt sluten borrklass. Tabell 2: Definition av borrningsklasser av Skanska /Vinci, [2]. 7

14 Med öppen borrklass menas att maskinen är öppen mot vatteninläckage. Detta innebär att vatten fritt kan strömma in i tunneln genom maskinen. TBM n kommer att användas i öppen borrklass så länge detta är möjligt. Vid drivning i öppet läge är den maximala indrivningshastigheten 80mm/min, [2]. Uttransport av bergmassor sker i öppet läge genom ett centralt placerat transportband vars bredd är 1000 mm. Transportbandet är dimensionerat för att klara hanteringen av bergmassorna vid maximal indrivningshastighet. Vid sluten borrklass arbetar maskinen med en sluten borrkammare som trycksätts i fronten på TBM med hjälp av en slurry blandning. Trycket i borrkammaren byggs upp för att kontrollera och begränsa inläckage av grundvatten och stabilisera tunnelfronten vid dåliga bergförhållanden. Vid sluten borrklass reduceras den maximala indrivningshastigheten. För permanent drift begränsas drifttrycket till 8 bar, dock är det möjligt att under en kortvarig drivning upprätthålla ett tryck på 13 bar. Uttransport av berg sker via en slurry krets med en kapacitet på 2000 m 3 /h (slurry + utbrutet material). Vid en växling mellan öppet och slutet läge är tidsåtgången för nödvändiga åtgärder och inspektioner beräknad till en halv dag. Detta gör att växlingar mellan dessa lägen i största möjliga mån bör undvikas Behandlingsklasser För att uppfylla kraven på inflöde av vatten till tunnlarna kan det bli tvunget att injektera bergmassan framför maskinen. Injekteringen kan ske genom skölden samt genom borrhuvudet. Maskinen måste stå stilla under behandlingen av berget, men kan utföras i både öppet och slutet läge. Det är möjligt att injektera via blow-out-preventers (BoP), samt vid behov infodras borrhålen (Casing). Skanska /Vinci har tagit fram sex injekterings klasser för behandling genom skölden, se tabell 3. Samtliga omfattar 19 hål i skärmen som vardera är 22 meter. Tabell 3: Behandlingsklasser för injektering genom skölden, [2]. 8

15 Injektering genom borrhuvudet sker endast vid besvärliga förhållanden, då behandling via skölden ej är tillräcklig, denna metod är mer tidskrävande. För data kring behandlingsklasser genom borrhuvudet se tabell 4. Tabell 4: Behandlingsklasser för injektering genom borrhuvudet, [2]. 9

16 3 MWD-TEKNIK 3.1 Allmänt Att olika typer av berg ger en differens vid borrning är allmänt känt. Detta indikerar att det finns ett samband mellan bergmassan och borrbarheten. MWD-tekniken utnyttjar detta samband till att bestämma bergmassans egenskaper. MWD (Measursment While Drilling) mäter borrparametrar under borrning och loggar dessa som data. Denna data analyseras och en uppskattning av bergmassans egenskaper görs. Borrparametrarna kan delas upp i två grupper, oberoende parametrar som kan varieras av operatören samt beroende parametrar som är responsen från bergmassan, [4]. Oberoende parametrar: matningskraft rotationshastighet spolmedieflöde Beroende parametrar: borrsjunkning vridmoment spolmedietryck Om de oberoende parametrarna hålls konstanta beror ändringen endast på de beroende parametrarna hos bergmassans egenskaper. För att kunna tolka och förstå de variationer som borrparametrarna uppvisar måste borrningen kalibreras mot en bergmassa. För att erhålla goda resultat är det viktigt att detta sker i den bergmassa som senare ska undersökas med MWD då varje kalibrering är unik. Den bergmassan som kalibreringen sker mot måste innehålla skiftande egenskaper så en varians kan påvisas. Kalibreringen kan ske på olika sätt. De vanligaste och bästa metoderna är mot kärnborrning eller ort. Från både kärnborrprov och ort kan en rad egenskaper för bergmassan bestämmas så som hårdhetstester, RQD och vittringsgrad. Från dessa undersökningar grundas sedan en tolkning av MWD-datan. Programmen som används vid analyser av MWD-data arbetar med multivariant analys. Det är en statistisk metod som arbetar med fler än två variabler. Vidare används PCA (principalkomponentanalys) som förenklar datatabeller, skapar modeller, reducerar brus, finner uteliggare, väljer objekt och variabler, utvärdera korrelationer, klassificera och predikterar olika grunddrag hos datan. Se [5] för en noggrannare redogörelse. 10

17 3.2 Utrustning på TBM vid projektet Hallandsås Borrsonderingen från TBM samt tidigare utförda geologiska och hydrogeologiska undersökningar kommer att ligga till grund för en prognostisering av bergmassan framför maskinen. Den information som kommer att erhållas från MWD-tekniken är en av de viktigaste underlagen för beslut om borrklass. Sonderingen kommer att utföras på ett sådant sätt att det så lite som möjligt inverkar på drivningsarbetet. På TBM vid projektet Hallandsås kommer det att sitta tre borriggar med utrustning för att kunna lagra MWD-data. Dessa borriggar är tillverkade och levererade från Atlas Copco och innehåller mjukvaruprogrammet Tunnel Manager. Programmet bygger på undersökningar och modeller framtagna av Håkan Schunnesson vid LTU, [5]. Sonderingsborrningen kommer att ske kontinuerligt från TBM och sker huvudsakligen genom skölden. Detta för att inte riskera att borrstänger av stål fastnar framför borrhuvudet. Sonderingshålen har en vinkel på 10 till 13,5 grader och en längd på meter. 7 meter motsvarar längden på skölden, 8-15 meter den dagliga indriften samt 10 meters överlapp. Borrhålsdiametern är 64 mm för samtliga borriggar. Antal sonderingshål som kommer att utföras i borrplanen varierar mellan 3, 6 och 9. Det är även möjligt att utföra sonderingshålen med eller utan BoP samt att använda borrstänger med eller utan casing, se tabell 2 under borrklasser. De 8 borrparametrar som kontinuerligt lagras under sonderingen är: Borrsjunkning [cm/min] Matningskraft [KN] Slagverkstryck [bar] Rotationstryck, vridmoment [bar] Rotationshastighet [rpm] Dämpningstryck [bar] Spolmedietryck [bar] Spolmedieflöde [l/min] Data från ovan nämnda borrparametrar lagras på ett PC-kort. Detta PC-kort flyttas sedan till en dator med mjukvaruprogrammet Tunnel Manager för vidare analys. Användaren väljer loggningsintervall, det minimala loggningsintervallet är 2 cm. Data mäts varje 100 ms och presenteras som ett genomsnitt över den aktuella intervallperioden, [6]. 3.3 Analys av MWD-data Data från de ovan nämnda borrparametrarna analyseras av programmet Tunnel Manager och en bedömning görs av två geologiska parametrar. Dessa är: Bergets hårdhet Bergets sprickighet 11

18 3.3.1 Kalibrering För att få tillförlitliga resultat är det mycket viktigt att en noggrann kalibrering av utrustningen har gjorts. För att kunna kalibrera utrustningen måste bergmassan geologiska egenskaper framför maskinen vara kända. Vid projektet Hallandsås kommer en kartering av bergmassan att ske genom borrhuvudet. Denna utförs av en geolog och innefattar kartering av vittringsgrad, RQD samt hårdhetstester, troligen med schmidthammare. Det är mycket viktigt att bergmassan uppvisar en variation i hårdhet och sprickighet då det annars inte är möjligt att kalibrera mot hela spannet av skiftande bergkvalité. Kalibreringen kommer att ske under de första 200 metrarna av drivningen, till , se bilaga 3. Under denna sektion visar undersökningar att bergmassans geologiska egenskaper varierar från vittringsklass W1 till W5 samt att RQD värdena varierar från till Detta gör att kriteriet för skiftande bergkvalitet troligen uppfylls och en god kalibrering kan erhållas. För att möjliggöra en kartering genom borrhuvudet förutsätts att maskinen måste gå i öppet läge. Skanska/Vinci uppger att detta är planerat för minst de först 200 metrarna. Utan en kalibrering är resultaten i det närmaste intetsägande Bergets hårdhet Bergets hårdhet har framförallt ett samband med borrparameten borrsjunkning. Ju större borrsjunkning är desto lösare är berget. Bergets hårdhet är kopplat till bergets vittringsgrad vilket är en parameter som ingår i bergsklassificeringen vid projektet Hallandsås. I figur 3 visas hur hårdheten i ett borrhål i berg varierar över borrad sträcka, redovisat i Tunnel Manager. Färgskalan sätts av användaren samt vilket intervall varje färg representerar. Figur 3: MWD-data över hårdheten i ett borrhål, redovisat i Tunnel Manager, [6]. 12

19 Data från alla sonderingshål i en krans kan redovisas i en 3-D modell, se figur 4. Vid normala förfarande innefattar en borrplan 3, 6 eller 9 sonderingshål i varje krans. Antal hål är relativt lite då de borrade tunnelarean är ungefär 86 m 2. Programmet utför därför en interpolering som ger en trolig bild av bergmassan mellan hålen. Avståndet som skall interpoleras sätts av användaren, desto större detta avstånd är ju större blir osäkerheten. Det är här viktigt att en noggrann analys av de data som erhålls görs. Detta för att den sammantagna bergmassan på den sträcka som är aktuell för drivning blir representativ för hela tunnelarean. En bedömning från fall till fall måste göras då stabilitetsproblem i bergmassan är beroende av vart svagheterna i berget är lokaliserade på tunnelarean. Generellt kan sägas att svagheter belägna vid randen på tunneln orsakar de största stabilitetsproblemen. Med hjälp av dessa data kan en prognostisering av bergmassan framför maskinen göras. Figur 4: 3-D modell i Tunnel Manager över hårdheten i en fiktiv borrkrans, [6] Bergets sprickighet Bergets sprickighet är har framförallt ett samband med borrparametern vridmoment. Ett jämnt vridmoment implicerar ett lågt antal sprickor, ett ojämnt vridmoment implicerar ett högt antal sprickor. Bergets sprickighet är kopplat till RQD som är en parameter som ingår i bergklassificeringen vid projektet Hallandsås. I figur 5 visas hur sprickigheten i ett borrhål varierar i ett berg över en borrad sträcka, redovisat i Tunnel Manager. Övrigt är förfarandet samma som för bergets hårdhet, färgskala väljs av användaren samt det går att se en 3-D bild över borrplanen, figur 6. En interpolering görs av bergmassan mellan hålen för att erhålla en prognostisering över den aktuella sträckan. 13

20 Figur 5: MWD-data över sprickigheten i ett borrhål, redovisat i Tunnel Manager, [6]. Figur 6: 3-D modell i Tunnel Manager över RQD:en i en fiktiv borrkrans, [6]. 14

21 3.3.4 Vattenflöde Att mäta vattenflödet i ett borrhål ingår inte i programmet Tunnel Manager. Däremot är det möjligt att själv programmera programmet eller beställa tjänsten av Atlas Copco så att en uppskattning kan göras. Dock är detta ett komplicerat problem som kräver mycket mätningar och tester för att ge några givande resultat. Nedan följer en enklare beskrivning kring problematiken. Vattenförhållandet i ett borrhål kan beskrivas som ett samband mellan spolmedietrycket och spolmedieflödet. Spolmedieflödet som är en oberoende parameter kan hållas konstant vid borrning. Detta medför att den beroende parametern spolmedietrycket kommer att ändras vid skiftande geologiska samt hydrogeologiska förhållanden. Om exempelvis en kraftig minskning av trycket registreras skull detta kunna tyda på att ett tomrum i berget passerats. Detta tomrum skulle kunna vara en större spricka eller ett område med lätt urspolbart material. Spolmediet strömmar då in i tomrummet och trycket faller. Hur länge denna tryckminskning håller i sig beror på hur stor sprickan är. Skull det däremot ske en tryckökning skulle detta kunna tyda på att en spricka med vatten under tryck passerats. Vilket i detta fall skulle öka mottrycket som medför en ökning på spolmedietrycket, [7]. Även borrhålslängden och dess lutning påverkar spolmedietrycket. Med ökad borrlängd sker en ökning av spolmedietrycket, detta för att upprätthålla spolmedieflödet med ökat mottryck. Detta mottryck beror av ökad friktion samt ökat antal meter vattenpelare som skall pressas undan, vilket är beroende av hålets lutning. Varje borrutrustning har ett specifikt samband mellan spolmedieflöde, spolmedietryck samt borrhålslängd. En kalibrering måste därför ske för varje borrutrustning. En ändring av utrustningen efter kalibrering, tillexempel slanglängder eller slangdiameter mm, skulle medföra missvisande resultat. Först bör en kalibrering i torra förhållanden ske. Detta för att påvisa hur borrlängden påverkar spolmedietrycket. Därefter kalibreras utrustningen i en bergmassa vars geologiska och hydrogeologiska förhållanden är väl dokumenterade och skiftande. Detta för att finna påvisbara samband mellan spolmedietrycket och bergets egenskaper. Registreringen av data kan alltså vara mycket svåra att tolka, speciellt då förekomsten av vatten i bergmassan är hög. Därför rekommenderas inte MWD-tekniken som metod för bedömning av hydrogeologin i detta examensarbete. 3.4 MWD-data kopplat till bergklasserna För att enklare kunna utföra beräkningar av möjliga stabilitetsproblem som kan uppstå i bergmassan vid drivning kopplas MWD-datan, som erhålls från Tunnel Manager, ihop med bergklasserna för projektet Hallandsås. Bergets hårdhet, som är kopplat till vittringsgraden, graderas i W1-W5. Bergets sprickighet, som är kopplat till RQD, graderas i , 50-75, samt Därefter kombineras de båda värdena, enligt tabell 3, och en bergklass kan erhållas. 15

22 RQD Bergklass [%] Vittring Beskrivning W1 Mycket låg sprickfrekvens, ovittrat berg W1 Låg sprickfrekvens, ovittrat berg W1 Hög sprickfrekvens, ovittrat berg W1 Mycket hög sprickfrekvens, ovittrat berg W2 Hög sprickfrekvens, lätt vittrat berg W2 Mycket hög sprickfrekvens, lätt vittrat berg W3 Hög sprickfrekvens, moderat vittrat berg 7a 0-25 W3 Mycket hög sprickfrekvens, moderat vittrat berg W4 Hög sprickfrekvens, starkt vittrat berg W4 Mycket hög sprickfrekvens, starkt vittrat berg W5 Mycket hög sprickfrekvens, helt vittrat berg Tabell 3: Bergklass som funktion av RQD och vittringsgrad. 16

23 4 STABILITETSANALYS AV BERGMASSAN En vanlig metod för att beräkna stabiliteten hos bergmassan är att karakterisera berget i ett klassificeringssystem. De vanligaste klassificeringssystemen som används i Sverige är Q- systemet (Rock Mass Quality) och RMR (Rock Mass Rating). I detta examensarbete har RMR valts som klassificeringssystem. Därefter används bergklassificeringen i modeller för brottkriterier. Med hjälp av dessa modeller kan sedan numeriska beräkningar göras av bergmassans hållfasthet. Det finns en rad olika brottmodeller för bergmassor, de vanligaste är Hoek & Browns samt Mohr-Coulombs brottkriterium. I detta examensarbete har Hoek & Brown valts som brottkriterium. De geologiska parametrarna RQD och vittringsgrad som indirekt erhålls från MWDborrsonderingen är starkt knutna till stabiliteten i bergmassan. En stabilitetsanalys baserad på parametrar utförs därför nedan samt hur stabiliteten påverkas av vattenflödet. 4.1 RMR (Rock Mass Rating) RMR benämns även som det geomekaniska klassificeringssystemet. Det utvecklades av Bieniawski år 1973 i Sydafrika och byggde på studier av ytligt liggande tunnlar i sedimentära bergarter, [8]. Metoden baseras på fem parametrar: Bergartens enaxiella tryckhållfasthet Borrkärnans kvalité, RQD Sprickavstånd Spricktillstånd Grundvattenförhållanden Dessa fem parametrar bedöms och poängsätts enligt tabell 4. Poängsättningen av parametrarna har ändrats genom åren, här används RMR från Parametrar Enaxiella tryckhållfastheten [Mpa] > Poäng RQD [%] < 25 Poäng Sprickavstånd [m] > ,3-1 0,05-0,3 < 0,05 Poäng Spricktillstånd* W1 W2 W3 W4 W5 Poäng Grundvattenförhållanden Torrt Fukt Moderat vattenflöde Stort vattenflöde Poäng Tabell 4: Delpoäng för RMR 76, [8]. *) Här klassificerat utifrån vittringsgrad Summan av delpoängen för varje parameter ger en bedömning av bergmassan. Indelningen sker i fem klasser, tabell 5. 17

24 Totalpoäng Klass Beskrivning I Mycket bra II Bra III Acceptabelt IV Dåligt < 20 V Mycket dåligt Tabell 5: Bergmasseklasser enligt RMR, [9] Utifrån värdet på RMR kan ett värde på GSI (Geological Strength Index) erhållas. GSI används sedan i Hoek & Browns brottkriterium. För RMR 76 gäller då att värdet för grundvattenförhållandena sätts till 10, alltså torra förhållanden. Det värde som då erhålls kallas RMR 76. För RMR 76 > 18, kan antagandet att GSI = RMR 76 utnyttjas,[8]. 4.2 Hoek & Browns brottkriterium Hoek och Brown utvecklade 1980 ett empiriskt brottkriterium för isotropa bergmassor togs den för närvarande nyaste modellen fram, ekvation 1. σ 3 a σ = σ ( m + b s ) σ (1) c σ c där: σ 1 = Största huvudspänningen vid brott σ 3 = Minsta huvudspänningen vid brott σ c = Det intakta bergets enaxiella tryckhållfasthet m b, s, a = Parametrar som beskriver bergart och kvalité För intakt berg gäller att m b =m i samt s=1, där m i en parameter grundad utifrån olika bergarters mineralsammansättning samt kornstorlek, tabell 6. s=0 för ett fullständigt uppsprucket berg. mi Bergartsgrupper 7 Bergart bestående av karbonater (dolomit, kalksten marmor) 10 Bergarter bildade av leriga sediment (lersten, lerskiffer, skiffer) 15 Bergarter bildade av sandiga sediment (sandsten, kvartsit) 17 Finkorniga magmatiska bergarter (andesit, dolerit, diabas kvartsit) Grovkorniga magmatiska och metamorfa bergarter (amfibolit, gabbro, gnejs, granit, 25 norit, kvartsdiorit) Tabell 6: Ungefärligt värde för m i för olika bergarter, [9]. Sambandet mellan m b, m i, s och a för GSI > 25 gäller följande,[8]: m b GSI 100 = mi exp (2) 28 14D 18

25 GSI 100 s = exp (3) 9 3D GSI /15 3 ( e 20/ ) 1 a = + e (4) Där D är en faktor beroende av hur störd bergmassan är. D=1 för störd bergmassa vilket representerar förhållanden vid ytliga konstruktioner och slänter. D=0 för ostörd bergmassa som representerar underjordstillämpningar. Värdet kan anpassas mellan 0 och 1 vid konstruktioner i gränsfall mellan dessa. För GSI < 25 gäller följande samband, [8]: s = 0 (5) GSI a = 0,65 (6) Examine 2D analys För att undersöka bergets hållfasthet har en stabilitetsanalys utförts. Programmet Examine 2D, som är ett Boundarie Element Method program, har används för att utföra de numeriska beräkningarna. Programmet antar linjärt elastiska förhållanden Modell I Examine 2D har de elva bergklasser som framtagits i handlingarna för projektet Hallandsåsen, [2], undersökts. Dessa elva bergklasser har bedömts och poängsatts utifrån bergklassificeringssystemet RMR 76, se tabell 7. Grundvatten- Enaxiella Sprick- Spricktillstånd Bergklass RMRklass GSI RMR 76 förhållanden tryckhållfastheten RQD avstånd 1 I I II III III III a III IV IV IV V Tabell 7: Bergklassernas poängsättning i RMR 76. Den enaxiella tryckhållfastheten av bergklasserna är bedömd utifrån den geologiska klassificeringen av vittringsgraden och RQD samt utförda triaxial tester av kärnborrprover. 19

26 De erhållna värdena på GSI för varje bergklass har sedan används i Hoek & Browns brottkriterium för att beräkna bergparametrarna m b, s, D och a samt uppskattat σ c, tabell 8. Bergklass RMRklass m b s D a σ c [Mpa] 1 I 18,79 0, , ~200 2 I 13,62 0, , ~200 3 II 7,973 0, , ~200 4 III 5,011 0, , ~150 5 III 5,991 0, , ~150 6 III 3,506 0, , ~75 7a III 3,383 0, , ~40 7 IV 2,204 5E , ~20 8 IV 2,543 8E , ~15 9 IV 1,717 2E , ~7 10 V 1, ,56 ~3 Tabell 8: Bergparametrarna m b, s, D och a samt uppskattat σ c. Parametern D är satt till noll då bergmassan bedöms som ostörd. Värdet m i som är bergartsspecifikt är satt till 25 för samtliga bergklasser, då Hallandsåsen till största delen består av gnejs och amfibolit. Den version av Examine 2D som här används använder en äldre version av Hoek & Browns brottkriterium där a är satt till 0,5. I tabell 8 visas dock att detta värde blir något högre vid sämre bergkvalité, men i beräkningarna utförda av programmet tas ej hänsyn till detta. Vertikalspänningen σ v beräknas i programmet efter förutsättningarna att det är 150 meter bergtäckning. σ h är spänningen som verkar vinkelrät mot tunnlarna och ger förhållandet σ v /σ h =1. I Examine 2D analysen har det ej tagits hänsyn till grundvattenförhållanden i med att Hoek & Browns brottkriterium anvisar att detta värde i RMR sätts till 10 (torra förhållanden),[8]. Detta gör att en underskattning av bergets hållfasthets görs då höga vattenflöden förekommer Resultat De resultat som granskats är strength factor vilket är en faktor som indikerar när bergmassan går i brott. När strength factor är mindre än ett kan brott förekomma. De resultat som erhålls från Examine 2D analysen tyder på att vid bergklass 7 till 10 finns risk för brott på hål randen, bilaga 4. Från bergklass 7 till 10 uppvisar modellen att området med strength factor < 1 sträcker sig ungefär från 0,5 till 3 meter utanför randen. Det indikerar att ett progressivt brott kan ske, alltså att brottet kan fortplanta sig längre in i bergmassan ju mer material som får reducerad hållfasthet. Det finns då betydande problem för stora mängder överberg vid drivning samt stabilitetsproblem för maskinen. Från Bergklass 1 till 6 påvisar analysen att berget är stabilt och att S.F värdet vid randen ligger över 1. Dock kan det även vid dessa förhållanden uppstå stabilitetsproblem när vattenflödet ökar. 20

27 Utifrån resultatet av Examine 2D analysen är bedömningen att från bergklass 1 till 6 är maskinen möjlig att köra i öppet läge utan att övriga åtgärder behöver vidtagas. Från bergklass 7 till 10 uppvisar bergmassan risk för brott och åtgärder behöver vidtas för en säker indrift. Dessa åtgärder är antingen injektering eller drivning i slutet läge. Observeras bör att resultaten endast gäller vid torra förhållanden. I modellen har ingen hänsyn tagits till förekomst av vatten och dess effekt på stabiliteten. 4.4 Stabilitetsanalys av RMR-klasser Genom bedömningen på vilket RMR-värde bergklasserna erhöll, tabell 7, kan en uppskattning göras av bergmassans Stand-up time. Stand-up time representerar den tid som bergmassan kan stå utan sönderfall vid olika tunnelspann oförstärkt. I figur 8 ses att det, för Hallandsåsens tunnlar som har ett spann på 10,5 meter, krävs ungefär ett RMR-värde på 55 för att berget skall vara stabilt. Figur 8: Brady and Brown, Stand-up time för RMR-klasser, [11] Detta visar på att vid RMR-värden under 55, vilket motsvarar ungefär bergklass 6-10, kan det börjar ske brott i bergmassan. Detta stämmer bra överens med resultat från Examine 2D analysen. 21

28 4.5 Stabilitetsanalys av vittringsgrad och RQD samt dess påverkan från vattenflödet Från MWD-borrsonderingen som skall utföras framför TBM kommer tolkade värden på vittringsgrad och RQD att erhållas. Med hjälp av dessa värden kan en uppskattning av bergmassans stabilitet göras. Det är möjligt att utifrån en karaktärisering av vittringsgrad och RQD bedöma vilka typer av brott som troligen kan uppstå. Indelningen kan grovt göras i fyra sektioner, se figur 7. Vittringsgrad W5 W4 W3 W2 W RQD Figur 7: Sektionsindelning beroende av vittringsgrad och RQD. Givetvis finns stora variationer inom dessa sektioner, men indelningen är gjord för att tydliggöra olika brottscenarier Grön sektion Grön sektion representerar berg med högt RQD och låg vittringsgrad. Detta berg uppvisar goda hållfasthetsegenskaper. De brottformer som kan uppstå i materialet är spröda brott vars katalysator torde vara höga spänningar. Tunnlarna genom Hallandsåsen har en bergtäckning på 150 meter och vertikalspänningen är då ungefär 4 MPa, ekvation 7. Bergets intakta tryckhållfasthet ligger i denna sektion på ungefär MPa. Detta sammantaget gör att spänningsinducerade brott är mindre troligt. σ zgρ v = (7) där: z = meter bergtäckning g = gravitationen ρ = densiteten på bergmassan Påverkan från ett högt vattenflöde påverkar ej stabiliteten nämnvärt då RQD-värdet är högt och vittringsgraden låg, vilket gör att det är svårt för vattnet att bryta ner och spola bort material. Bergmassan behåller sin struktur och därmed sin hållfasthet Blå sektion Blå sektion representerar berg med högt RQD och hög vittringsgrad. Detta berg är mycket deformationsbenägen på grund det vittrade materialets lägre tryckhållfasthet och E-modul. Denna bergtyp förekommer sparsamt då hög vittringsgrad ofta hänger samman med hög sprickfrikvens. Den låga hållfastheten kan medföra stora plastiska deformationer trots de relativt låga spänningsnivåerna. Vid extrema fall kan det leda till squeezing ground, [10]. Squeezing ground innebär att tunnelarean gradvis minskar på grund av att berget trycker in mot öppningen. För drivning med TBM kan squeezing ground orsaka problem som kan leda till att maskinen kan fastna. Trycket kring maskinen blir helt enkelt så stort att det hindrar 22

29 framdrift. Generellt kan sägas att problemen inträffar då kvoten mellan spänningarna/tryckhållfastheten > 1. Detta fenomen skulle kunna inträffa i Möllebackzonen där en metod som innefattar frysning av bergmassan har valts för att förhindra problem. Vid ytligt liggande konstruktioner, när bergtäckningen bara är runt två gånger diametern, kan problematiken orsaka sättningar på marknivån. En annan brottform är swelling ground, [10], vilket betyder att bergmassan sväller. När bergmassan är kraftigt vittrad innehåller den ofta mycket lermaterial. Om det finns ett högt vattenflöde i berget och en öppning introduceras på grund av drivning medför detta att lermaterialet avlastas. Avlastningen gör att mer vatten kan tas upp av leran, detta gör i sin tur att vatteninnehållet i lermaterialet vid randen ökar. Om en leras vatteninnehåll ökar sväller materialet. Denna process kan ge upphov till swelling ground. Om problemen uppstår kan detta undvikas genom att driva i slutet läge, vilket medför att trycksättningen av fronten förhindrar att berget sväller eller trycker in mot öppningen. Även en förbehandling av berget, genom exempelvis injektering, kan stabilisera bergmassan. En hög vittringsgrad gör ofta att bergmassans hydrauliska konduktivitet blir lägre, detta medför att vatteninläckaget in i tunneln blir lägre Gul sektion Gul sektion representerar berg med lågt RQD och låg vittringsgrad. Denna bergtyp har troligen en hög hydraulisk konduktivitet vilket medför ett högt vattenflöde. Vid torra förhållanden kan bergmassan luckras upp och trilla isär bitvis på grund av spänningsomvandlingar. Denna brottform kan bli progressiv och ger då upphov till stora mängder överberg. Vid besvärliga vattenförhållanden kan bergmassan lätt spolas med vattnet på grund av den stora uppsprickigheten. Denna sektion är därför mycket känslig för höga vattenflöden. Åtgärder bör därför vidtas för att hindra progressiva brott som kan orsaka stora störningar. Lämpliga åtgärder i detta berg är injektering som håller samman bergmassan och hindrar den att falla sönder samt minskar den hydrauliska konduktiviteten Röd sektion Röd sektion representerar berg med lågt RQD och hög vittringsgrad. Detta berg uppvisar de egenskaper som både blå och gul sektion gör. Denna bergtyp är därför mycket känslig både för deformationer och sönderfall. Dessa förhållanden råder i tillexempel Möllebackzonen där bergmassan skall frysas för att garantera en säker drivning. 23

30 5 BESTÄMNING AV VATTENINLÄCKAGE I byggskedet vid drivningen av tunnlarna genom Hallandsåsen är myndigheternas krav på inläckage av vatten begränsat till 100 l/s som ett medel under en 4-veckorsperiod. Bergmassans höga hydrauliska konduktivitet samt det höga vattentrycket gör att kraven är svåra att uppnå med konventionell teknik och tätning med injektering. Det har därför valts att använda en sköldad TBM som är möjlig att driva i slutet läge. Att köra TBM:n i slutet läge innebär att det är möjligt att begränsa vatteninläckaget, då ett mottryck appliceras i fronten. Även en förinjektering av berget är möjlig som åtgärd. Vid extrema förhållanden kan både drivning i slutet läge samt förinjektering komma att behövas. När det är nödvändigt att gå över till slutet läge eller att förinjektering måste ske, för att inte överskrida gränsvärdena, är det som nedanstående modeller undersöker. I samband med borrsonderingen som utförs kontinuerligt framför maskinen under drivning är det möjligt att bestämma den hydrauliska konduktiviteten. 5.1 Vatteninläckagemodell Den modell som här används för att beskriva vattenflödet in i en tunnel baseras på Darcy s lag i ett kontinuum, [12,13,14]. Modellen beskriver ett cirkulärt tvärsnitt på en tunnel där vattennivån är horisontell beläggen rakt ovanför tvärsnittet, figur 9. Figur 9: Ett cirkulärt tunneltvärsnitt med horisontell grundvattennivå. Goodmans ekvation, (8), utifrån ovan nämnda antaganden samt att bergmassans hydrauliska konduktivitet antas vara den samma i hela bergmassan och vattennivån inte ändras är: h Q = 2 πk 2h (8) ln + ξ r Där: Q = Vattenflödet in i tunneln [m 3 /s*1m] K = hydraulisk konduktivitet för bergmassan [m/s] h = Avståndet mellan centrum på tunneltvärsnittet och grundvattennivån [m] r = Radien på tunneltvärsnittet [m] ξ = Skin faktorn (här satt till noll) [-]* *) Vid bättre bergförhållanden kan ξ ligga mellan 2 och 8, [18] 24

31 I kontraktshandlingarna, [2], återfinns värden för den hydrauliska konduktiviteten. Värdena för K 50 och K 90 används i ekvation 8 för att illustrera vilket vattenflöde som erhålls vid de olika fallen i tunneln. För att få Q tot i enheten m 3 /s multipliceras värdet med längden på den sträcka av maskinen som påverkas av vattenflöde från bergmassan. TBM:n är tät från och med 12 meter bakom fronten, vid slutet läge. Bakom detta tätskydd kommer betongliningen att appliceras, vilket innebär att vattenflöde från berget bakom detta skydd inte påverkar vattenflödet in i tunneln under drivning. Det är inte bara maskinkroppen som påverkar vatteninläckaget utan även maskinhuvudet. Maskinhuvudets area omvandlas till en ekvivalent längd genom ekvation 9. A Mf L Mt = (9) OM Där: L Mt = Motsvarande längd på tunneln A Mf = Area på maskinfronten [m2] O M = Omkrets maskin [m] Utifrån ovanstående kan Q tot [l/s] erhållas genom ekvation 10. Q = 1000 ( L + 12 Q (10) tot Mt ) Där: Q tot = Totalt vatteninläckage i tunneln [l/s] Vid öppet läge tillkommer en sträcka på 4-6 meter bakom tätskyddet, i tabell 9 räknat på 6 meter. Detta är den del som står oinjekterad mellan betonglining och berg. Botten på sträckan är dock alltid injekterad och utgör ungefär 30 % av total arean. Ekvation 11 visar Q tot för öppet läge. Q = 1000 ( L ,7L Q (11) tot Mt Bt ) Där: L Bt = oinjekterad längd bakom tätskydd [m] Resultat I tabell 9 redovisas de värden som erhålls utifrån beräkningar på K 50 och K 90 samt vilka värden den hydrauliska konduktiviteten skall ha för att ge ett inläckage på 100 l/s. 150 meter vattenpelare motsvara drivning vid öppet läge. 70 meter vattenpelare motsvarar drivning i slutet läge med 8 bars mottryck samt 20 meter vattenpelare motsvarar drivning vid 13 bars mottryck. 25

32 Q (Vatten inläckage) [m 3 /s*1m] h (meter vattenpelare) [m] r (tunnel radie) [m] K (konduktivitet) L Mt Meter Q tot [l/s] [m/s] [m] tunnel L Bt [m] 2,2 1,16* ,25 5*10-7 2, ,16* ,25 5*10-6 2, ,33* ,25 1*10-5 2, ,16* ,25 5*10-5 2, ,33* ,25 1*10-4 2, ,4* ,25 2,3*10-5 2, ,8* ,25 5,11*10-5 2, ,8* ,25 1,11*10-4 2, Tabell 9: Värden på Q tot, Q, h, r,l Bt, K, L Mt samt meter tunnel. I öppet läge klarar samtliga värden på K 50 samt lägsta värdet på K 90, från kontrakts handlingarna, att ligga under ett Q tot på 100 l/s. Detta innebär att TBM:n kan köras i öppet läge i dessa fall, förutsatt att övrigt inläckage i tunnlarna inte gör att värdet överstigs. De två högsta värdena på K 90 ger ett Q tot som ligger över 100 l/s, vid 150 meter vattenpelare, vilket medför att åtgärder kan komma att behöva vidtas. Antingen bör maskinen köras i slutet läge eller måste förbehandling av bergmassan ske. Observeras bör att den hydrauliska konduktiviteten i tabell 9 är ett värde som representerar hela den sammanlagda sträckan inläckaget beräknas på. Att den hydrauliska konduktiviteten har värden motsvarande 1*10-5 m/s innebär att bergmassan har en konduktivitet motsvarande ett grusmaterial. Att detta förekommer är troligt, dock i mycket begränsad utsträckning. Längre partier har lokaliserats i Möllebackzonen där frysning har valts som metod för en säker drivning. Vid öppet läge beräknas inläckaget på en sträcka av 18,825 meter inom detta intervall kan en rad olika konduktiviteter förekomma men för att enkelt beräkna Q tot ges ett medelvärde på K. Då den hydrauliska konduktiviteten uppgår till 2,3*10-5 m/s erhålls myndigheternas krav på 100 l/s, vid 150 meter vattenpelare. Vilket innebär att om K överskrider detta värde kommer Q tot att bli större än 100 l/s. Detta värde bör alltså ses som ett riktvärde för övervägande om åtgärder. Vid drivning i slutet läge med 8 bars mottryck är Q tot 100 l/s när den hydrauliska konduktiviteten är 5,11*10-5 m/s. Alltså blir detta värde riktvärdet för när ett övervägande om ytterliggare åtgärder som tillexempel förinjektering bör övervägas. Motsvarande riktvärde för 13 bars mottryck är när K=1,11*10-4 m/s. 5.2 Bestämning av bergmassans hydrauliska konduktivitet utifrån borrsondering Vid drivningen kommer en kontinuerlig borrsondering att ske framför maskinen. Utifrån inflödesmätning i dessa borrhål är det möjligt att bestämma den hydrauliska konduktiviteten framför TBM. De antal sonderingshål som borras är antingen 3, 6 eller 9 stycken. Ekvation 8 kan skrivas som: 26

33 K B 2h ln r B = Q B (12) 2πh Där: Q B = Vattenflödet in i borrhålet [m 3 /s*1m] K B = Hydrauliska konduktiviteten i borrhålet [m/s] r B = Radien på borrhålet [m] Förutsatt att hållängden och dess radie är känd samt att mätningar på Q Btot [l/s] utförs i sonderingshålen är ekvation 12 tillämpbar för att beräkna den hydrauliska konduktiviteten. Q B erhålls ur ekvation 13. Q B Q 1000L Btot = (13) sh Där: Q Btot = Totalt vatteninläckage i borrhål [l/s] L sh = längden på sonderingshålet [m] I figur 10 plottas Q Btot mot K B för ett borrhål med diametern 64 mm och längden 10, 20 och 30 meter vid 15 bars tryck mm sonderingshål vid 150 meter vattenpelare Q [l/s] Längd 10 m Längd 20 m Längd 30 m 0 0 3E-06 6E-06 9E-06 1E-05 2E-05 K [m/s] Figur 10: jämförelse mellan Q Btot och K B. För ett borrhål med diametern 64 mm är flödet ur hålet begränsat. När flödet blir uppemot l/s begränsar hålets diameter möjligheten för vattnet att tränga ut, [15], därför är större flöden ej relevanta att mäta. Uppmäts dessa höga flöden kan det därför antagas att den verkliga hydrauliska konduktiviteten är högre än vad som görs gällande. Detta bör tas i beaktning vid beräkningarna. Modellen lämpar sig därför bäst för flöden under l/s. 27

34 För att kunna möjliggöra mätningar på högre hydrauliska konduktiviteter krävs att en injektering av borrhålet görs då flödet uppgår till värden där diametern blir begränsande. När den injekterade sträckan sedan är tät kan sonderingsborrningen återupptas. En sträcka till borras och värdena på flödet summeras eftersom. En hydraulisk konduktivitet beräknas för varje delsträcka och ett medelvärde för totalsträckan kan erhållas. Injekteringsprocessen kan tvingas upprepas flera gånger på ett sonderingshål. Vid mätningarna på Q Btot kommer värdena troligen att variera mellan de olika sonderingshålen. Om variationen är stor kan det bli svårt att bedöma vilket värde som skall representera hela bergmassan under den aktuella sträckan. Ju fler antal sonderingshål som borras desto större är möjligheten att erhålla ett korrekt värde för den sammantagna bergmassans hydrauliska konduktivitet. Sannolikheten för att förhållandena i ett borrhål skall korrelera med den senare borrade tunneln beror på hur strukturen i bergmassan ser ut, [16]. Finns ett stort antal vattenförande sprickor är sannolikheten större än om det endast finns ett fåtal. Att bedöma hur vida det är försvarbart att borra 3, 6 eller 9 sonderingshål är därför svårbedömt. En bedömning bör göras vid varje aktuellt fall. Några viktiga kriterier som bör beaktas är: Tidigare utförda hydrogeologiska undersökningar. Avvikelsen mellan sonderingshålen Förhållandena i sonderingshålen Det finns tidigare utförda undersökningar som bygger på borrningar från marknivån där den hydrauliska konduktiviteten har uppmäts. En jämförelse med dessa värden bör alltid genomföras. Om avvikelsen mellan borrhålen är liten är det större sannolikhet att detta värde stämmer bra överens med bergmassan som helhet. Förhållandena i sonderingshålen är en viktig faktor, om avvikelsen är stor men samtliga värden antingen är väldigt höga eller väldigt låga kan detta räcka för att besluta om eventuella åtgärder. Generellt kan dock sägas att uppvisar de tre första sonderingshålen väldigt höga eller väldigt låga hydrauliska konduktiviteter stämmer dessa värden med största sannolikhet. Ligger värdena i mellan skiktet krävs fler sonderingshål för att ge en god prognos. 5.3 Bestämning av tunnelinläckaget utifrån inläckaget i sonderingshålen Vid Trondheims Universitet har professor Steinar Roald vid avdelningen för bygg och anläggning presenterat en teori om hur förhållandet mellan inflödet i sonderingshål och tunneln kan sammankopplas, [15]. För: Läckage på 1 sonderingshål = 40 % av total läckaget på sträckan i tunneln Läckage på 2 sonderingshål = 55 % av total läckaget på sträckan i tunneln Läckage på 6 sonderingshål = 75 % av total läckaget på sträckan i tunneln Läckage på 8 sonderingshål = 80 % av total läckaget på sträckan i tunneln Teorin gäller för sonderingshål med diametern 56 mm samt en borrad tunnel med diametern 6 meter. Mätningarna är gjorda så att alla inläckage från sonderingshålen mäts samtidigt. Den kan därför inte direkt kopplas till förhållandena vid projektet Hallandsås men en liknande jämförelse skulle kunna genomföras vid produktion för att snabbt och enkelt kunna utföra ett överslag på troligt tunnelinläckage. 28

35 Denna metod för att bestämma det totala inläckaget i tunneln är framförallt fördelaktig vid homogena bergmassor. Forskning vid Äspö laboratoriet, [17], visar på att bergmassor med låga samt höga hydrauliska konduktiviteter ger en god korrelering mellan sonderingshålens samt tunnelns inläckage. Dock är metoden osäkrare för mellanspannet, där det kan komma att krävas fler sonderingshål för att ge ett korrekt värde, [18]. Siffrorna från Trondheims Universitet bör därför ses som troliga siffror för mellanspannet. Vid låga och höga inflöden korrelerar värdena nästan till 100 % redan vid 3 sonderingshål. Tillexempel är sannolikheten att missa vattenförande sprickor i ett kraftigt uppsprucket berg mycket liten, [18]. Mätningarna i sonderingshålen bör ske vart och ett för sig då det annars finns risk att hålen stjäl vatten från varandra och värdena blir missvisande, [18]. 29

36 6 REKOMMENDATION AV BORRKLASS För att bedöma vilken borrklass som bör rekommenderas och vilka ytterliggare åtgärder som måste vidtas för en säker drivning bedöms bergmassan utifrån två faktorer: Bergmassans stabilitet Vatteninläckage i tunneln De problem som kan uppstå är relaterade till dessa faktorer. Om bergmassan är av så dålig kvalité att det finns stora risker för stabilitetsproblem måste åtgärder vidtas för en säker indrift. Om vatteninläckaget överskrider de av myndigheterna satta gränserna måste även här åtgärder vidtas. De bägge faktorerna bedöms först var för sig och sedan sker en sammankoppling av de båda för en helhets bedömning. 6.1 Beslutskarta för val av borr- och behandlingsklasser Skanska/Vinci har framtagit en beslutskarta för borr- och behandlingsklasser, figur 11. Denna karta illustrerar de olika steg som föreligger besluten om åtgärder för en säker drivning. Figur 11: Beslutskarta för borr- och behandlingsklasser vi projektet Hallandsås, [2] 30

37 6.2 Tillämpning av beslutskartan För att kunna få fram de resultat som erfordras vid besluten för val av borrklass har en stabilitetsanalys samt en vatteninläckagemodell tagits fram. Dessa bygger på att tillförlitliga data från MWD-borrsonderingen erhålls. I tabell 10 nedan ses en modell för vilka olika resultat från MWD:n, insatt i stabilitetsanalysen samt vatteninläckagemodellen, som genererar de åtgärder som måste vidtas för en säker drivning. Bergklass Hydraulisk konduktivitet K<5*10-7 5*10-7 <K<2,3*10-5 2,3*10-5 <K<5,1*10-5 K>5,1* A1 A1 A2 eller B1 A2 eller B2 2 A1 A1 A2 eller B1 A2 eller B2 3 A1 A1 A2 eller B1 A2 eller B2 4 A1 A2 eller B1 A2 eller B1 A2 eller B2 5 A1 A1 A2 eller B1 A2 eller B2 6 A1 A2 eller B1 A2 eller B1 A2 eller B2 7 A1/A2 eller B1 A2 eller B1 A2 eller B1 A2 eller B2 7a A2 eller B1 A2 eller B1 A2 eller B1 A2 eller B2 8 (A2) eller B1 (A2) eller B1 (A2) eller B1 (A2) eller (B2) 9 (A2) eller B1 (A2) eller B1 (A2) eller B1 (A2) eller (B2) 10 (A2) eller B1 (A2) eller B1 (A2) eller B1 (A2) eller (B2) Tabell 10: Beslutsmodell innefattande bergklass och hydraulisk konduktivitet. Där: A1 = Drivning i öppet läge A2 = Förbehandlig sedan drivning i öppet läge B1 = Drivning i slutet läge med 8 bars mottryck B2 = Förbehandling sedan drivning i slutet läge med 8 bars mottryck När K<5*10-7 m/s anses det här vara förhållandevis torra förhållanden. Detta innebär att stabilitetsanalysen som grundar sig på Examine 2D gäller. Bergmassan uppvisar tendenser till brott vid bergklass 7. Gränserna är givetvis inte exakta och en vis gråzon existerar vid dessa förhållanden. Dock kan sägas att om bergmassan uppvisar sämre egenskaper finns det risk för stabilitetsproblem och åtgärder bör vidtas. De åtgärder som rekommenderas är injektering för att förbättra bergmassans hållfasthetsegenskaper eller drivning i slutet läge för att stabilisera fronten. Att 1B för bergklasserna 8, 9 och 10 är satta inom parantes beror på att det vid en hög vittringsgrad kan vara svårt att injektera berget med ett bra resultat. När K ligger mellan 5*10-7 och 2,3*10-5 m/s anses det här vara höga vattenflöden i bergmassan. Dock ligger den hydrauliska konduktiviteten lägre än värdet 2,3*10-5 m/s vilket gör att kravet på maximalt inflöde i tunneln på 100 l/s uppfylls. Bergmassan stabilitet påverkas dock negativt av det höga vattenflödet. Detta gör att åtgärder för bergets hållfasthet kommer att behöva vidtas vid bättre bergkvalité. Framför allt gäller detta för bergtyper med låga RQD-värden då dessa påverkas mest av höga vattenflöden. Bergklass 4 och 6 har bägge ett RQD-värde på 0-25 vilket är mycket lågt. Åtgärder bör därför tas även i dessa fall. Här rekommenderas att bergmassan injekteras för att öka bergets hållfasthet eller att drivningen sker i slutet läge med 8 bars mottryck för att stabilisera fronten. När K ligger mellan 2,3*10-5 och 5,1*10-5 m/s uppfylls inte längre kravet på maximalt inflöde i tunnlarna på 100 l/s under byggtiden. Detta medför att drivningen måste ske i slutet läge 31

38 eller att en förbehandling av bergmassan måste ske. Dock bör sägas att 100 l/s under byggtiden är ett medelvärde under en 4-veckors period så momentant kan detta värde överskridas. Om injektering sker skall den hydrauliska konduktiviteten efter behandling ligga under 2,3*10-5 m/s för att drivning i öppet läge skall kunna upptas. När K>5,1*10-5 m/s räcker det inte med drivning i slutet läge för att uppfylla kraven på vatteninläckaget. Därför krävs förbehandlig av bergmassan alltid vid dessa höga hydrauliska konduktiviteter. Beroende på vilka resultat som uppnås vid injektering kan drivningen sedan fortgå antingen i öppet eller slutet läge. 32

39 7 DISKUSSION OCH SLUTSATS För att kunna utföra beräkningarna i stabilitetsanalysen samt vatteninläckagmodellen och erhålla pålitliga resultat krävs att de data som ges från MWD:n är korrekta. Utan goda resultat från MWD:n blir övriga beräkningar missvisande. Därför är kalibreringen av utrusningen mycket viktig. Stabilitetsproblemen som kan uppstå vid höga vattenflöden är svåra att uppskatta på grund av hydraulisk konduktivitet, vattentryck samt geologins komplexitet och variation, därför blir modellerna som beskriver dessa scenario till stor del byggt på antaganden. Hur tunnelborrmaskinen kommer att klara dessa problem är svårt att säga. Troligen klarar maskinen vissa brottformer bättre än andra vilket kan medföra att de i rapporten redovisade bedömningarna kan bli missvisande. Ett stort problem vid bestämningen av vatteninläckaget innan drivning av tunnlarna är hur den hydrauliska konduktiviteten skall bestämmas vid höga värden. Det är möjligt att genomföra mätningarna som krävs men problematiken leder till förseningar och högre kostnader. Dock är bedömningen i denna rapport att dessa mätningar bör genomföras för bestämning av korrekt drivningsklass. Skanska/Vinci och Banverket har inte tänkt sig att behöva injektera sonderingshålen. Vilket kan leda till att bestämningen av de höga hydrauliska konduktiviteterna blir problematiskt. Att utveckla ett system för bestämningen av det total vatteninläckaget i tunnlarna genom en liknande modell som exempelvis tagits fram vid Trondheims Universitet, beskrivet tidigare, är att rekommendera då färre omräkningar behövs. Det medför att felaktiga resultat inte följer med i olika beräkningssteg. Att upprätta en liknande modell för projektet Hallandsåsen kräver en god uppföljning på de resultat som kommer att kontinuerligt erhållas under drivningen samt tidigare data från hydrogeologiska undersökningar. 33

40 8 REFERENSER [1] Hemsida: datum [2] Projektet Hallandsås kontraktshandling : Banverket södra banregion. [3] Lundman, P. 1996: Bergmekaniska aspekter på fullborrade tunnlar. Stiftelsen svensk bergteknisk forskning SveBeFo rapport 21 Stockholm. [4] Schunnesson, H. 1987: MWD-teknik som prospekteringsmetod vid bergborrning. Teknisk rapport 1987:38 T. Avd. för Bergmaskinteknik, Luleå Tekniska Universitet, Luleå. [5] Schunnesson, H. 1997: Drill process monitoring in percussive drilling for location of structural features, lithological boundaries and rock properties, and for drill productivity evaluation. Doctoral Thesis 1997:28. Avd. för Tillämpad Geologi, Luleå Tekniska Universitet, Luleå. [6] Atlas Copco. Data logging presentation [7] Persson, F. 1999: Kärnborrning med MWD vid LKAB. Examensarbete 1999:232. Avd. för Bergmekanik, Luleå Tekniska Universitet, Luleå. [8] Hoek, E. och Kaiser, P.K. och Bawden, W.F. 2000: Support of underground excavations in hard rock. A.A. Balkema, Rotterdam. [9] Nordlund, E. och Rådberg, G. och Sjöberg, J. 1998: Bergmekanikens grunder. Studentlitteratur Luleå. [10] Dahlström, L-O. 1999: Injektering i dåligt berg och dess stabiliserande effekt. SBUF [11] Brady, B och Brown, E. 1985: Rock mechanics for underground mining. London Chapman & Hall. [12] El Tani, M. 2002: Cirkular tunnel in a semi-infinite aquifer. Tunnelling and Underground Space Technology, No 18 (2003), pp [13] Gustafson, G. 2004: Ett nytt angreppssätt för bergsbeskrivning och analysprocess för injektering. Väg- och Vattenbyggaren No 4, [14] Eriksson, M och Stille, H. 2005: Cementinjektering i hårt berg. SveBeFo Rapport K22 [15] Trondheims universitet avdelning geologi och bergteknik tel: igb@geo.ntnu.no [16] Alm, P. 1999: Hydro-mechanical behaviour of a pressurised singel fracture: An in-situ experiment. Doktorsavhandling nr: Geologiska institutionen, Chalmers Tekniska Högskola. 34

41 [17] Fransson, Å och Gustafson, G. 2000: The use of transmissivity data from probe holes for predicting tunnel grouting. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 15, No 4, pp [18] Intervju med professor Gunnar Gustafson på GEO institutionen vid Chalmers tekniska högskola. Datum , klockan 15:30-16:30. 35

42 BILAGA 1. Vittring och RQD Vittring Vittring är en kemisk omvandling av de ursprungliga mineralen i bergarten. Bergartens hållfasthet reduceras vid högre vittringsgrad. Vittringsförloppet kan ökas mycket snabbt om berget påverkas av luft och vatten. I tabell 11 ses ISRM:s standard för vittring av bergarter. Vittringsgrad Beskrivning W1 Ovittrat berg Möjligen en svag missfärgning på större sprickytor W2 Lätt vittrat berg Missfärgning av bergart och på sprickytor W3 Moderat vittrat berg Mindre än halva berggrunden är omvandlad. Friskt berg finns i form av kärnor W4 Starkt vittrat berg Mer än halva bergarten är omvandlad. Friskt berg finns i form av kärnor Allt bergmaterial är omvandlat. Den ursprungliga bergarten finns W5 Helt vittrat berg dock kvar. Tabell 11: ISRM:s standad för vittring av bergarter (efter Brown, 1981), [9]. RQD (Rock Quality Designation) Bergmassans egenskaper är starkt beroende av sprickfrekvensen, därför kan denna användas för att bedöma bergkvalitén, tabell 12. RQD bygger på längden för de kärnbitar som erhålls vid kärnborrning. RQD-värdet bestäms genom att summera längden för de kärnbitar vilkas längd är större än 10 cm och dividera med den totala längden, ekvation 14. Kvoten multipliceras med hundra för att erhålla värdet i procent. ( Kärnbitar > 10cm) RQD = *100 (14) Karteradbo rrlängd RQD [%] Bergkvalitet Utmärkt Mycket bra berg Bra berg Dåligt berg Mycket dåligt <25 berg Tabell 12: RQD och bergkvalitet, [9].

43 BILAGA 2. TBM, [2]

44

45

46

47 BILAGA 3. Geologiskt prognosblad sektion till , [2]

48 BILAGA 4. Examine 2D analys Bergklass 1 Bergklass 2

49 Bergklass 3 Bergklass 4

50 Bergklass 5 Bergklass 6