PM T1-0802-0702-0107 Citybanan i Stockholm Riktlinjer för dimensionering av bärande huvudsystem i bergtunnlar med avseende på bärförmåga och beständighet Upprättad av Granskad av Godkänd av.................... Lars Rosengren Roberth Colliander, WSP Sverige Roberth Colliander, WSP Sverige Rosengren Bergkonsult AB/WSP, Sverige Yanting Chang WSP, Sverige Lars Hässler, Golder-ELU Peder Thorsager, Ramböll Carl-Olof Söder, Sweco Lars Hässler, Golder-ELU Peder Thorsager, Ramböll Carl-Olof Söder, Sweco PM_T1-0802-0702-0107.doc
Innehållsförteckning 1 Inledning...3 2 Syfte och mål...3 3 Krav enligt BV Tunnel...4 4 Bärförmåga - Dimensioneringsprocess och dimensioneringsstrategier...8 5 Geometriska förutsättningar...13 6 Ingenjörsgeologisk prognos...16 7 Uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper...17 8 Materialförutsättningar och egenskaper för förstärkningselement...23 9 Intialspänningar och andra relevanta laster...29 10 Verifiering av bärförmåga genom beräkningar och empiriska metoder i projekteringsskedet...31 11 Verifiering av bärförmåga genom observation, provning, bergmekanisk mätning och kompletterande beräkningar under byggskedet...49 12 Bärförmåga med avseende på brand och explosion dimensioneringsstrategi...52 13 Beständighet dimensioneringstrategi...56 14 Referenser...58 Bilagor Bilaga 1: Stokastisk metod för dimensionering av nedfallande block PM_T1-0802-0702-0107.doc 2 (60)
1 Inledning Inom projekt Citybanan i Stockholm har det bildats en Berggrupp bestående av representanter från uppdragen U8, U9, U10 och U12 samt representanter från beställaren (Banverket). Berggruppens uppgift är bl.a. att ta fram gemensamma riktlinjer för projekteringen av t.ex. bergförstärkning, tätning, vatten- och frostisolering. Föreliggande dokument redovisar riktlinjer för dimensionering av det bärande huvudsystemet i Citybanans bergtunnlar, inkluderande spårtunnlar, stationstunnlar, servicetunnlar och sidoutrymmen med avseende på bärförmåga och beständighet. Dokumentet ska betraktas som ett levande dokument som kompletteras allteftersom information från förundersökningar och nödvändiga utredningar blir tillgängliga. 2 Syfte och mål Dimensionering av bärande huvudsystem i bergtunnlar är förknippat med osäkerheter. Sådana osäkerheter måste kunna hanteras i dimensioneringsprocessen vid såväl verifiering genom beräkning under projekteringsskedet som vid verifiering genom observation och provning under byggskedet. Syfte med dokumentet är att: beskriva de grundläggande kraven för dimensioneringen redogöra för dimensioneringsprocessen och ingående delprocesser under projekterings- och byggskedet fram till dess tunneln är färdigbyggd redovisa hur nödvändig indata tas fram redovisa dimensioneringsmetodik och dimensioneringsmetoder redogöra för hur hänsyn tas till geologiska, bergmekaniska och hydrogeologiska aspekter i dimensioneringen. Målet med dokumentet är att: erhålla en så stringent, enhetlig och spårbar dimensionering som möjligt dimensioneringen ska uppfylla kraven i BV Tunnel (Banverket, 2002) en acceptabel slutprodukt ska erhållas med avseende på teknisk standard, säkerhet, drift- och underhåll, samt ekonomi. PM_T1-0802-0702-0107.doc 3 (60)
Det ska dock nämnas att föreliggande dokument inte ska ses som en begränsning utan som ett hjälpmedel vid dimensioneringsarbetet. Dokumentet gör inga anspråk på att vara heltäckande för alla dimensioneringssituationer. Det är därför av yttersta vikt att den enskilde bergkontruktören utnyttjar hela sin kreativitet och kompetens, även om detta ligger utanför det som skrivits i detta dokument. 3 Krav enligt BV Tunnel 3.1 Allmänt I nedanstående avsnitt (3.2-3.4) beskrivs de väsentligaste grundläggande kraven i BV Tunnel (Banverket, 2002), med avseende på det bärande huvudsystemets bärförmåga och beständighet. Text som hämtats direkt från BV Tunnel (d.v.s. citerad text) har i nedanstående avsnitt skrivits indragen och med kursiv stil. rådstext i BV Tunnel har inte återgivits, utom i udantagsfall. BV Tunnels hänvisningar till Boverkets konstruktionsregler, BKR, avser BKR 1999 (Boverket, 1998). Det bör dock påpekas att BKR har uppdaterats till BKR 04 (Boverket, 2004). 3.2 Bärförmåga I BV Tunnel, avsnitt 3.1.1, anges att: Bärförmågan skall verifieras enligt BKR med undantag av punkt 2:321 samt kapitel 3. Dimensioneringsprinciper, beräkningsmodeller och antagna förutsättningar skall redovisas och motiveras. Dimensioneringen skall utgå från att såväl statiska system som laster varierar under byggskede, driftskede samt vid olyckslastfall. Det första stycket ovan innebär i princip att dimensioneringen ska utföras med hjälp av partialkoefficientmetoden. I BV Tunnel, avsnitt 3.1.1.1, anges att: Vid dimensionering skall hänsyn tas till förväntade deformationer, så att erforderlig grad av samverkan med omgivande jord och berg säkerställs. Bärande huvudsystem för trafikutrymme skall utföras i säkerhetsklass 3 respektive geoteknisk klass GK2 eller GK3 enligt BKR, avsnitt 2:11 respektive 4:21. Bärande huvudsystem för sidoutrymme skall utföras i säkerhetsklass enligt BKR. PM_T1-0802-0702-0107.doc 4 (60)
För Citybanan har en särskild definition tagits fram för när geoteknisk klass 3 (GK3) ska gälla, se T1-0802-0301-0104 Citybanan i Stockholm, Tomteboda t.o.m. station City, KM 31+000-34+200 Inventering av GK3-fall. För Citybanan föreslås att säkerhetsklass 3 tillämpas oavsett utrymme. I BV Tunnel, avsnitt 3.3.2.1.1, anges att: Bergmassan skall, tillsammans med bergförstärkning, betraktas som bärande huvudsystem och dimensioneras som en sammanhållen enhet. Bergyta skall alltid säkras mot blocknedfall. Vid bergytor i tak skall hela ytan vara säkrad. Bärförmåga för bergtunnel skall verifieras. Verifiering av bergförstärkning skall ske med hänsyn till: bergmassa insituspänningar mekaniska egenskaper möjliga brottformer geometri tunnelns form och storlek andra byggnader och anläggningar bergtäckning laster enligt avsnitt 3.2 byggmetod och byggförlopp skador på omgivande berg olika belastningssekvenser samverkan mellan berg och bergförstärkning krav på täthet övriga relevanta faktorer. Vid användning av numeriska metoder skall även beräkningsresultat med linjärelalstisk materialmodell redovisas. Dimensionering ska ske med hänsyn till krav på livslängd och behov av underhåll. När det gäller dimensionering med hänsyn till explosionslaster finns det i BV Tunnel inget generellt krav på dimensionering av det bärande huvudsystemet i bergtunnlar. I BV Tunnel, avsnitt 3.2.4.4 anges dock att: I riskanalyser för tunneln skall explosionsriskerna särskilt studeras och lastförutsättningarna eventuellt justeras om: farligt gods i klasserna 1 och 2 skall transporteras i tunneln personriskerna är speciellt stora, t.ex. vid tunnel som ansluter till annat byggnadsverk där människor stadigvarande vistas PM_T1-0802-0702-0107.doc 5 (60)
konsekvenserna av en lokal skada är speciellt stora, t.ex. tunnel under vatten eller där liten bergtäckning föreligger. Ovanstående krav innebär att bergtunnlar ska dimensioneras med avseende på explosionslaster då speciella förutsättningar råder. När det gäller dimensionering med avseende på brand anger BV Tunnel i avsnitt 4.3.1 att: Anläggningsdel, bestående av bärande huvudsystem och inredning, som gränsar mot trafikerat utrymme skall dimensioneras och/eller skyddas mot brandpåverkan enligt avsnitt 3.2.4.5 så att: det inte kollapsar det inte, på grund av nedfall, utgör hinder eller fara vid utrymning under den tid som erfordras för utrymning för passagerare och personal räddningsmanskapets säkerhet beaktas med avseende på nedfall. Anläggningsdelar för vilka ovanstående krav är uppfyllda skall, utöver dessa, även dimensioneras och/eller skyddas mot brandpåverkan enligt 3.2.4.5 i det fall de totala kostnaderna för åtgärderna, inklusive reparationer och underhåll, kan visas vara lägre än de totala kostnaderna utan åtgärder. Det sista stycket i kravtexten ovan innebär att även tunnelsträckor som uppfyller kraven enligt strecksatserna skall dimensioneras/skyddas för att undvika/begränsa skador på det bärande huvudsystemet om det kan visas att detta är billigare än att åtgärda skadorna som uppkommer i händelse av brand. Det bör också noteras att begreppen kollaps, hinder och fara i kravtexten ovan inte finns tydligt definierade i BV Tunnel. Definitioner av dessa begrepp bör därför begäras från Banverket/HK. För Citybanan rekommenderad dimensioneringsstrategi med avseende på brand och explosion redovisas i kapitel 12. 3.3 Beständighet Det bärande huvudsystemet ska enligt BV Tunnel, avsnitt 2.3.1 uppfylla teknisk livslängdsklass (TLK) 120. Krav på indelning av det bärande huvudsystemet i olika exponerings- och korrosivitetsklasser anges i BV Tunnel, avsnitt 2.3.2.1: Till marin miljö hänförs anläggningsdel i jord eller berg belägen: under fri vattenyta med salt eller bräckt vatten under fri vattenyta med sött vatten och jord- eller bergtäckningen är mindre än 5 m PM_T1-0802-0702-0107.doc 6 (60)
under fri vattenyta med sött vatten och berget innehåller starkt vattenförande zoner i område med aggressivt grund- eller ytvatten. Till banmiljö skall hänföras i trafikutrymme belägen anläggningsdel. Till banmiljö skall även räknas delar belägna under bankroppen samt anläggningsdelar eller delar av anläggningsdelar som är belägna utanför tunnelmynning, t.ex. portaler ochförskärning i berg till tunnel, om dessa inte är att hänföra till vägmiljö enligt BV Bro, avsnitt BV 10.54. För stödmurar och tråg utanför tunnelmynning gäller miljöer enligt BV Bro, avsnitt BV 10.54. Banmiljö skall ej tillämpas i uppvärmt och ventilerat sidoutrymme eller i övrigt sidoutrymme eller utrymningsväg. Anläggningsdelar i sidoutrymme som kan komma att exponeras för dag- och/eller spolvatten, t.ex. pumputrymme, skall hänföras till vägmiljö. Gränsen mellan de olika miljö- och korrosivitetsklasserna skall väljas enligt följande: vid utförande av betong- eller sprutbetongkonstruktion utan särskilt tätningsskikt mot jord, berg eller vatten skall betongen/sprutbetbetongen anses vara belägen i den exponeringsklass som har den största aggressiviteten av miljöerna på insidan respektive utsidan av konstruktionen vid utförande med särskilt tätningsskikt skall detta förutsättas utgöra avgränsningen mellan utrymmen i tunneln och omgivande jord, berg och vatten vid berg som inte är täckt av någon förstärkning skall avgränsningen mellan utrymmet i tunneln och omgivande berg anses ligga 50 mm in i berget. För stål och betongkonstruktioner, inklusive bergbultar och sprutbetong, väljs exponerings- och korrosivitetsklasser enligt Tabell 2.3-2 i BV Tunnel. I BV Tunnel avsnitt 3.3.3.6.1, Tabellerna 3.3-1, 3.3-2 och 3.3-3, anges godtagna system för rostskydd av bergbultar. Rekommenderad dimensioneringsstrategi med avseende på beständighet redovisas i kapitel 13. 3.4 Inspektionsmöjlighet I BV Tunnel avsnitt 2.4.3 anges att: Bärande huvudsystem och inredning skall normalt kunna inspekteras på handnära avstånd. PM_T1-0802-0702-0107.doc 7 (60)
I rådstext anger BV Tunnel att: För att möjliggöra inspektion bör minst 0,5 m fritt utrymme finnas. Vidare kräver BV Tunnel att: Om det bärande huvudsystemet utgörs av berg och 0,5 m fritt utrymme inte uppnås eller handnära inspektion av annat skäl inte är möjlig skall konstruktionen utformas så att fjärrinspektion kan utföras. De vid detta utförande ökade drift- och underhållskostnaderna skall utredas och värderas. I rådstext anges att: Inspektion av mot bergyta motgjuten inklädnad eller tätt anslutande insprutad drän får anses ge tillräcklig information om tillståndet hos bakomliggande bärande huvudsystem. Vidare anges även att: Bergbult bakom prefabricerade betongelement eller motgjuten betonginklädnad med särskilt tätningsskikt i form av t.ex. membran skall ej anses vara åtkomlig för inspektion och/eller underhåll. Infästningsanordningars funktion skall kunna kontrolleras. För Citybanan föreslås följande synsätt för insprutade bergbultar: En insprutad bergbult är ej direkt åtkomlig för inspektion. En minskad bärförmåga i en bult ger sig dock normalt tillkänna genom en ökad sprickbildning i sprutbetongen i bultens närhet vid inspektion. Kompletterande bultning i samband med andra underhållsarbeten kan normalt utföras. I detta sammanhang kan därför insprutade bergbultar normalt anses vara åtkomliga för inspektion och underhåll. 4 Bärförmåga - Dimensioneringsprocess och dimensioneringsstrategier Projektering och byggande av anläggningar i berg handlar huvudsakligen om att: (1) uppfylla säkerhetskrav som förskrivs i svenska normer och föreskrifter, (2) ta hänsyn till naturliga osäkerheter p.g.a. geologiska förutsättningar och (3) uppfylla krav på acceptabel omgivningspåverkan. Att kunna hantera dessa aspekter utgör nyckelframgångsfaktorer när det gäller så väl projekteringsarbetet som utförandet i byggskedet. Ett typiskt exempel är att man inte i förväg, med säkerhet, kan bestämma lasterna från berget på ett bergförstärkningselement. Detta beror dels på att bergets egenskaper aldrig kan bestämmas med tillräcklig noggrannhet, dels på PM_T1-0802-0702-0107.doc 8 (60)
att berget både kan utgöra en last och bidra till det bärande huvudsystemets bärförmåga. Detta gör att dimensioneringen av bergkonstruktioner skiljer sig från dimensionering av t.ex. vanliga betongkonstruktioner. Dimensionering av en berganläggning kan därför inte endast baseras på beräkningar i projekteringsskedet. Eftersom alla förutsättningar för dimensioneringen aldrig är helt kända under projekteringsskedet måste dimensioneringsprocessen, förutom projekteringsskedet, även omfatta byggskedet för att verifieringskedjan ska bli fullständig. Detta innebär att dimensioneringsprocessen, grovt sett, kan indelas i två skeden: (1) projekteringsskede där en förstärkningsprognos upprättas genom verifiering av bärförmåga med hjälp av beräkningar och utnyttjande av empiriska metoder och (2) byggskede där val av slutlig förstärkning görs genom verifiering av bärförmåga med hjälp av kartering, provning, observationer och bergmekanisk mätning samt eventuellt uppdatering av beräkningar, se Figur 4-1. Skede 1: Projekteringsskede Krav enligt Ingenjörsgeologisk BV Tunnel prognos Närliggande byggnadsverk Övriga förutsättningar Verifiering av bärförmåga genom beräkningar och empiriska metoder Förstärkningsprognos i form av typförstärkningar och speciella förstärkningar Skede 2: Byggskede Verifiering genom bergkartering och provning (Kontroll av förutsättningar) Val och anpassning av bergförstärkning Verifiering genom observationer och mätningar Godkänd slutlig förstärkning Figur 4-1 Dimensioneringsprocessen under projekterings- respektive byggskedet. PM_T1-0802-0702-0107.doc 9 (60)
Baserat på forskningsresultat och tidigare erfarenheter har olika metoder utvecklats för att kunna hantera de naturliga osäkerheterna i samband med dimensionering av bergförstärkningar. Dessa metoder kan huvudsakligen indelas i tre kategorier: empiriska metoder baserat på t ex klassificering av bergmassan beräkningsmetoder, t.ex. numeriska modellering, analytiska beräkningar eller statistiska analyser observationsmetoder, t.ex. Active Design. Empiriska metoder och beräkningar tillämpas huvudsakligen i projekteringsskedet, medan observationsmetoder används i byggskedet. För projekt Citybanan rekommenderas en dimensioneringsfilosofi som är baserad på att en kombination av dessa metoder utgör grunden för dimensioneringen. Figur 4-2 redovisar helheten för denna dimensioneringsfilosofi. Empirical and classification methods Geology and ground characterization Numerical Analyses and other calculations Rock engineering and design Observational methods Figur 4-2 Helhetssyn om hantering av naturliga osäkerheter i byggandet av berganläggningar genom användning av olika designmetoder (Stille m. fl., 2003) PM_T1-0802-0702-0107.doc 10 (60)
Projekteringsskedet omfattar fastställande av samtliga förutsättningar för dimensioneringen samt av utförande av dimensioneringen resulterande i en förstärkningsprognos. Projekteringsskedet omfattar följande aktiviteter: identifiering av geometriska förutsättningar, t.ex. tunnelgeometri och bergtäckning identifiering av påverkande faktorer, t.ex. närliggande anläggningar och ovanförliggande fastigheter. upprättande av ingenjörsgeologisk prognos uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper fastställande av materialegenskaper hos förstärkningselement uppskattning av initialspänningar identifiering och uppskattning av relevanta laster verifiering av bärförmåga genom beräkningar och empiriska metoder upprättande av förstärkningsprognos. Aktiviteterna i projekteringsskedet beskrivs i kapitlen 5-10. För dimensionering av det bärande huvudsystemet i projekteringsskedet delas förstärkningsinsatserna dimensioneringsmässigt in i två huvudkategorier: (1) typförstärkningar och (2) speciella förstärkningar. Typförstärkningarna tas fram i form av förstärkningsklasser för olika kombinationer av parametrarna spännvidd, B, bergtäckning, BT och bergkvalitet, RMR Bas (se avsnitt 6), men inom förutbestämda giltighetsintervall för respektive parameter. Typförstärkningar tillämpas för enkelspårs- och dubbelspårstunnlar samt servicetunnel. Typförstärkning för sidoutrymmen, t.ex. uppgångar och driftutrymmen kan bedömas utifrån typförstärkningarna för enkelspårs- och dubbelspårstunnlarna under förutsättning att utrymmenas geometri och bergkvalitet ligger inom typförstärkningens gränser. Typförstärkningar begränsas till att gälla då bergtäckningen, BT, är större än halva spännvidden, B, för aktuell tunnel. Speciella förstärkningar tillämpas då förhållandena inte faller inom de förutsättningar som definieras för typförstärkningar och dimensioneras från fall till fall. Detta innebär att speciella förstärkningar tas fram då något av följande inträffar: bergtäckningen BT<1/2B spännvidden, B>15 m komplicerad geometri och då tredimensionella förhållanden råder, t.ex. vid korsningar mellan tunnlar och vid tunnelpåslag. Ovan angivna gränser för när speciella förstärkningar ska tas fram ska ses som riktlinjer vilka kan komma att behöva justeras under projekteringens gång. PM_T1-0802-0702-0107.doc 11 (60)
Aktiviteterna under byggskedet måste planeras redan under projekteringsskedet, vilket innebär att krav måste ställas på de ingående aktiviteterna genom upprättade av specifikationer och program avseende kartering, inspektioner, utförande, provning och bergmekaniska mätinsatser samt eventuella kompletterande beräkningar. Detta innebär i sin tur att t.ex. kritiska tunnelavsnitt måste identifieras och specificeras med avseende på: (1) drivningsmetodik, (2) tullstationer vilka inte får passeras innan ansvarig bergkonstruktör ger klartecken och (3) kontrollinsatser i form av provningar och mätningar. Dessa krav bör anges på ritningar. Byggskedet beskrivs i kapitel 11. Samtliga förstärkningsinsatser förutsätts i projekt Citybanan huvudsakligen kunna ske med konventionella förstärkningselement, d.v.s. bergbultar, sprutbetong och betonginklädnad. Last på sprutbetong förutsätts dels tas upp av dess vidhäftning mot berget, dels av sprutbetongens böjmotstånd (d.v.s. momentupptagande förmåga) då vidhäftning inte kan tillgodoräknas. Under vissa förutsättningar kan sprutbetong även förutsättas ta upp last genom valvverkan. Som framgår av avsnitt 3.2 åberopar BV Tunnel (Banverket, 2002) BKR (Boverket, 1999) när det gäller krav på verifiering av bärförmåga. Detta innebär i princip att dimensioneringen i ett projekteringsskede, ska ske med hjälp av partialkoefficientmetoden. Denna metod eftersträvar säkra konstruktioner genom att t.ex. reducera de bärande materialens hållfasthetsegenskaper och öka aktuella laster proportionellt mot specificerade koefficienter. Koefficienternas värde speglar stokastiska aspekter (osäkerheter) i materialens och lasternas karakteristik, samt osäkerheten i använda beräkningsmodeller. Metoden tar även hänsyn till ändamålet med konstruktionen (genom partialkoefficienten för säkerhetsklass). Medan den designfilosofi som representeras av partialkoefficientmetoden är väl etablerad och förnuftig för design av konventionella konstruktioner ovan mark (hus, broar, etc) pågår en debatt huruvida den är rimlig att tillämpa för bergtunnlar. Oftast utgör berget en del av det bärande huvudsystemet, samtidigt som det utgör en last. Helt klart är dock att det inte är enkelt eller kanske ens lämpligt att skilja på vilken del av berget som tillhör det bärande systemet och vilken del som utgör last vid dimensioneringssituationer där hänsyn till samverkan mellan berg och förstärkning måste tas. Numeriska modeller, vilka idag används rutinmässigt vid design av bergtunnlar, tar integrerad hänsyn till denna aspekt hos bergmassan. Partialkoefficientmetoden utgör därmed en komplikation, särskilt vid användning i samband med numeriska analyser eftersom olika koefficienter ska appliceras beroende på denna skillnad. Tanken med partialkoefficientmetoden är att ta hänsyn till stokastisk variation i materials, lasters och modellers karakteristik. Osäkerheterna i bergmassans egenskaper kan dock både vara större eller mindre än de som speglas av de i regelverket (BKR) angivna partialkoefficienterna. Vidare är laster i bergmassan såsom initiala spänningar svåra att bestämma med precision och kan därför vara mera osäkra än laster som verkar på konventionella konstruktioner ovan jord. Följaktligen kan det ifrågasättas om partialkoefficientmetoden vid tillämpning enligt BV Tunnel tar adekvat hänsyn till osäkerheterna i de mekaniska egenskaperna och i de laster som verkar i bergmassan då den används vid design av samverkanskonstruktioner i bergtunnlar. PM_T1-0802-0702-0107.doc 12 (60)
Målet med vilken designfilosofi som helst bör vara att ge funktionella konstruktioner som är ekonomiska att bygga och har en acceptabel säkerhetsnivå. I detta sammanhang är det osäkert hur partialkoefficientmetoden står sig vid tillämpning på konstruktioner i berg. Banverket har identifierat denna osäkerhet och initierade 2003 en studie för att ge ett perspektiv på denna fråga. Studien baserades på numeriska analyser och är avrapporterad i sin helhet i Brandshaug (2004) och i en artikel som presenterats på bergmekanikdagen (Brandshaug, m.fl., 2004). Mot bakgrund av ovanstående resonemang rekommenderas därför för projekt Citybanan att partialkoefficientmetoden endast tillämpas i samband med dimensioneringsmetoder där det möjligt att skilja på bärförmåga och last (t.ex. vid dimensionering för upphängning av löskärna), och då endast för att beräkna den dimensionerande bärförmågan på tillverkade material så som bergbultar och sprutbetong, etc. För att belysa inverkan av osäkerheterna i bergmassans egenskaper rekommenderas generellt att dimensioneringen baseras på känslighetsanalyser och/eller statistiska analyser. Ovan nämnda rekommendation innebär att avsteg från kraven i nuvarande utgåva av BV Tunnel kommer att göras. Därför kan det komma att krävas att en avstegsansökan upprättas och inlämnas till Banverkets huvudkontor, såvida den nya utgåvan av BV Tunnel inte öppnar upp för alternativa dimensioneringsmetoder. 5 Geometriska förutsättningar 5.1 Allmänt Vid dimensionering av bergförstärkning ska hänsyn tas till tunnlarnas geometriska dimensioner, d.v.s. bergförstärkningens utformning ska anpassas till tunnlarnas geometriska dimensioner. För Citybanan ska bergförstärkningar dimensioneras för följande tunneltyper: enkelspårstunnlar (spännvidd, B min =8,5 m ; B max =8,6 m, inklusive kurvtillägg) dubbelspårstunnlar (spännvidd, B min =13,0 m ; B max =13,2 m, inklusive kurvtillägg) övergångar mellan enkelspårs- och dubbelspårstunnlar stationstunnlar (Odenplan: spännvidd B=24,7 m ; City: spännvidd B=26,0 m) växelområden (spännvidd, B max 30 m) servicetunnel (spännvidd, B=5,6 m) driftutrymmen (spännvidd, B=varierande) uppgångar och mezzaninplan (spännvidd, B max 25 m). PM_T1-0802-0702-0107.doc 13 (60)
Ovanstående teoretiska dimensioner inkluderar ett utrymme på 0,5 m i tak och väggar för bergförstärkningar och dräner, utom för servicetunnel där motsvarande utrymme förutsätts vara 0,3 m. Utredningar pågår angående val av tekniska lösningar avseende korrosionsskydd för bultar, brandskydd, samt vatten- och frostisolering. Dessa kan komma att påverka ovan angivna utrymmesbehov. Vid dimensionering av förstärkningar skall hänsyn även tas till följande geometriska aspekter: bergtäckning enligt avsnitt 5.2 korsningar mellan Citybanans tunnlar och befintliga tunnlar samt tunnelpåslag enligt avsnitt 5.3 deformationer i närheten av tunnelfronten enligt avsnitt 5.4 parallella tunnlar enligt avsnitt 5.5 schaktningsordning och schaktningssekvens enligt avsnitt 5.6. 5.2 Bergtäckning Storleken på bergtäckningen, BT, ovanför tunnlarna kan i viss mån inverka på erforderlig bergförstärkningsinsats. Typförstärkningar tas fram för bergtäckningar, BT, som är större än eller lika med halva spännvidden, B. Bergtäckningar mindre än halva spännvidden betraktas som specialfall. Inventering av tunnelsträckor med bergtäckning mindre än halva spännvidden görs inom respektive projekteringsuppdrag. 5.3 Korsningar och tunnelpåslag Vid korsningar med befintliga tunnlar och vid tunnelpåslag råder tredimensionella förhållanden varför hänsyn till tre-dimensionella effekter av spänningsomlagring och deformationer måste tas. Vid behov utförs tredimensionella numeriska analyser. Korsningar och tunnelpåslag betraktas vid dimensionering av förstärkning som specialfall. Korsningar där tjockleken på bergskivan mellan tunnlarna är större än halva spännvidden för den största tunneln betraktas dock som typfall såvida inte spännvidden för den största tunneln överstiger 15 m. Inventering och inmätning av korsande tunnlar görs inom respektive projekteringsuppdrag. 5.4 Deformationer i närheten av tunnelfronten Deformationerna i ett referensplan vinkelrät en tunnels längdaxel påverkas av avståndet mellan referensplanet och tunnelfronten. Detta innebär att avståndet mellan tunnelfronten och den sektion längs tunneln som förstärkningen installeras även påverkar storleken på uppkomna laster i förstärkningen PM_T1-0802-0702-0107.doc 14 (60)
eftersom en viss del av deformationerna hinner utvecklas innan förstärkningen installeras. Hanafy (1980) redovisar hur deformationerna i ett referensplan utvecklas som funktion av drivningsfrontens avstånd till referensplanet, se Figur 5-1. Enligt Figur 5-1 har t.ex. 60-80 % av de slutliga deformationerna utvecklats redan då tunnelfronten passerat referenssektionen med 1/2-1 tunnelradier. Detta innebär att belastningen på förstärkningen kommer att bli signifikant lägre om hänsyn tas till avståndet mellan sektionen för förstärkningens installation och tunnelfronten än om denna aspekt negligeras, vilket kan innebära att förstärkningen överdimensioneras. Ovanstående gäller självklart inte för lastfall som är oberoende av tunnelfrontens framdrift, t.ex. instabila block. För projekt Citybanan rekommenderas det att hänsyn till avstånd mellan sektion för förstärkningens installation och tunnelfronten tas enligt ovan. För de föreslagna dimensioneringsmetoderna (se avsnitt 10) kan i princip denna hänsyn endast tas vid utförande av förstärkta numeriska modeller. Figur 5-1 Utveckling av deformationer som funktion av drivningsfrontens läge (Efter Hanafy, 1980). PM_T1-0802-0702-0107.doc 15 (60)
5.5 Parallella tunnlar Längs i stort sett hela Citybanan planeras det en separat servicetunnel. Beroende på avståndet mellan servicetunneln och trafiktunnlarna kommer dessa tunnlar i olika grad att påverka varandra med avseende på de bergmekaniska förhållandena runt tunnlarna. Vid dimensionering av bergförstärkning ska hänsyn tas till denna påverkan. Ovanstående gäller bl.a. även vid parallella enkelspårs tunnlar (d.v.s. där spårtunnlar kommer in i eller lämnar stationstunnlar) och i växelområden. 5.6 Schaktningsordning och schaktningssekvens I de fall schaktningsordning och/eller schaktningssekvens bedöms inverka på dimensioneringen av det bärande huvudsystemet ska hänsyn tas till detta. Exempel på när detta kan bli aktuellt är: parallella tunnlar som ligger nära varandra uppdelning av tunneltvärsnittet (pilot/strossar, galleri/pall, etc) korsningar/anslutningar vid nybyggda tunnlar. 6 Ingenjörsgeologisk prognos Ingenjörsgeologisk prognos upprättas längs hela tunnelsträckan. Prognosen baseras på en förundersökningsrapport och ska innehålla uppgifter enligt BV Tunnel, Bilaga 2 (Banverket, 2002). Föreslag till undersökningar, inklusive labtester, redovisas i separata PM för respektive projekteringsuppdrag. PM T1-0802-0101-08 Citybanan i Stockholm, Tomteboda t.o.m. station City, KM 31+000-34+200 Karakterisering och klassificering berg föreslås att två parallella system för karaktärisering och klassificering används i projekt Citybanan, nämligen RMR och Q-index. Både karaktäriserings- (RMR Bas och Q Bas ) och klassificeringsvärdena (RMR och Q) bör anges i profiler längs hela tunnelsträckningen som underlag till dimensioneringen av bergförstärkningen. Både karakteriseringsvärden och klassificeringsvärden bör anges som typiskt värde samt som min- och maxvärden för att möjliggöra känslighetsanalyser. Karakteriseringsvärdena används för uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper (se avsnitt 7) Det bör observeras att den ingenjörsgeologiska prognosen i enlighet med BV Tunnel är ett dokument som ska ingå i konstruktionsredovisningen och inte i förfrågningsunderlaget. I förfrågningsunderlaget redovisas bergkvaliteten i form av klassificeringsvärden från endast ett av systemen (Q-index eller RMR). Vilket av systemen som ska användas för redovisning av bergkvaliteten i förfrågningsunderlaget beslutas av Berggruppen tillsammans med Banverket. PM_T1-0802-0702-0107.doc 16 (60)
7 Uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper 7.1 Allmänt För uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper (kohesion, friktionsvinkel, draghållfasthet och elasticitetsmodul) föreslås en metodik baserad på karaktärisering med RMR Bas och GSI, tillsammans med användande av Hoek&Browns brottvillkor samt publicerade samband för uppskattning av bergmassans elasticitetsmodul (Hoek, et al, 2002). Metodiken förutsätter att karaktäriseringen av bergmassan sker i enlighet med rekommendationerna i PM karakterisering och klassificering av berg och att lab-tester utförs enligt PM Förundersökningar berg med vilka nödvändiga indata (bl.a. σ ci och m i ) tas fram med hjälp av enaxiella och triaxiella hållfasthetstester på bergkärnor. Metodiken finns beskriven i detalj i Lindfors, m.fl. (2003) men återges i avsnitten 7.2 och 7.3 något modifierad/anpassad till rekommendationerna för projekt Citybanan. Vid uppskattning av bergmassans mekaniska egenskaper för olika bergkvaliteter eller bergkvalitetsintervall rekommenderas att dessa inte görs endast i form av ett enda värde för respektive parameter, utan som typvärde, samt min- och maxvärde för att spegla spridningen/osäkerheten i egenskaperna. Vid dimensionering av bergförstärkning bör analyserna ta hänsyn till denna spridning/osäkerhet. Detta kan t.ex. utföras med hjälp av känslighetsanalyser med avseende på de viktigaste parametrarna. Det bör påpekas att föreslagen metod för uppskattning av bergmassans egenskaper förutsätter att bergets respons kan approximeras med responsen från ett homogent och isotropt kontinuummaterial som följer Mohr-Coulombs brottvillkor. 7.2 Uppskattning av hållfasthetsparametrar Rekommenderad metodik för uppskattning av hållfasthetsparametrarna kohesion, friktionsvinkel och draghållfasthet sammanfattas i flödesschemat i Figur 7-1. PM_T1-0802-0702-0107.doc 17 (60)
Bestäm RMR Bas enligt PM Karaktärisering och klassificering av berg Bestäm GSI enligt Ekvation (7-5) Bestäm GSI då det inte med hänsyn till bergkvaliteten är praktiskt möjligt att använda RMR Bas GSI Bestäm m i för olika bergarter med hjälp av triaxialtester enligt PM Förundersökningar berg m i Beräkna m b, s och a enligt Ekvation (7-2), (7-3) och (7-4) Bestäm D enligt Figur 7-2 D=0 m b, s och a Bestäm σ ci för olika bergarter med hjälp av: a) enaxiell testning eller b) punktlasttestning enligt PM Förundersökningar berg σ ci Beräkna bergmassans hållfasthet σ cm och σ tm enligt Ekvationerna (7-6) och (7-7) Bestäm största primärspänningen runt tunneln σ primär σ cm σ tm Beräkna σ 3max enligt Ekvation (7-11) σ 3max Beräkna σ 3n enligt Ekvation (7-10) σ 3n Beräkna kohesion och friktionsvinkel enligt Ekvationerna (7-8) och (7-9) c m och φ m Figur 7-1 Flödesschema för uppskattning av bergmassans hållfasthetsparametrar (modifierad från Lindfors, m.fl., 2003). Bergmassans hållfasthet kan enligt Hoek-Browns brottvillkor beskrivas enligt Ekvation (7-1). σ σ (7-1) 3 a 1 = σ3 + σci ( mb + s) σci Den enaxiella tryckhållfastheten för intakt berg, σ ci, kan bestämmas genom enaxiell (eller i samband med triaxiell) laboratorietestning på bergkärnor eller genom punktlasttestning (se t.ex. Brown, 1981). Övriga ingående parametrar i Hoek-Browns brottvillkor bestäms enligt (Hoek et al, 2002) med hjälp av sambanden i Ekvationerna (7-2), (7-3) och (7-4) : m b i GSI100 2814D = m e (7-2) PM_T1-0802-0702-0107.doc 18 (60)
GSI100 93D s = e (7-3) 1 1 GSI /15 20/3 a = + (e e ) (7-4) 2 6 där parametern m i tar hänsyn till bergart och kan bestämmas direkt från triaxialtetster på intakta bergprover från kärnborrning enligt Hoek & Brown (1997), parametern m b motsvarar m i men avser bergmassan (istället för intakt berg) och parametrarna s och a tar hänsyn till bergmassans karaktär och sprickighet. Parametrarna s och a bestäms via Ekvationerna (7-3) och (7-4) med hjälp av parametrarna GSI och D. Värdet på GSI bestäms i första hand genom karakterisering med RMR Bas och i andra hand, då det inte är praktiskt möjligt med hänsyn till bergkvaliteten, direkt med GSI (se PM Karaktärisering och klassificering av berg ). Då RMR Bas används beräknas GSI enligt Ekvation (7-5). GSI = RMR Bas 5 (7-5) Parametern D (eng. disturbance factor) beror på graden av störning på bergmassan från sprängning och spänningsomlagring (avlastning). Den varierar från 0 för helt ostörda (opåverkade) förhållanden till 1 för en strakt störd (påverkad) bergmassa. Störningsfaktorn, D, kan bestämmas enligt riktlinjerna angivna i Figur 7-2. För projekt Citybanan rekommenderas att D=0-(0.1) används eftersom hårt kristallint berg normalt kan förutsättas, tunnlarna är ytligt förlagda samt skonsam sprängning kommer att tillämpas. PM_T1-0802-0702-0107.doc 19 (60)
Figur 7-2 Riktlinjer för uppskattning av störningsfaktorn D (Hoek et al, 2002). Enaxiell tryckhållfasthet respektive draghållfasthet för bergmassan enligt Hoek & Browns brottvillkor bestäms av Ekvation (7-6) respektive (7-7). cm ci a σ = σ s (7-6) sσ ci σ tm = (7-7) mb Beräkning av ekvivalenta hållfasthetsparametrar (kohesion, friktionsvinkel och draghållfasthet) enligt Mohr-Coulombs brottvillkor görs genom linjär anpassning av brottenvelopen till Hoek-Browns brottvillkor bestämd enligt PM_T1-0802-0702-0107.doc 20 (60)
ovan. Värdena på hållfasthetsparametrarna kohesion, c m, och friktionsvinkel, φ m, bestäms genom linjär anpassning över ett specifikt spänningsintervall, σ tm < σ 3 < σ 3max, och enligt följande ekvationer (Hoek et al, 2002): φ m a1 1 6am b (s + mbσ3n ) = sin a1 (7-8) 2(1 + a)(2 + a) + 6amb (s + mbσ3n ) c m σci = (1 + a)(2 + a) [(1 + 2a)s + (1 a)m σ ] 1 + a1 ( 6am (s + m σ ) )/((1 + a)(2 + a)) b b b 3n (s + m σ 3n b a1 3n ) (7-9) σ 3max σ 3n = (7-10) σci Värdet på σ 3max motsvarar det största värdet för den minsta huvudspänningen, σ 3, för aktuellt stabilitetsproblem. Lägg märke till att σ 3max avser inducerade spänningar och inte initialspänningar. Detta värde varierar beroende på tillämpning, bergmassa, primära (initiala) spänningar, etc, och bör bestämmas för varje enskilt fall. T.ex. kan det uppskattas genom att en linjärelastisk spänningsanalys utförs för aktuell problemgeoemetri. Den beräknade storleken på minsta huvudspänningen runt tänkt undermarksobjekt ger en indikation på vilket spänningsintervall som kan förväntas, och kan således nyttjas som regressionsintervall enligt ovan. Alternativt kan σ 3max för djupa och ytligt förlagda tunnlar uppskattas enligt Ekvation (7-11) (Hoek et al, 2002) under förutsättning att plasticering inte sker ända upp till markytan (bergytan). σ 0,94 cm σ 3max = 0, 47σcm (7-11) σ primär där σ primär är största primärspänningen (initiala spänningen före tunneldrivning) som verkar runt tunneln. För det fall då vertikalspänningen utgör den största primärspänningen kan σ primär ersättas av ρgh, där ρ är bergmassans densitet och H är djupet i meter under markytan (bergytan) för aktuell tunnel bergrum. För det fall att horisontalspänningen utgör den största primärspänningen kan σ primär ersättas med horisontalspänningens värde på aktuellt tunneldjup. I praktiken har det dock visat sig att Ekvation (7-11) fungerar relativt väl trots att plasticering sker upp till markytan (bergytan), se t.ex. Rosengren och Brandshaug (2002). För projekt Citybanan föreslås att σ 3max bestäms enligt Ekvation (7-11) där σ primär utgörs av den största primärspänningen (initialspänningen) på det största planerade tunneldjupet (tunneltak) längs tunnelns sträckning. Bergmassans draghållfasthet, σ tm, för Mohr-Coulombs brottvillkor blir vid anpassning till Hoek & Browns brottvillkor identiska varför denna parameter kan bestämmas enligt Ekvation (7-7). Relevansen i att sätta draghållfastheten skiljt från noll i en uppsprucken bergmassa kan diskuteras. Å andra sidan kan man konstatera att om draghållfastheten sätts till noll så underskattas denna för alla riktningar som inte sammanfaller med normalen till förekommande sprickplan. För Citybanan rekommenderas att denna parameter uppskattas med omsorg från fall till fall med hänsyn till riktningen på aktuella sprickplan i förhållande till belastningsriktningen. PM_T1-0802-0702-0107.doc 21 (60)
Ett bekvämt sätt att tillämpa ovanstående metodik för uppskattning av hållfasthetsparametrarna är att utnyttja datorprogrammet RocLab (Rocscience, 2003), vilket kan erhållas utan kostnad från Rocscience, Inc. (URL:www.rocscience.com). Programmet kan även användas för uppskattning av bergmassans elasticitetsmodul enligt avsnitt 7.3. Vid uppskattning av bergmassans hållfasthetsegenskaper rekommenderas att varje parameter ges ett typiskt värde samt ett min- och maxvärde. Som framgår av ovanstående beskrivna metodik för framtagande av hållfasthetsparametrar omfattar denna inte bergmassans eventuella dilatationsvinkel, ψ. Det finns heller ingen bra metod för att bestämma denna parameter. I den mån dilatationsvinkeln bedöms ha en betydande inverkan på dimensioneringen uppskattas denna från fall till fall. För hårt sprickigt berg kan dilatationsvinkeln uppskattas till 5-10. 7.3 Uppskattning av deformationsparametrar Vid uppskattning av bergmassans deformationsparametrar föreslås en metodik som är baserad på karaktärisering enligt RMR och GSI tillsammans med av Hoek, et al (2002) publicerade samband. Rekommenderad metodik sammanfattas i flödesschemat i Figur 7-3 och kan anses vara tillämpar för ytlig till måttligt djupt förlagda tunnlar, vilket är fallet i projekt Citybanan. Bestäm RMR Bas enligt PM Karaktärisering och klassificering av berg Bestäm GSI enligt Ekvation (7-5) Bestäm GSI då det inte med hänsyn till bergkvaliteten är praktiskt möjligt att använda RMR Bas GSI Bestäm σ ci för olika bergarter med hjälp av: a) enaxiell testning eller b) punktlasttestning enligt PM Förundersökningar berg σ ci Beräkna E m enligt Ekvation (7-12) eller (7-13) Bestäm D enligt Figur 7-2 D=0 E m Bestäm E för olika bergarter med hjälp av enaxiell testning enligt PM Förundersökningar berg E Jämför E m och E. Om E m >E sätt E m =E E m Bestäm ν med hjälp av enaxiell testning enligt PM Förundersökningar berg ν Antag att ν m = ν ν m Figur 7-3 Flödesschema för uppskattning för bergmassans elasticitetsmodul och tvärkontraktionstal (modifierad efter Lindfors, m.fl., 2003). PM_T1-0802-0702-0107.doc 22 (60)
Enligt Hoek, et al (2002) kan bergmassans elasticitetsmodul då σ ci 100 MPa uppskattas med Ekvation (7-12). E D 1 10 2 GSI 10 40 m = σci 100 (7-12) Då σ ci >100 MPa gäller Ekvation (7-13). GSI10 40 D E m = 1 10 (7-13) 2 Eftersom bergmassans elasticitetsmodul i praktiken aldrig bör vara högre än bergartens elasticitetsmodul bör värden beräknade enligt Ekvationerna (7-12) och (7-13) begränsas till värdet för bergarten. Liksom vid uppskattning av bergmassans hållfasthetsegenskaper rekommenderas att även elasticitetsmodulen ges ett typiskt värde samt ett minoch maxvärde. Ovan beskrivna metodik är applicerbar för uppskattning av bergmassans egenskaper, d.v.s. i de fall där bergmassan kan betraktas som ett kontinuerligt medium (kontinuum). I de fall berget inte uppfyller förutsättningarna för ett kontinuerligt medium måste det intakta berget och sprickorna betraktas var för sig, d.v.s. som ett diskontinuerligt medium (diskontinuum). I dessa fall måste egenskaper för såväl det intakta berget som sprickorna uppskattas explicit. Det finns ingen självklar metodik för hur denna uppskattning ska gå till varför det föreslås att uppskattningen görs från fall till fall i första hand baserat på tillgänglig information från förundersökningen. Även kompletterande fält- och laboratorietester kan bli nödvändiga att utföra. 8 Materialförutsättningar och egenskaper för förstärkningselement 8.1 Allmänt Som tidigare nämnts förutsätts att bergförstärkningen huvudsakligen utgörs av konventionella förstärkningselement i form av bergbultar, sprutbetong och betonginklädnad. I nedanstående avsnitt (8.2-8.4) redovisas materialförutsättningar och egenskaper för användning som indata till dimensioneringsberäkningar. 8.2 Bergbultar Bultning förutsätts att utföras med fullt ingjuten kamjärnsbult B500 (φ=20-25 mm) utan förspänning. Bultarnas karakteristiska egenskaper redovisas i Tabell 8-1. PM_T1-0802-0702-0107.doc 23 (60)
Den dimensionerande dragbärförmågan, F yd, respektive dragbrottöjningen, ε gd, förutsätts vara en funktion av den karakteristiska dragbärförmågan, F yk, respektive karakteristiska dragbrottöjningen, ε gk och partialkoefficienterna γ n, η och γ m enligt Ekvationerna (8-1) och (8-2). F yd = Fyk γ ηγ (8-1) n n m εgk ε gd = (8-2) γ ηγ m Dimensionerande elasticitetsmodul bestäms på analogt sätt. För säkerhetsklass 3 är, enligt BBK 04 (Boverket, 2004), avsnitt 1.1.1.4, γ n =1,2 respektive 1,0 för normalt lastfall i brottgränstillstånd respektive vid olyckslast. Om bultstålet betraktas som armering skall för bestämning av hållfasthetsvärden, enligt BBK 04, avsnitt 2.3.1, produkten ηγ m sättas till 1,15 vid normalt lastfall och till 1,0 vid olyckslast. Produkten ηγ m ska vid bestämning av elasticitetsmodul för normalt lastfall sättas till 1.05 respektive 1.0 vid olyckslast. I Tabell 8-1sammanfattas karakteristiska egenskaper, partialkoefficienter och dimensionerande egenskaper för bergbultar. Tabell 8-1 Parameter Sammanfattning av karakteristiska egenskaper, partialkoefficienter och dimensionerande egenskaper för bergbultar (säkerhetsklass 3, B500). Karakteristiskt värde Partialkoefficienter γ n ηγ m Dimensionerande värde Tvärsnittsarea för 3,14E-4-3,14E-4 φ=20mm, A s [m 2 ] Tvärsnittsarea för 4,91E-4-4,91E-4 φ=25mm, A s [m 2 ] Densitet, ρ s [kg/m 3 ] 7800-7800 Elasticitetsmodul, E s [GPa] 200 1,2 1,05=1,26 (1,0 1,0=1,0) 159 (200) Flytdragspänning, f y [MPa] 500 1,2 1,15=1,38 (1,0 1,0=1,0) 362 (500) Dragbärförmåga för φ=20 mm, F y [kn] 157 1,2 1,15=1,38 (1,0 1,0=1,0) 114 (157) Tryckbärförmåga för φ=20 mm, F c [kn] 157 1,2 1,15=1,38 (1,0 1,0=1,0) 114 (157) Dragbärförmåga för φ=25 mm, F y [kn] 246 1,2 1,15=1,38 (1,0 1,0=1,0) 178 (246) Tryckbärförmåga för φ=25 mm, F ck [kn] 246 1,2 1,15=1,38 (1,0 1,0=1,0) 178 (246) Dragbrottöjning, ε g [%] 5 1,2 1,15=1,38 (1,0 1,0=1,0) 3,62 (5,0) Värden inom parantes avser dimenionering för olyckslast med hänsyn till fortskridande ras och brand. PM_T1-0802-0702-0107.doc 24 (60)
Som tidigare nämnts i avsnitt 4 ska partialkoefficienter för bultar endast tillämpas i de fall där man kan skilja mellan last och bärförmåga. Detta innebär i princip att partialkoefficienter endast appliceras på lastfall där någon tyngd i form av block, löskärna eller dylikt ska hängas upp. I dessa fall kan inte ett töjningskriterium användas vid utvärderingen, eftersom lasten inte avtar med deformation enligt dessa beräkningsmodeller. Vid numeriska modeller där hänsyn till samverkan mellan förstärkning och bergmassan tas används karakteristiska värden för bultarna (se avsnitt 10.6). Förutom egenskaperna angivna i Tabell 8-1 styrs bultarnas respons (först och främst vid analyser med numeriska modeller) även av bultingjutningens egenskaper. Ingjutningens styvhet, K bond, bestäms vanligen genom utdragsförsök i laboratorium eller i fält. Alternativt kan styvheten uppskattas med hjälp av empiriskt samband enligt Ekvation (8-3) (St. John och Van Dillen, 1983). K bond 2πG g = (8-3) 2t 10ln(1 + ) D där G g = ingjutningsmaterialets skjuvmodul t = ingjutningsmaterialets tjocklek D = bultens diameter. För dimensioneringsberäkningar inom projekt Citybanan rekommenderas att t 10 mm och att G g =9 GPa. Om det förutsätts att ingjutningsmaterialets tjocklek, t, är 10 mm och att G g är 9 GPa enligt ovan erhålls vid tillämpning av Ekvation (8-3) att K bond =8,16 GN/m/m respektive K bond =9,62 GN/m/m för D=20 respektive 25 mm. Ingjutningens skjuvhållfasthet, S bond, kan enligt St. John och Van Dillen (1983) beräknas med de empiriska sambanden i Ekvationerna (8-4) och (8-5). S bond = πdq B τ b (8-4) S bond = π(d+2t)q B τ I (8-5) där D = bultens diameter Q B = faktor som beror på ingjutningens kvalitet (1=perfekt ingjutning) τ b = skjuvmotstånd (1/2 av tryckhållfastheten hos ingjutningsmaterialet, σ cg ) τ I = skjuvmotstånd (1/2 av den lägre tryckhållfastheten av berget, σ c (i eller m), eller ingjutningsmaterialet, σ cg ). Ett relativt högt värde på Q B kan förväntas med tanke på de materialkrav, utförandekrav samt krav på kontroller som finns stipulerade i BV Tunnel. För projekt Citybanan rekommenderas att ett värde på 0,9 väljs för Q B i Ekvation och (8-4) och (8-5). Detta motsvarar en kvalitet hos ingjutningen som i genomsnitt är nästan perfekt. Ett vanligt värde för σ cg för cementbaserat ingjutningsmaterial är 20 MPa. Vid bestämning av τ I rekommenderas att PM_T1-0802-0702-0107.doc 25 (60)
enaxiell tryckhållfasthet för intakt berg används då RMR Bas >40. Då RMR Bas <40 används enaxiell tryckhållfasthet för bergmassan. Ekvation (8-4) gäller då brottet sker mellan bulten och ingjutningsmaterialet och Ekvation (8-5) gäller då brottet uppstår mellan ingjutningsmaterialet och berget. Det lägsta av värdena erhållna med Ekvation (8-4) och (8-5) väljs. Ovanstående empiriska metod för att uppskatta ingjutningens egenskaper kan anses generera karakteristiska egenskaper. Hänsyn till ingjutningens respons kan i regel endast tas i samband med dimensionering med hjälp av numeriska metoder, varvid karakteristiska värden på indata till modellen ska användas (se avsnitt 10.6). 8.3 Sprutbetong För sprutbetong förutsätts tillverknings- och utförandeklass I. För byggplatstillverkad sprutbetongmassa skall i förekommande fall bedömning av tillverkningssystemets lämplighet göras med hänsyn till slutresultatets kvalitet. Tillverkningsutrustning som härvid inte till alla delar uppfyller kraven kan ändå få användas om produktionsutrustning, blandning och sprutning sammantaget kan påvisas ge dokumenterade resultat som uppfyller ställda material- och funktionskrav. Sprutbetong ingående i bärande huvudsystem ska utföras i lägst hållfasthetsklass C30/37 enligt BBK 04 (Boverket, 2004). För sprutbetong kan armering utgöras av stålfiber eller stålnät. Fiberarmerad sprutbetongen kan förutsättas bli utsatt för såväl normal-, moment- som tvärkraftsbelastning. Därför kan det förutsättas att bärförmågan är relaterad till sprutbetongens vidhäftningsförmåga såväl som till dess förmåga att ta upp drag- tryck- och tvärbelastning. Den karakteristiska böjdraghållfastheten kan antas representeras av den karakteristiska sprickspänningen, f flcrk, vilken för fiberarmerad sprutbetong enligt Fredriksson och Stille (1992) kan beräknas ur det empiriska uttrycket i Ekvation (8-6). f flcrk µ sσsu = (8-6) k där µ s = fiberhalt (vol-%), σ su = fiberns sträckgräns och k = empirisk faktor som beskriver utnyttjandegraden av fibern. I Tabell 8-2 anges värden för faktorn k för olika fiberhalter, µ s. Värdena på faktorn k i Tabell 8-2 har räknats fram baserat på resultat hämtade från Bekaerts handbok om stålfiberarmerad sprutbetong. PM_T1-0802-0702-0107.doc 26 (60)
Tabell 8-2 Fiberhalt, µ s [Vol-%] Utnyttjandegraden, k, för olika fiberhalter, µ s (efter Fredriksson och Stille, 1992). Fibermängd (Dramix ZP 30/.5) [kg/m 3 ] Utnyttjandegrad, k 0,50 39,3 1,8 0,75 58,9 2,2 1,00 78,6 2,6 1,25 98,3 2,9 1,50 117,9 3,3 Om man förutsätter att de stålfibrer som används i sprutbetongen utgörs av t.ex. Bekaerts Dramix ZP 30/.50, med en sträckgräns σ su =1250 MPa (Thorsén, 1993) och en fiberhalt på ca 0,65 vol-% (k 2,04) erhålls en karakteristisk sprickspänning på ca 4,0 MPa. Lägg märke till att värdet på µ s i Ekvation (8-6) skall anges som ett decimaltal och inte som ett procenttal och att fiberhalt och fibermängd i Tabell 8-2 avser sprutbetong i färdig konstruktion. Den dimensionerande böjdraghållfastheten beräknas enligt Ekvation (8-7). f flcr f γ ηγ = flcrk (8-7) n m Eftersom det är fibrerna som bestämmer sprutbetongens böjdraghållfasthet används de partialkoefficienter som gäller för armering. Som tidigare nämnts är γ n =1,2 respektive 1,0 för normalt lastfall i brottgränstillstånd respektive för olyckslast i säkerhetsklass 3. Produkten ηγ m sätts vid bestämning av hållfasthetsvärden, enligt BBK 04 (Boverket, 2004) avsnitt 2.3.1 till 1,15 respektive 1,0. Den dimensionerande tryckhållfastheten för sprutbetongen beräknas enligt Ekvation (8-8). f ccd f γ ηγ = cck (8-8) n m För säkerhetsklass 3 är, enligt BBK 04, avsnitt 1.1.1.4, γ n =1,2 respektive 1,0 för normalt lastfall i brottgränstillstånd respektive vid olyckslast. Produkten ηγ m skall för bestämning av hållfasthetsvärden, enligt BBK 04, avsnitt 2.3.1 sättas till 1,5 respektive 1,2. Vid utpräglad korttidslast tillåter BBK dock att det dimensionerande värdet vid dimensionering för olyckslast och med hänsyn till fortskridande ras multipliceras med 1,1. Eftersom en explosionslast kan betraktas som utpräglad korttidslast kan det dimensionerande värdet för tryckhållfastheten justeras. Vid bestämning av dimensionerande elasticitetsmodul ska, enligt BBK 04, avsnitt 2.3.1, produkten ηγ m vid normalt lastfall respektive olyckslastfall sättas till 1,2 respektive 1,0. PM_T1-0802-0702-0107.doc 27 (60)
När det gäller fiberarmerad sprutbetongs skjuvhållfasthet (förmåga att motstå tvärkraftsbelastning) ger BBK ingen vägledning. Holmgren (1992) föreslår en skjuvhållfasthet, τ b, på 2 MPa för sprutbetong i hållfasthetsklass K40 (motsvarar i princip C30/37 enligt BBK). För sprutbetongs vidhäftning mot berget rekommenderas att två fall förutsätts: (1) karakteristisk vidhäftning, σ adk =0,5 MPa och (2) karakteristisk vidhäftning, σ adk =0 MPa. BBK anger inga värden för produkten ηγ m med avseende på vidhäftning. Eftersom bergets beskaffenhet påverkar vidhäftningens storlek och kan anses ha en relativt stor naturlig variation antas produkten ηγ m till 1,25 (motsvarar tillsammans med partialkoefficienten för säkerhetsklass 3 en totalsäkerhet mot vidhäftningsbrott på 1,5) respektive 1,0 för normalt lastfall respektive olyckslastfall. I Tabell 8-3 sammanfattas egenskaper och partialkoefficienter för fiberarmerad sprutbetong i hållfasthetsklass C30/37, säkerhetsklass 3. Tabell 8-3 Parameter Sammanfattning av karakteristiska egenskaper, partialkoefficienter och dimensionerande egenskaper för fiberarmerad sprutbetong (säkerhetsklass 3, hållfasthetsklass C30/37). Karakteristiskt värde Partialkoefficienter γ n ηγ m Dimensionerande värde Densitet, ρ c [kg/m 3 ] 2300-2300 Elasticitetsmodul, E c [GPa] 16,0 a) 1,2 1,2=1,44 (1,0 1,0=1,0) 11 (16) Poisson s tal, ν c 0,25-0,25 Skjuvhållfasthet, τ b [MPa] 2,0 1,2 1,25 b) =1,5 (1,0 1,0) 1,33 (2,0) Böjdraghållfasthet, f fl [MPa] 4,0 1,2 1,15=1,38 (1,0 1,0=1,0) 2,9 (4,0) Tryckhållfasthet, f cc, [MPa] 29,0 1,2 1,5=1,8 (1.0 1,2=1,2) 16,1 (24,2) Vidhäftningshållfasthet, σ ad [MPa] [1,0 1,2/1,1=1,09] 0,5 1,2 1,25 b) =1,5 (1,0 1,0) [26,6] 0,33 (0,5) Värden inom parantes avser dimensionering för olyckslast med hänsyn till fortskridande ras och brand. Värden inom hakar avser dimensionering med hänsyn till utpräglad korttidslast i samband med olyckslast, t.ex. explosion. a) Detta utgör ett erfarenhetsvärde baserat på en uppskattning från Malmgren (2001), Tabell 2-9, vid ett karaktäristiskt värde för betong på 32 GPa enligt BBK 94 (K40). b) Antagna värden för produkten ηγ m eftersom BBK inte anger några värden. Liksom för bultar ska partialkoefficienter för sprutbetong endast tillämpas i de fall där man kan skilja mellan last och bärförmåga. Detta innebär i princip att partialkoefficienter endast appliceras på lastfall där någon tyngd i form av block, löskärna eller dylikt ska förstärkas. Vid numeriska modeller där hänsyn till samverkan mellan förstärkning och bergmassan tas används karakteristiska värden för sprutbetongen (se avsnitt 10.6). PM_T1-0802-0702-0107.doc 28 (60)
8.4 Betonginklädnad För betonginklädnad i form av platsgjuten betongkonstruktion i samverkan med berg förutsätts tillverknings- och utförandeklass I, lägst C30/37. I de flesta fall eftersträvas en konstruktion som inte kräver konstruktiv armering, utan endast normal sprickarmering. Detta gäller dock inte då tunnelns bärförmåga helt säkras med en betongkonstruktion. I sådana fall ska dimensionering ske enligt kompletterande krav i avsnitt 3.4 i BV Tunnel (Banverket, 2002). De egenskaper som sammanfattas i Tabell 8-4 avser oarmerad platsgjuten betongkonstruktion för hållfasthetsklass C30/37, säkerhetsklass 3. Karakteristiska egenskaper och partialkoefficienter är hämtade från BBK 04, avsnitt 2.3.1, 2.4.1, 2.4.2 och 2.4.4. Tabell 8-4 Parameter Sammanfattning av karakteristiska egenskaper, partialkoefficienter och dimensionerande egenskaper för oarmerad betong (säkerhetsklass 3, hållfasthetsklass C30/37). Karakteristiskt värde Partialkoefficienter γ n ηγ m Dimensionerande värde Densitet, ρ c [kg/m 3 ] 2300-2300 Elasticitetsmodul, E c [GPa] 33,0 1,2 1,2=1,44 (1,0 1,0=1,0) 22,9 (33) Poisson s tal, ν c 0,25-0,25 Draghållfasthet, f ct [MPa] 1,95 1,2 1,5=1,8 (1,0 1,2=1,2) 1,1 (1,6) Tryckhållfasthet, f cc, [MPa] 29,0 1,2 1,5=1,8 (1.0 1,2=1,2) [1,0 1,2/1,1=1,09] 16,1 (24,2) [26,6] Värden inom parantes avser dimensionering för olyckslast med hänsyn till fortskridande ras och brand. Värden inom hakar avser dimensionering med hänsyn till utpräglad korttidslast i samband med olyckslast, t.ex. explosion. Liksom för sprutbetong ska partialkoefficienter för platsgjuten oarmerad betong endast tillämpas i de fall där man kan skilja mellan last och bärförmåga. Detta innebär i princip att partialkoefficienter endast appliceras på lastfall där någon tyngd i form av löskärna eller dylikt ska förstärkas. Vid numeriska modeller där hänsyn till samverkan mellan förstärkning och bergmassan tas används karakteristiska värden för sprutbetongen (se avsnitt 10.6). 9 Intialspänningar och andra relevanta laster 9.1 Initialspänningar Initialspänningar är en mycket viktig parameter vid dimensionering av bergförstärkning. Särskilt har horisontalspänningar betydande effekter på den storskaliga stabiliteten (t.ex. förmågan till valvbildning) runt tunnel. Tidigare erfarenheter av tunnelbygganden i Stockholmområdet indikerar att det ofta råder relativt höga horisontalspänningar, vilket är gynnsamt för valvbildningen. Däremot kan de höga horisontalspänningarna orsaka plastisering eller hävningar PM_T1-0802-0702-0107.doc 29 (60)
i bergmassan (vid liten bergtäckning i förhållande till tunnelns spännvidd) vid berguttag, vilket i sin tur kan leda till skador på närliggande byggnader och anläggningar. Dessa gynnsamma och negativa effekter skall beaktas vid dimensionering av bergförstärkningar och bestämning av berguttagssekvenser. Initialspänningar visar normalt på stora variationer, dels beroende på naturlig rumslig spridning, dels beroende på mätmetoderna. Därför bör värden på initialspänningarna väljs med stor omsorg. För projekt Citybanan föreslås följande strategi för att uppskattas de initiala spänningarna: 1. Sammanställning av tidigare utförda spänningsmätningar inom Stockholmsområdet i djupintevallet ca 0-200 m. 2. Identifiering av behov att utföra kompletterande mätningar. 3. Utförande och utvärdering av eventuella kompletterande mätningar. 4. Fastställande av spänningssamband som funktion av djupet, inklusive osäkerheter. Det rekommenderas att variationsbredden (spridningen/osäkerheter) anges för de initiala spänningar eller spänningssamband som fastställs för projekt Citybanan. Vid dimensionering av bergförstärkning bör känslighetsanalyser utföras med avseende på de initiala spänningarnas variation (se bl.a. avsnitt 10.6). 9.2 Övriga relevanta laster Överlaster från jord, anläggningar, hus och andra byggnadsverk bestäms från fall till fall under hänsynstagande av möjliga variationer i lastvärden. Svällande leror kan komma att utgöra en last på förstärkningssystemet, vilken ska tas hänsyn till vid dimensioneringen. Vid normala förstärkningsfall, d.v.s. då inte ett omslutande tätningsskikt t.ex. i form av ett membran finns i konstruktionen, kan dränerade förhållanden förutsättas i de flesta fall. Detta innebär såväl att vattentrycket mot förstärkningskonstruktionen som att portrycket i bergmassan förutsätts vara noll. Då konstruktionen kan misstänkas vara känslig för aktuellt vattentryck och/eller då semidränerade förhållanden råder (t.ex. då ett membran installerats runt en del av tunnelperiferin eller då en tätande barriär från injekteringen skapats i samband med dåligt berg) ska hänsyn tas till detta vid dimensioneringen. I de fall odränerade konstruktioner blir aktuella ska hänsyn tas till eventuellt vattentryck i bergmassan och mot den täta konstruktionen. Detta gäller även i de fall en dränerad konstruktion kan misstänkas vara känslig för aktuellt vattentryck. PM_T1-0802-0702-0107.doc 30 (60)
Vid dimensionering av bergförstärkning med hänsyn till explosionslaster används specificerade tryck-tid samband enligt BV Tunnel, Tabell 3.2-3 (Banverket, 2002). Dessa förutsätter att transport av farligt gods i klasserna 1 och 2 inte sker i tunneln. Vid numerisk analys av explosionslast avseende lokalt tryck på en yta av 4x4 m enligt Tabell 3.2-3 i BV Tunnel rekommenderas en med hänsyn till frekvensinnehållet filtrerad puls enligt Figur 9-1. Tryck [MPa] Ofiltrerad puls P2 Filtrerad puls P2 (750 Hz) Tid (x10-4 ) [s] Figur 9-1 Tryck-tid diagram för ofilterard och filtrerad (vid 750 Hz) puls för explosionslasten Lokalt tryck på en yta med storleken 4x4 m i trafikutrymme enligt BV Tunnel, Tabell 3.2-3 (Rosengren och Brandshaug, 2002). Vid dimensionering eller skydd av bärande huvudsystem i tunnlar med hänsyn till brand skall dimensionerande brand (temperatur-tid kurva) enligt PM T0-0202-0402-01 Citybanan i Stockholm Dimensionerande brand för bärande konstruktioner tillämpas. 10 Verifiering av bärförmåga genom beräkningar och empiriska metoder i projekteringsskedet 10.1 Allmänt För att erhålla en stringent, enhetlig och spårbar dimensionering i projekteringsskedet föreslås att en dimensioneringsmetodik enligt Figur 10-1 tillämpas i projekt Citybanan. PM_T1-0802-0702-0107.doc 31 (60)
Dimensioneringssituation Start Identifiering av brottoch deformationsmekanismer Bergklassificering Empiriska beräkningar Analytiska beräkningar Oförstärkt numerisk modell Preliminärt förstärkningsförslag Förstärkt numerisk modell Ja Nej Kan förstärkningen godtas? Ja Förstärkningsprognos Stopp Kritisk dimensioneringssituation? Utvärdering av beräkningsresultat: utvärderingskriterier ingenjörsmässiga bedömningar Nej Figur 10-1 Dimensioneringsmetodik med avseende på det bärande huvudsystemets bärförmåga. Föreslagen dimensioneringsmetodik startar med att en specifik dimensioneringssituation (eller förstärkningssituation) identifieras i den planerade tunneln för vilken samtliga påverkande faktorer (t.ex. problemgeometri, bergmassans kvalitet och egenskaper, bergtäckning etc) har definierats. För att finna lämpliga dimensioneringsmetoder för denna dimensioneringssituation utförs först en identifiering möjliga/troliga brottmekanismer. Utifrån identifierade brottmekanismer väljs sedan relevanta dimensioneringsmetoder för preliminära (inledande) beräkningar. En av dessa kan vara att genom bergklassificering med t.ex. Q-systemet uppskatta förstärkningsbehovet (s.k. empirisk design). Empiriska beräkningar kan t.ex. utgöras av tumregler för valvbildande bultning. Analytiska beräkningar kan t.ex. baseras på relativt enkla beräkningsmodeller för att beräkna erforderlig tjocklek på sprutbetong med hänsyn till hur stor volym berg som kan falla ut mellan bultar, med och utan hänsyn taget till vidhäftning mellan berg och sprutbetong, eller att beräkna erforderligt PM_T1-0802-0702-0107.doc 32 (60)
bultbehov för att hänga upp en löskärna i tunneltaket. Ett annat exempel på analytisk beräkningsmetod är valvbildningsteori i blockiga bergmassor och tyngdkraftsbelastade valv av sprutbetong eller betong. Numeriska beräkningar av oförstärkt konstruktion kan t.ex. göras med hjälp av BEM (Boundary Element Method), FEM (Finite Element Method) eller FDM (Finite Difference Method). Val av numerisk beräkningsmetod och beräkningsmodell (kontinuum/diskontinuum samt 2D/3D) bör göras baserat på identifierade brottmekanismer och komplexiteten i geometrin. Baserat på en sammanställning och sammanvägning av resultatet från de "inledande" beräkningarna kan ett preliminärt förstärkningsförslag tas fram. Om dimensioneringsfallet bedöms som "kritiskt" (t.ex. vid dålig bergkvalitet och/eller stor spännvidd och/eller liten bergtäckning) kan det preliminära förstärkningsförslaget analyseras mera i detalj i en förstärkt numerisk modell, vilken utvärderas med hjälp av utvärderingskriterier och ingenjörsmässiga bedömningar. Om det bedöms att förstärkningen kan godtas utgör denna förstärkningsprognosen för den aktuella dimensioneringssituationen. Om det bedöms att förstärkningen inte kan godtas tas ett nytt preliminärt förstärkningsförslag fram och analyseras på nytt i en förstärkt numerisk modell, o.s.v. För att kunna utvärdera de förstärkta numeriska modellerna på ett adekvat sätt krävs dels utvärderingskriterier i form av matematiska villkor, dels ingenjörsmässiga bedömningar. Föreslagen dimensioneringsmetodik kan tillämpas för såväl typförstärkningar som för speciella förstärkningar. I nedanstående avsnitt beskrivs varje delmoment och de olika beräkningsmetoderna i den föreslagna dimensioneringsmetodiken mera i detalj. 10.2 Identifiering av möjliga brott- och deformationsmekanismer Förståelse av brott- och deformaskinsmekanismer är grunden för framtagandet av ett fungerande bergförstärkningssystem. För Citybanans tunnlar, som ligger relativt ytligt och i huvudsakligen iv kristallinskt berg, bör minst följande brottoch deformationsmekanismer beaktas vid dimensionering av bergförstärkning: storskalig överbelastning/plastisering av bergmassan som t.ex. kan bilda löskärna i tak/anfang lokal överbelastning/plastisering av bergmassan som t.ex. kan bilda löst berg mellan bultar i tak/anfang instabila block mellan bultar i tak/anfang och väggar stora instabila block i tak/anfang och väggar uppluckring av väggar p.g.a. spänningsomlagring, vatten etc deformationer som kan leda till skador på närliggande byggnader, anläggningar och installationer. PM_T1-0802-0702-0107.doc 33 (60)
Vid utbyggnaden av tunnelbanan i Stockholm har även andra typer av brottmekanismer förekommit, t.ex. smällberg och successiv uppluckring (s.k. ravelling ground ). Dessa brottmekanismer bedöms inte förekomma särskilt frekvent men bör hållas i minnet såväl under projekteringsskedet som under byggskedet. 10.3 Dimensioneringsmetoder för framtagning av preliminärt förstärkningsförslag Bergklassificering Behovet av bergförstärkning kan uppskattas med hjälp av bergklassificering t.ex. genom användning av Q-index. Metoden är varken kopplad till någon specifik brottmekanism eller till partialkoefficienter, utan till bergkvaliteten uttryckt som Q-index (klassificeringsvärdet) och bergutrymmets ekvivalenta dimension, D e. Dimensionen D e fås fram genom att dividera spännvidden, diametern eller vägghöjden på utbrytningen med en kvantitet kallad "excavation support ratio", ESR. Kvantiteten ESR är relaterad till vad anläggningen är tänkt att användas till samt till vilken grad som viss instabilitet är accepterad. För Citybanans samtliga utrymmen föreslås att ett ESR-värde=1 används i samband med dimensioneringen. Osäkerheterna i bedömningen av förstärkningsbehovet med hjälp av Q-systemet kan antas vara relativt stor varför det inte bedöms vara meningsfullt att välja olika ESR-värden för olika utrymmen. Till Q-systemet finns olika typer av förstärkningsinsatser relaterade, se Figur 10-2. Dessa förstärkningsinsatser har sammanställts ur erfarenheten från väl dokumenterade praktikfall. Att lägga märke till när det gäller uppskattning av förstärkningsbehovet med Q- systemet är att metoden inte tar direkt hänsyn till aktuell bergtäckning eller aktuell sprickgeometri i förhållande till tunnlarnas orientering. Metoden specificerar inte heller vilken bultdiameter som förstärkningen avser. Eftersom metoden baserar sig på case studies av utförd förstärkning i olika situationer, för vilka installerad förstärkning medfört stabila förhållanden, är det oklart vilken säkerhet mot instabilitet förstärkningen medför. Förstärkningen kan alltså ha en säkerhetsfaktor från 1 och uppåt. PM_T1-0802-0702-0107.doc 34 (60)
Figur 10-2 Rekommenderad bergförstärkning enligt Q-systemet (från NGI s webbsite: http://www.ngi.no/files/q.pdf, 2005-02-25). Valvbildande bultning Vid användande av denna dimensioneringsmetod förutsätts det att någon form av löskärna uppstår i bergrummets tak, vilken skall stabiliseras genom att installera förstärkning (bultar) på ett sådant sätt att ett "tryckt" bärande valv skapas, Figur 10-3. Undre gräns för naturligt bärande valv Tryckt bärande valv L s e B Figur 10-3 Beteckningar och princip för valvbildande bultning. PM_T1-0802-0702-0107.doc 35 (60)