BanaVäg i Väst är ett av Sveriges

GEOTEKNIK & GRUNDLÄGGNING Utbyggnaden av dubbelspår och motorväg mellan Göteborg och Trollhättan är ett av landets största pågående infrastrukturprojekt. Mäktiga lerlager bemästras med förstärkningsåtgärder, bland annat drygt åtta miljoner meter kalkcementpelare. Åtta miljoner meter kc-pelare håller väg på plats i leran Av jan ekström, tekn dr, Trafikverket och anders hallingberg, civ ing, Trafikverket BanaVäg i Väst är ett av Sveriges största infrastrukturprojekt och innebär utbyggnad av dubbelspår, sju nya pendeltågstationer och fyrfältsväg med motorvägsstandard mellan Göteborg och Trollhättan. Totalt omfattar utbyggnaden cirka 75 km och är kostnadsberäknad till 13,6 miljarder kronor i 2010-års prisläge. Utbyggnaden av järnvägen påbörjades år 2004 i de norra delarna och under år 2006 påbörjades den första vägetappen i norr. Projektet omfattar 16 deletapper som i sin tur är indelade i flera entreprenader, se figur 1. Fördubblad tågkapacitet Under år 2012 beräknas alla BanaVäg i Västs deletapper vara klara med undantag av väg E45 genom samhället Göta och ny bro för E45 över Slumpån, där finansieringen ännu inte är klar. Figur 1. Utbyggnaden av väg och järnväg i olika etapper mellan Göteborg och Trollhättan. Källa: Trafikverket Utbyggnaden innebär att restiden med pendeltåg minskar till 30 35 minuter mellan Trollhättan och Göteborgs central och att kapaciteten fördubblas till cirka 120 tåg per dygn. Byggs i etapper Projektet är geotekniskt intressant. Det följer på en lång sträcka den lerfyllda Göta älvdalen, där stabiliteten mot Göta älv, med pågående och framtida sättningar och risk för översvämning, är centrala frågor, se figur 2. Dessutom finns flera områden där kringboende blivit störda av vibrationer från främst tågtrafiken. Stora delar av utbyggnaden sker genom befintliga samhällen och ofta i konflikt med nuvarande väg- och järnvägssystem. Detta ställer stora krav på en etappvis utbyggnad och omfattande trafikomläggningar i flera skeden. Inom andra delar löper väg och järnväg på en smal landremsa mellan Göta älv i väster och branta berg i öster, se figur 3. Utbyggnad av dubbelspår med serviceväg och fyrfältsväg med lokalvägar kräver större utrymme än idag vilket medfört att man här varit tvungen att flytta trafiken närmare Göta älv, ut på sanka strandängar. Åtta miljoner meter I den norra delen av projektet byggs väg och järnväg långt från Göta älv men även här är de geotekniska frågorna viktiga beroende på att kvicklera ofta finns genom hela lerprofilen. Detta skärper kravet på säkerhetsnivån för såväl utbyggnadsarbetet som färdig konstruktion. Totalt sett har krav på stabilitet, sättningar, översvämningsrisker och vibrationer medfört omfattande grundförstärkningsåtgärder. Djupstabilisering med kalkcementpelare är den domine- FÖRFATTAREN Jan Ekström har doktorerat vid Chalmers inom geoteknik med grundläggning och därefter arbetat som geoteknisk konsult på Scandiaconsult, samt Kjessler & Mannerstråle. Han arbetar sedan år 1999 med geotekniskt stöd inom anläggningsbyggande och drift på Trafikverket. FÖRFATTAREN Anders Hallingberg har arbetat som geoteknisk konsult på AIB och BAT, samt på SJ:s geotekniska kontor i Stockholm och Banverkets regionkontor i Göteborg. Han finns nu på Trafikverket i Göteborg och arbetar med planering och projektering samt bygg- och driftuppföljning av järnvägsprojekt. rande förstärkningsmetoden. I mer än 25 entreprenader har metoden tillämpats och den sammanlagda pelarlängden är nästan åtta miljoner meter. Sättningar och översvämningsrisk Inom Göta älvdalen har de äldre väg- och järnvägsanläggningar, som nu förnyas, utsatts för avsevärda sättningar. Pågående sättningar studerades inledningsvis, och visade bland annat att vägen sät- 6 husbyggaren nr 3 B 2012

Figur 2. Översvämmad järnvägsbank och väg innan utbyggnad. Figur 3. Foto mot norr från Angeredsbron före utbyggnad över område där väg och järnväg ligger nära älven. Foto:Trafikverket,JosefinaLenning ter sig 5 10 mm/år. Sättningarna bedömdes pågå ned till som mest cirka 20 m djup [1]. De totala sättningarna sedan den gamla vägens utbyggnad på 1960-talet uppgick inom vissa delar till mer än en meter. Även vattennivåerna i Göta älv kartlades. Ett direkt samband mellan höga vattennivåer i havet och nivåerna i Göta älv vid en given tappning från Vänern påvisades. Enligt FN:s klimatpanel IPCC:s bedömning kan havsytan höjas med 15 95 cm under de kommande 100 åren med ett bästa estimat på 50 cm. Med en landhöjning på 18 cm under 100 år skulle detta kunna ge en nettohöjning av havsnivåerna på 30 35 cm. Utredningarna och sättningskraven pekade sammantaget på att räls överkant skulle placeras 1,0 m över HHW 100år (dagens vattenyta med 100 års återkomsttid) och vägen placerades med profilnivån på 0,85 m över HHW 100år. Det innebär att de nya anläggningarna skulle läggas upp till 1,5 m högre än de gamla. vibrationer från tåg Inom Göta älvdalen har man i fastigheter tidigare upplevt störningar av vibrationer vid passage av framför allt tunga godståg. Under år 1997 hade man vid Ledsgård, strax norr om Kungsbacka, dessutom identifierat att höga vibrationsnivåer kan uppstå vid passage av tåg med hög hastighet [2]. Detta uppstår då tågets hastighet närmar sig eller sammanfaller med vågutbredningshastigheten i undergrunden. Denna utbredningshastighet är låg i de lösa leror, av den typ som också finns i Göta älvdalen, samtidigt som man önskar trafikera spåret med en tåghastighet av 250 km/tim. Det var uppenbart att detta så kallade höghastighetsfenomen var aktuellt även i projektet. För att lösa dessa problem utfördes kalkcementpelarförstärkning där pelarna arrangerades i skivmönster. kc-pelare stärker bank Totalstabiliteten mot Göta älv var den kanske viktigaste faktorn att beakta. Frågan har behandlats i de tidigare utredningsstegen och i SGI:s Skredriskutredning från år 1995 [3], men också i samband med planprocessen. Vid upprättande av detaljerade bygghandlingar för utbyggnaden kontrollerades alltid stabiliteten när anläggningarna placerades närmare än 100 m från Göta älv samt inom vissa utpekade områden enligt kraven i SGI:s Skredriskutredning. I vissa fall har särskilda förstärkningsåtgärder varit nödvändiga för att säkerställa stabiliteten mot älven men omfattningen av förstärkningarna styrs mestadels av behovet att begränsa sättningarna och att minimera framtida vibrationer. Utöver totalstabiliteten har den lokala bankstabiliteten beaktats. Detta har medfört vissa ytterligare åtgärder, ofta i form av kalkcementpelarförstärkningar, på en del sträckor arrangerade i tvärskivor. Geoteknisk förprojektering, i det så kallade skisshandlingsskedet, visade tidigt att kalkcementpelare var den fördelaktigaste åtgärden för långa sträckor med hänsyn till stabilitet, sättningsbegränsning, och vibrationsdämpning. Provpelare och provbankar Som ett led i fältundersökningarna genomförde projektet pelarinstallationer och pelarkontroller under pågående projektering. Under år 2001 utfördes pelarsondering i kalkcementpelare i fem lokaler i Göta älvdalen; Surte, Stora viken, Nödinge, Nol och Älvängen. Pelarna utfördes med kalk och cement i lika mängder och med två olika blandningsmängder, 90 respektive 120 kg/m 3. Förborrad traditionell pelarsondering med spetskraftmätning, FTPS, valdes som huvudsaklig pelarsonderingmetod [4]. Pelarsonderingarna utfördes först på separata provpelare. Resultaten visade att förhållandevis homogena pelare kunde tillverkas [5]. Medelvärden av tolkad skjuvhållfasthet på cirka 100 kpa efter 12 16 dygn, se figur 4, och cirka 125 150 kpa efter en månad framstod som möjliga att nå, liksom en variationskoefficient av 15 20 procent för djup mellan cirka 2 och 8 m. kunde glesa ut Utöver själva hållfastheten hos pelarna är de förväntade sättningarna hos kalkcementpelarna av stor vikt inte minst beroende på översvämningsrisken. Den dimensioneringsmetod som normalt användes bedömdes som konservativ för svävande pelare eftersom ingen lastspridning beaktades genom det förstärkta blocket. Vidare visade fältförsöken att något högre hållfastheter kunde erhållas än normalt och att man genom att utnyttja detta möjligen kunde glesa ut pelarmönstret och ändå uppnå fullgod säkerhet. Fortsättning s. 8 P nr 3 B 2012 husbyggaren 7

P Även val av pelarmodul och permeabilitet skulle kontrolleras samt vilka besparingsmöjligheter som fanns om man använde omväxlande långa och korta pelare. Sammanfattningsvis bedömdes att stora besparingar kunde göras genom att förfina dimensioneringsmodellen för kalkcementpelare både inom det förstärkta blocket och i den oförstärkta leran under pelarna. Placeras längsgående För att klara kraven på vibrationsdämpning för järnvägen, både med avseende på höghastighetsfenomen, [6] och [7], och vibrationer från långsammare men tung godstågstrafik har pelarna under spåren placerats i längsgående skivor, vanligen förbundna med tvärskivor till ett stegmönster. Det är viktigt med god kontakt mellan pelare och bankfyllnad. För att erhålla detta användes dels arbetsbädd, dels schaktades pelarnas överkant fram i en 0,5 1 m djup låda under spåren. Där bankhöjden är hög placeras pelarna även i tvärskivor som går utanför vibrationspelarna för att säkerställa lokalstabiliteten för banken. Vid några fall har skivorna även funktionen att bidra till stabiliteten mot Göta älv. Begränsar sättningar Långa pelare med sättningsreducerande funktion placeras normalt som singulära pelare. För järnvägsbankarna har sättningspelarna dels ingått i skivpelarmönstret och dels placerats mellan skivorna. Den stora pelartäthet som vibrationspelarna medfört i det övre lagret har, tillsammans med arbetsbädd och framschaktning av pelartopparna, varit till stor nytta för att begränsa sättningarna i de övre lerlagren. Totalt innebär stabilitets-, sättningsoch vibrationskraven att 200 400 pelarmeter krävts per meter dubbelspår, se figur 5. singulära pelare till väg För vägen är pelarmönstret annorlunda. Här är vibrationsdämpningskraven inte lika uttalade. Här används mest singulära pelare, som ofta avslutas på olika djup. Där pelare utförs till 20 22 m djup ger det cirka 170 pelarmeter/m fyrfältsväg om varannan pelare utförs till 12 14 m djup och cirka 230 pelarmeter/m om alla utförs till cirka 20m djup. Under höga bankar och i skärningar kräver stabiliteten att pelarna placeras i tvärskivor. Arbetsbädd men ingen överlast För att erhålla så goda tillverkningsförhållanden som möjligt och ge förutsättningar för en fullgod pelare så långt upp som möjligt i leran utfördes vanligen installation av KC-pelare från en arbetsbädd. Denna bädd utgjordes av minst 0,5 m krossmaterial 0 60 mm, skild från underlaget, som avskrapats från växtdelar och i allmänhet också mulljord, av en tunn geotextil. Dessutom skulle entreprenören kontrollera att arbetsbädden var tillräckligt stabil för sin utrustning och vid behov öka tjockleken på a rbetsbädden. installationer försköt massan Eftersom pelare för vibrationsdämning är korta, 4 7 m, och pelare för sättningsbegränsning är långa, 20 22 m, och de Figur 4. Resultat av pelarsondering från provpelare med inblandningsmängd K/C 90 km/m 3 och med ålder 12 16 dygn från Nödinge. Källa: Edstam et al 2004. Figur 5. Pelarmönster för dubbelspårig järnväg där olika symboler markerar olika pelarlängder. Till vänster: stor förstärkningsgrad, träpålar under serviceväg. Till höger: lägre förstärkningsgrad, ingen förstärkning under serviceväg. Skiss:Trafikverket 8 husbyggaren nr 3 B 2012

förekommer växelvis i pelarmönstret så fanns det viss risk att för höga tryck skulle användas vid utförande av de kortare pelarna, vilket skulle kunna påverka pelarkvaliteten negativt. Installationen av KC-pelare kan också medföra stora massförskjutningar, upp mot någon dm, som i sin tur kan medföra att redan satta pelare kan riskera att bli kraftigt skjuvade och även att installationsmarkeringskäppar trycks iväg med risk för felaktiga pelarlägen. Därför skedde utförandet i två etapper, med krav på mellanliggande tidsintervall där de korta pelarna i stegmönstret utfördes först och de långa singulära pelarna sist. Även detta motiverade användandet av arbetsbädd eftersom maskinerna var tvungna att utföra pelare inom samma område i två skeden. I vissa fall förstärktes arbetsbädden även med geonät i ett eller två lager. Arbetsbädden reglerades separat, där man förutsatte att materialet användes två gånger innan det blev uppblandat med lera, figur 6. strategier för pelarkontroll I ett stort förstärkningsprojekt blir kvalitetskontrollen omfattande och med en provningsintensitet av 0,5 procent behöver cirka 3 000 provningar utföras. För att få struktur och överblick över pelarkontrollerna delades varje entreprenad in i kontrollobjekt om vardera cirka 100 000 pelarmeter och med likartade jordlager. Detta gav kontrollobjekt som blev mellan 250 och 500 m långa. I varje kontrollobjekt delades kontrollen upp i förprovning och produktionskontroll. Figur 6. Kalkcementpelarinstallation med och utan arbetsbädd.foto:trafikverket,dennisolsson Figur 7. Kvicklera tränger upp på markytan. Foto:Trafikverket,DennisOlsson Brogrundläggning på kc-pelare Inom BanaVäg i Västprojektet finns ett antal väg- och järnvägsbroar över medelstora vattendrag och ko rsande vägar. Dessa har i allmänhet utförts som slutna ramkonstruktioner som grundlagts på kalkcementpelarförstärkt lera. I något fall står kalkcementpelarna på fast botten, men i allmänhet svävar pelarna i leran. Ett par broar över ägovägar fick inledningsvis en för klen förstärkning som ledde till att sättningshastigheten blev för hög. I ett fall ledde detta till att en kompletterande förstärkning med mantelbärande smala stålrörspålar fick göras, med två pålar i varje hörn av porten. Med den erfarenheten utökades för kommande broar pelartätheten under broarna till cirka 30 40 procent pelartäckningsgrad i jordvolymen närmast under porten, samtidigt som flertalet eller alla pelare utfördes till maximalt möjligt djup. kc-pelare i kvicklera Inom vissa områden finns kvicklera i de djupare lerlagren. Vid installation trängde den omrörda leran upp på markytan och sidodeformationerna blev därför mindre än vid annan lera, se figur 7. Pelarkvaliteten blev utmärkt men volymen lerschakt ökade påtagligt. Inom att antal kontrollobjekt med sättningar som huvudsakliga motiv till förstärkningen utfördes djupstabilisering med en inblandning bestående av 1/3-del vardera av kalk, cement och aska av fiberslam (KCE enligt Nordkalks terminologi). Förprovningspelare utfördes med såväl KC som KCE vid olika tidpunkter. Dessa försök visade att KC gav något snabbare hållfasthetstillväxt än KCE och mindre spridning i resultaten. KCE valdes i stället för KC där man fann att kostnaden var lägre, inkluderat viss utökad provning. Tidspressen gjorde dock att man inte alltid hann utreda valet tillräckligt och/eller styra om beställningen från KC till KCE. erfarenheter av sättningar Redan den första entreprenaden visade att man måste beakta initialsättningar. De kunde uppgå till 10 20 cm under några månader och detta var ett problem som man ursprungligen underskattat. Initialsättningar är särskilt betydelsefulla om kontaktledningsfundament ska Fortsättning s. 10 P nr 3 B 2012 husbyggaren 9

Figur 8. Träpålar trycks ned för bygg- och serviceväg, med grävmaskin på stockmattor ovan tidigare nedtryckta pålar. Foto:Trafikverket,Anders Hallingberg P sättas samtidigt som banken fylls ut eller vid övergång mot annan förstärkningsmetod. För att minska problemen i kommande entreprenader överhöjdes därför fundamenten med upp till 250 mm och förstärkningen under varje fundament ökades från fyra pelare till åtta, med varierande längder inom respektive fundaments yta. Det har också visat sig vara viktigt att pelartäckningsgraden inte får minskas för snabbt mot djupet. Detta har blivit uppenbart i fall där skillnaden mellan växelvis långa och korta pelare varit stor. Fortsatt uppföljningen av sättningarna i förstärkta bankar kommer att ske genom nya bälgslangar som instrumenterats i färdig anläggning. trycktes ned i sin helhet. Pålarna var cirka 12 14 m långa. Men inom vissa områden kapades pålarna efter nedtryckning och lätt stoppslagning (knackning). Ovan pålavskärningen lades stockmattor för grävmaskinen i ett rullande schema. Metoden visade sig vara snabb och effektiv och den ger en viss bärighet redan från början. Dock ger den stora massförskjutningar vilket kräver noggrann upp- Förstärkning med träpålar Inom vissa strandnära områden där byggoch serviceväg inledningsvis skulle anläggas är ytlagret så löst att man inte tordes skicka ut en tung kalkpelarmaskin, särskilt inte för att belasta en lera som rörts om utan att ännu fått sin hållfasthetstillväxt av inblandningen. Lösningen blev att med grävmaskin med gripkloförsedd skopa trycka ned träpålar med centrumavstånd 1,2 1,4 m, se figur 8. Oftast var lerlagret så djupt att pålarna Figur 9. Typisk utböjningsbild strax utanför installationsområde för kalkcementpelare under pågående förstärkning (ej kvicklera). Skiss:Trafikverket 10 husbyggaren nr 3 B 2012

följning. Propptagning kan minska deformationerna men försvårar och fördyrar arbetet ganska väsentligt. Bygg- och servicevägen uppbyggdes sedan av cirka 0,7 m packat krossmaterial, som förstärkts med två lager geonät. Fyllde väg med lättklinker Lättklinker har dels använts i vägen som enda åtgärd, men också i både väg och järnväg i kombination med kalkcementpelarförstärkning. Syftet med lättklinkern har varit att skapa en lättare bank, framförallt för att minska sättningarna där pelarna inte når fast botten, men också för att höja stabiliteten. För att möjliggöra en snabbare och tyngre motfyllning vid etappschakter intill trafikerat spår har efterhand i princip ett förfarande som beskrivs i [8] tillämpats. Det innebär att upp till 1 1,5 m lättklinker packats tillsammans med 0,6 m förstärkningslager i upprepade vältöverfarter med olika amplituder. Kontroll av rörelse och portryck Både kalkcementpelartillverkning och pålning ger deformationer som kan vara portryckspåverkande och hållfasthetsnedsättande. Ett mycket omfattande uppföljningsprogram av mätpeglar, mätbrickor på räler, mätpålar, inklinometerrör och portrycksmätning har därför genomförts [9]. Ofta uppgick sidodeformationerna vid kalkcementpelarinstallation till storleksordningen 100 mm på 5 10 m avstånd från installationsområdet, med en installerad mängd av 200 400 m pelare per meter väg eller järnväg, se figur 9. Vid träpålning blev deformationerna ännu större. Deformationerna vid pålning kan dock minskas genom skruvproppdragning, men knappast vid kalkpelartillverkning. Det fanns också en farhåga att särskilt kalkcementpelarinstallationen i kvicklera skulle vara kritisk för stabiliteten, men som framgår ovan uppstod väsentligt mindre sidoförskjutningar i kvicklera än i mer normalsensitiv lera. Därigenom uppstod inga sådana kritiska lägen. D Referenser: 1. Andréasson, B., Edstam, T., Svensson, L., Väg och järnväg i södra Göta älvdalen, Bygg & teknik 1/02, 2002. 2. Banverket, High Speed Lines on Soft Ground. Evaluation and Analysis of Measurements from the West Coast Line, 1999. 3. SGI, Samhällsutbyggnad och skredriskanalys i södra Göta älvdalen, SGI Varia 439, Linköping 1995. 4. Edstam, T., Ekström, J., Hallingberg, A., Nilsson, L., Provning av kalkcementpelare i Göta älvdalen, NGM 2004. 5. Nilsson, L., Statistisk analys av kalkcementpelares vertikala korrelationsstruktur, Luleå 2005. 6. Holm G., Andréasson B., Bengtsson P-E., Bodare A.,Eriksson H., Mitigation of Track and Ground Vibrations by High Speed Trains at Ledsgård, Sweden, SD Report 10, Linköping 2002. 7. Banverket, Föreskrift BVF 585.13, Jorddynamiska analyser, 2001-09-25. 8. Johansson, B., Kennedy, H., Bärighet på väg via förbättrad packning fullskaleförsök med lättklinker och lera som undergrund, Chalmers tekniska högskola, Göteborg 2007. 9. Svärd, D., Deformations- och portrycksövervakning i samband med anläggningsarbeten, Bygg & teknik 1/10, 2010. Fotnot: BanaVäg i Väst är en gemensam projektorganisation mellan dåvarande Vägverket och Banverket, numera Trafikverket. FAKTA Erfarenheter från projektet: Det är viktigt att kraven är tydliga och att dokumentationen är strukturerad. Arbetsbädd vid kalkcementpelarinstallation är bra när man efterstävar god kvalitet för pelartopparna. Om man vid kalkcementpelartillverkning inte använder förbelastning med liggtid måste man ta hänsyn till stora initialsättningar. Deformationerna blir stora vid kalkcementpelarinstallation och ännu större vid träpålning. Kalkcementpelare i kvicklera gav ganska små deformationer men kräver ändå god utgångsstabilitet. nr 3 B 2012 husbyggaren 11