T E K N I S K R A P P O RT Temperaturflöden i järnvägstunnlar Glödberget Anna Andrén Lars-Olof Dahlström
Teknisk Rapport Temperaturflöden i järnvägstunnlar Glödberget Anna Andrén Lars-Olof Dahlström Division of Geotechnology Department of Civil, Mining and Environmental Engineering Luleå University of Technology SE - 971 87 Luleå Sweden
Tryck: Universitetstryckeriet, Luleå ISSN: 142-1536 ISBN 978-91-7439-318-7 Luleå 211 www.ltu.se
ABSTRACT During the winter ice is causing major problems in several of the Swedish Transport administrations railway tunnels. Freezing water is forming icicles and pillars that can fall down at track, and grow so large that they intrude on the clearance gauge. Lighting equipment and cables can be broken because of the ice load and tracks can become cowered with ice Periodic freezing can cause frost shattering and this process can cause fall-outs of rock and shotcrete. In order to maintain safety and prevent traffic disruption, many tunnels requiring extensive maintenance. In order to reduce maintenance of the tunnels, improved knowledge about frost penetration and the effects of ice pressure on the load-bearing capacity of the tunnel is required. 22 the University of Gävle and KTH performed a model study to determine the temperature conditions in tunnels. To verify the model study field measurements are carried out in collaboration between the Transport Administration and Luleå University of Technology. This technical report describes the tests conducted so far in the Glödberget tunnel at Nyåker, 8 km south-west of Umeå. Measurements show that the developed models underestimate the frost penetration. Although the tunnel is 168 meters long, the frost penetrates the entire length of the tunnel even if the temperature outside the tunnel is just a few degrees below zero. A contributing factor to why the field measurements and model do not conform can be that the model study is based on a completely uninsulated tunnel. In the Glödberget tunnel a large part of the walls and roof are covered the frost insulated drains. The function of the frost insulated drains is to prevent the cold tunnel air from reaching a leakage point and causing water to turn into ice. However, the insulation does not only prevent the cold air from reaching the rock, but also prevents the heat from the rock mass from entering the tunnel and warming up the cold tunnel air. Consequently, the frost penetrates further into the tunnel than it would do if the heat from the rock mass were allowed to warm up the outside air on its way into the tunnel. The amount of frost insulated drains and how much of the tunnel walls and roof that are covered are thereby affecting the length of the frost penetration. Temperature measurements has been carried out down into the ballast bed. To eliminate the risks with freezing drainage water, the drainage pipes are located at a depth of 2 m under the level of the rails. Measurements show that the temperature does not penetrate as far down as earlier feared and the depth of the pipes in the middle parts of the tunnel could be made shallower, with respect to risk of frost. Temperature measurements behind a frost insulated drain in the middle of the track tunnel, has shown that drains are able to smooth out the temperature changes that occur in the tunnel air. But when the temperature is negative for a longer period, the temperature behind the drain drops below C. Then the drainage ability is reduced due to icing and it can cause frost damage to the drain. Measurements of air temperature in the adjacent service tunnel shows how frost penetration is affected by air movement. The service tunnel is closed with gates at both ends. When the air I
in a tunnel is not exposed to movement, it is heated by geothermal heat and adopt the same temperature as the rock. Rock temperatures usually coincide with the average annual temperature applicable to the area where the tunnel is located. For the Glödberget tunnel there is a very good agreement between the average annual temperature for the area and the measurements performed in the service tunnel. Keywords: frost penetration, ice pressure, frost shattering, temperature measurement, maintenance, railway tunnel. II
SAMMANFATTNING Under vinterhalvåret orsakar is stora problem i flera av Trafikverkets järnvägstunnlar. Vatten som fryser bildar istappar och svallis som kan fall ned i spår samt växa till sådan storlek att de inkräktar på det fria rummet som tågen kräver för att passera genom tunneln. Belysningsarmaturer och kablar bryts sönder på grund av islast och spåren blir isbelagda på grund av takdropp och svallisbildning. Återkommande frysperioder medför att berg och sprutbetong i tak och väggar kan lossna och falla ner. För att upprätthålla säkerheten och förhindra trafikstörningar kräver många tunnlar omfattande underhållsinsatser. För att kunna reducera underhållet i tunnlarna, krävs förbättrad kunskap kring köldinträngning och effekterna av istryck på det bärande huvudsystemet. 22 utförde Högskolan i Gävle och KTH en modellstudie för att bestämma temperaturförhållanden i tunnlar. För att verifiera modellstudien genomförs nu mätningar i fält och projektet utförs i ett samarbete mellan Trafikverket och Luleå Tekniska Universitet. Denna Tekniska rapport redovisar de mätningar som hittills utförts i Glödbergstunneln vid Nyåker som ligger 8 mil sydväst om Umeå. Mätningarna visar att framtagna modeller underskattar köldinträngningen. Trots att tunneln är 168 m lång, sker köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln. En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer kan vara att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta. De frostisolerande dränernas funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör för kylan att tränga längre in i tunneln än vad den skulle ha gjort i fall bergvärmen gavs möjlighet att värma upp den kalla uteluften på dess väg in längs tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, täckningsgraden, påverkar därmed köldinträngningens längd. Mätningar av temperaturer har utförts ned i ballasten. Glödbergstunneln har en undersprängning på 2 m under RUK, med motiveringen att ledningar för exempelvis dräneringsvatten ska vara förlagda på frostfritt djup. Mätningarna visar att temperaturen inte tränger så långt ned som man tidigare befarat och undersprängning i de mittersta delarna av tunneln hade kunnat göras mindre, med avseende på frostrisken. Temperaturmätningarna bakom en frostisolerad drän i mitten av spårtunneln, har visat att dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen. Men då temperaturen är negativ under en längre period kryper även temperaturen bakom dränen under C och då förhindras dräneringsmöjligheten på grund av isbildning och det kan orsaka frostsprängning av dränen. Mätningar av lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln visar tydligt hur köldinträngningen påverkas av luftrörelser. Servicetunneln är stängd med portar mot både uteoch tunnelluft. När luften i en tunnel inte utsätts för rörelse, värms den upp av bergvärmen och antar samma temperatur som berget har. Bergtemperaturen brukar oftast sammanfalla III
men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen. För Glödbergstunneln stämmer detta mycket bra överens med de utförda mätningarna i servicetunneln. Sökord: köldinträngning, istryck, frostsprängning, temperaturmätning, underhåll, järnvägstunnel. IV
INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Tidigare modellstudie... 2 1.3 Syfte... 3 2 FÄLTFÖRSÖK... 4 2.1 Genomförande... 4 2.2 Tunnelobjekt... 4 2.3 Placering av mätutrustning... 5 2.4 Installation av mätutrustning... 8 2.4.1 Förberedelser... 8 2.4.2 Installation av temperaturgivare... 8 2.4.3 Installation av temperaturgivare i ballast... 1 2.4.4 Installation av klimatstation... 11 2.4.5 Installation av vindmätare och lufttryck i spårtunneln... 12 3 RESULTAT... 13 3.1 Temperaturmätningar längs tunneln... 13 3.1.1 Temperaturmätningar sedan start... 13 3.1.2 Lufttemperaturer i tunnelns längdsektion... 15 3.2 Bergtemperaturer... 15 3.3 Temperaturer bakom drän... 2 3.4 Temperaturer i servicetunneln... 22 3.5 Temperaturer i ballast... 24 3.6 Vindhastighet i och utanför tunneln... 27 3.7 Vindriktning utanför tunneln... 28 3.8 Mätningar vid tågpassage... 29 4 ANALYS OCH DISKUSSION... 32 4.1 Jämförelse med modellstudie... 32 4.2 Inverkan av dräner... 34 4.3 Köldinträngning bakom frostisolerad drän... 37 4.4 Temperatur i servicetunneln... 38 4.5 Köldnedträngning i ballast... 38 4.6 Vindhastighet i spårtunnel... 39 4.7 Fortsatt forskning... 41 REFERENSLISTA... 42 V
BILAGA 1 ÅRSMEDELTEMPERATUR... 43 BILAGA 2 KÖLDMÄNGD OCH KLIMATZONER... 44 VI
1 Inledning 1.1 Bakgrund Trafikverket äger och har ansvar för ett stort antal tunnlar och ytterligare stora tunnelprojekt byggs och planeras inom de närmsta 1 till 15 åren. Ett stort underhållsproblem i bergtunnlar, på våra breddgrader, är isbildning under vinterhalvåret. För att förhindra trafikstörningar och säkerställa trafikering under vintern krävs normalt omfattande underhållsinsatser. Bristfälligt underhåll medför isbildning i tak, väggar och på installationer. Isbildning som kan orsaka skador på såväl fordon som installationer. Återkommande frysperioder och isbildning kan orsaka stabilitetsproblem med eventuella ras och blocknedfall som följd. Borttagande av isen är både ett kostsamt och riskfyllt arbete. En exakt kostnad för detta underhåll finns inte eftersom kostnader för bortagande av isen inte redovisas specifikt utan vanligen slås ihop med kostnader för snöröjning. På senare år har Trafikverket märkt en ökning av inrapporterade nedfall av berg och sprutbetong i sina järnvägstunnlar. I och med detta startades en rad forskningsprojekt kring problemen med vattenläckage och isbildning i tunnlar. Denna rapport beskriver ett av de delprojekt som ingår i Trafikverkets forskningsprogram kring ämnet Tätning och frostsäkring i tunnlar. Orsaken till problemet är det vatten som finns i den omgivande bergmassan diskontinuiteter och som rinner/droppar in i tunneln. Vatten som fryser och inte bara bildar isformationer i tak, väggar och på installationer utan även successivt bidrar till nedbrytning av det bärande huvudsystemet (bergmassan och förstärkningen). Om inläckaget kan reduceras och/eller vattnet förhindras från att frysa medför det stora kostnadsbesparingar, färre trafikstörningar och bibehållen säkerhet. Huvudsakligen tätas tunneln med injektering, dels för att klara miljökrav men också för att uppfylla ställda funktionskrav avseende inläckage som finns redovisade i såväl BV Tunnel som Tunnel 25. Miljökravet hanteras idag normalt relativt enkelt med injektering. Dessvärre är det generellt mycket svårt och kostsamt att injektera bergmassan så tät så att funktionskraven uppfylls. I de områden där man, trots injektering, inte lyckats uppfylla funktionskraven installeras lokalt vanligen ett vatten- och frostsäkringssystem för att förhindra dropp och isbildning i trafikutrymmet. Frostsäkringssystemet består av ett isolerande tätmembran som skall leda ner vattnet till dränsystemet i bankroppen och ledas bort. Detta system har visat sig inte alltid uppfylla sitt syfte, utan kan i sig utgöra en risk för trafikstörningar och säker framdrift. Dränerna sätter- eller fryser igen, och börjar läcka. Det finns givna regler i BV Tunnel och Tunnel 25 hur under vilka förutsättningar isoleringen skall dimensioneras. Nedkylningen av tunnelluften sker genom att den kalla uteluften tränger in i tunneln och tunneln exponeras för en viss köldmängd beroende på tunnelns geografiska läge (klimatzon). Förutom utetemperaturen och vindförhållanden kontrolleras köldinträngningen av tunnelns längd och lutning. Lutningen orsakar ett luftflöde genom tunneln som kraftigt påverkar köldinträngningen (skorstenseffekt). Dels ökas omsättningen av kall luft och dels minskar värmeövergångstalet i skiktet luft/berg, och köldinträngningen ökar markant. 1
I ett tidigare projekt Köldinträngning i järnvägstunnlar (Sandberg m.fl., 22) vars syfte var att utveckla en enkel metod för att identifiera köldinträngning i tunnlar visade man i modellförsök att den klart dominerande mekanismen för köldinträngning i tunnlar är det termiska luftflödet. 1.2 Tidigare modellstudie Banverket (numera Trafikverket) inledde 1999 ett forskningsprojekt Köldinträngning i järnvägstunnlar tillsammans med Högskolan i Gävle och KTH (Sandberg m.fl., 22). Syftet med projektet var att finna en praktisk och enkel metod för att identifiera de tunnelavsnitt där lufttemperaturen varaktigt är under C. Köldinträngning i en tunnel sker på grund av att tunnelluften sätts i rörelse. Luftrörelserna i tunneln skapas i huvudsak av tre orsaker: Termiskt genererade luftflöden: Berget har en annan temperatur än uteluftens temperatur och värmer upp tunnelluften. Tunnelluften blir varmare och lättare än uteluften och på så sätt uppstår en tryckskillnad som genererar ett luftflöde (skorstenseffekten). Luftflödet är beroende av tunnelns längd, tunnelsektionens höjd samt höjdskillnaderna mellan tunnelmynningarna, det vill säga tunnelns lutning. Tåg som körs genom tunneln: Är bland annat beroende av tunnelns längd och utformning, tågsättets längd och hastighet, friktion mellan luft och tunnelvägg samt tågets area i förhållande till tunnelns area. Vind som skapar en tryckskillnad mellan tunnelmynningarna: Uppstår genom att vinden utövar en kraft på tunnelluften och genererar en tryckskillnad mellan tunnelmynningarna. Ett övertryck skapas vid den mynning som utsätts för vind och ett undertryck uppstår om den andra tunnelmynningen ligger i lä. Slutrapporten för projektet visade att den dominerande orsaken till köldinträngning i de flesta tunnlar är det ständigt pågående termiskt genererade luftflödet. Vid korta tunnlar däremot, där höjdskillnaden mellan tunnelmynningarna är relativt liten, är det vinden som genererar den dominerande luftströmningen genom tunneln. Här kan hela tunneln bli exponerad för samma temperaturförhållanden som utanför tunneln. Luftflöden på grund av tågtrafik visade sig ha liten inverkan på köldinträngningen. I Figur 1.1a visas temperaturfördelningen längs en tunnel. Sträckan för köldinträngningen (X ) beror bland annat av lufttemperaturen utanför tunneln (T ) och bergets temperatur (T B ). I slutrapporten presenteras ett flertal diagram som visar hur sträckan för köldinträngningen varierar. I Figur 1.1b visas ett exempel på dessa diagram som gäller för den lägre belägna tunnelmynningen för en lutande tunnel. 2
2-25 -2-15 -1-5 Utomhustemperatur T [ C] a) b) Figur 1.1 a) Temperaturfördelning längs en tunnel (Sandberg m.fl., 22) b) Köldinträngning vid den lägre belägna tunnelmynningen för en lutande tunnel (Sandberg m.fl., 22) 1.3 Syfte Flera projekt genom Trafikverket och BeFo:s 1 försorg pågår med det övergripande syftet att kartlägga behovet av underhåll i gamla, nya och framtida bergtunnlar. Detta görs för att utveckla tekniker och metoder för att minska och effektivisera underhållet och därmed förhindra trafikstörningar, minska skador på fordon och installationer etc. som frysning och nedisning orsakar. En del i det arbete som krävs för att i slutändan kunna minska nödvändigt underhåll orsakat av nedisning och sönderfrysning, är att erhålla kunskap och data för stöd vid dimensionering av det bärande huvudsystemet, dräner och andra installationer i samband med både underhåll/renovering och nyproduktion av tunnlar. Detta projekt syftar bland annat till att genom temperaturmätning i tunnlar verifiera den temperaturmodell som tidigare framtagits i laboratorieskala samt analysera de verkliga temperaturförhållandena längs tunneln. Därmed fås trovärdig information för att kunna bestämma temperaturförhållanden som underlag för dimensionering av dränsystem och det bärande huvudsystemet ur ett underhållsperspektiv. X [m] 6 5 4 3 T =+8 C B T =+3 C B T =+5 C B 1 BeFo Stiftelsen Bergteknisk Forskning 3
2 Fältförsök 2.1 Genomförande Projektet har genomförts som en fältundersökning där temperaturer, lufthastigheter och lufttryck har mätts i och utanför tunneln längs givna mätsektioner. Mätningar registreras var 1:e minut och lagras i logger som regelbundet laddas ned manuellt via nätet till Trafikverket. Mätresultat har redovisats regelbundet i statusrapporter. För de mätstationer som sitter i spårtunneln kan en programslinga aktiveras, som loggar mätvärden varje/varannan sekund. De värden som lagras är lufttemperatur, vindhastighet och lufttryck. Mätvärdena används för att studera vad som händer i tunnelluften när ett tåg passerar genom tunneln. Utformningen och konfigurationen av mätsystemet har utvecklats utifrån möjligheten att studera effekten av de olika fenomen som huvudsakligen tros påverka temperaturflöden i en bergtunnel, luftflöden orsakade av: tunnelns utformning (lutning) tåg som körs genom tunneln vind och vindriktning utanför tunneln. 2.2 Tunnelobjekt För att öka förståelsen och för att validera de modeller som tagits fram, utförs nu fullskaleförsök genom fältmätningar i några befintliga järnvägstunnlar. På våren 26 installerades det första mätsystemet i Åsatunneln, 5 mil söder om Göteborg, och under slutet av år 26 installerades det andra mätsystemet i Glödbergstunneln vid Nyåker, 8 mil sydväst om Umeå. Mätningarna i Glödberget inleddes 27-2-24 och denna rapport behandlar endast Glödbergstunneln (Figur 2.1a). Resultaten från mätningarna i Åsatunneln redovisas i en separat statusrapport (Andrén, 28). 4
a) b) Figur 2.1 a) Den södra mynningen vid Glödbergstunneln b) Karta över järnvägsnätet mellan Örnsköldsvik och Umeå med Glödbergstunneln vid Nyåker markerad Glödbergstunneln är en enkelspårstunnel med längden 168 m som ligger nära Nyåker, 8 mil sydväst om Umeå (Figur 2.1b) på bandel 129. Södra mynningen ligger på sektion km 816+16 och norra mynningen ligger på km 817+84. Tunneln lutar från den södra mynningen ned mot den norra mynningen och höjdskillnaden är 21 m, vilket ger en lutning på 12,5. Tunneln består av betongtunnel mellan km 816+16 till km 816+22. Därefter är det bergtunnel fram till km 817+57 och tunneln avslutas med betongtunnel mellan km 817+57 till km 817+84. Tunnelns höjd är 7,2 m ovan RUK och bredden är 8 m. 2.3 Placering av mätutrustning Den mätutrustning som finns installerad i Glödbergtunneln mäter luft-, yt- och bergtemperaturer, vindhastigheter samt lufttryck. Lufttemperatur mäts ca 1-2 cm från tunnelväggen, yttemperatur sitter installerad på tunnelväggen och bergtemperatur sitter installerad i borrhål som i Glödberget finns på två djup, 1 respektive 5 cm (Figur 2.2). 1-2 cm 1 cm 5 cm Figur 2.2 Placering av temperaturgivare på och i tunnelvägg 5
En klimatstation finns uppsatt strax utanför tunnelns södra mynning. Där mäts lufttemperatur, vindhastighet, vindriktning och luftfuktighet. I spårtunneln sitter luft- och yttemperaturgivare installerade i nio sektioner längs tunnelsträckningen. Bergtemperatur mäts i fyra sektioner längs tunneln, vindhastighet mäts i tre sektioner och lufttryck mäts i två sektioner. I Glödberget görs även temperaturmätning ned i ballasten på,5 m, 1 m och 2 m djup i två sektioner, temperaturmätning bakom en frostisolerad dränmatta samt mätning av luft- och yttemperatur i den intilliggande servicetunneln. Instrument och placering i tunneln är sammanställd i Tabell 2.1, Tabell 2.2 och Figur 2.3. Tabell 2.1 Placering av temperaturgivare för luft-, yt- och bergtemperatur Sektion Luft Yta 1 och 5 cm in i berg I ballast Södra mätstationen 5 m in från söder 816 X X 1 m in från söder 816 X X 2 m in från söder 816 X X X 3 m in från söder 816 X X X X Mittersta mätstationen Servicetunnel 816 X X Bakom drän 816 99 X Tunnelmitt 84 m 817 X X X X Norra mätstationen 3 m in från norr 817 54 X X X 2 m in från norr 817 64 X X 1 m in från norr 817 74 X X 5 m in från norr 817 79 X X Tabell 2.2 Placering av mätare för tryck och vindhastighet Sektion Vindhastighet Tryck 1 m in från söder 816 17 X 15 m in från söder 816 31 X Mitten av tunneln 817 X 15 m in från norr 817 69 X 1 m in från norr 817 83 X 6
Figur 2.3 Sektionsangivelser för mätare i och utanför tunneln 7
2.4 Installation av mätutrustning 2.4.1 Förberedelser Den 5 december 26 började PEAB förbereda för installation av de temperaturgivare som skulle placeras i berg. Två borrhål (1 respektive 5 cm djupt) borrades i fyra sektioner i tunneln enligt Tabell 2.1. I sektion km 816+985 skedde borrning genom sprutbetong och dränmatta, för montering av temperaturgivare bakom en isolerad dräneringsmatta. PEAB ansvarade även för grundläggning av fundament och montering av en 1 m hög fackverksmast för en klimatstation. Fundamentet och masten installerades den 7 december 26 (Figur 2.4). Figur 2.4 Mast för klimatstation vid södra mynningen 2.4.2 Installation av temperaturgivare Samtliga temperaturgivare installerades av Banverket Produktion Tele i Vännäs. Temperaturgivarna för luft-, yt- och bergtemperatur placerades i sektioner enligt Tabell 2.1. I Figur 2.5 visas hur temperaturgivarna är monterade på bergväggen samt på handledaren. Handledare sitter ca 1,2 m över gångbanans yta och ca 2 cm ut från tunnelväggen. 8
Yttemperatur Bergtemperatur 1 cm 1 Bergtemperatur 5 cm Lufttemperatur Figur 2.5 Montering av temperaturgivare (km 816+46). Givare är installerade på handledare (ca 2 cm från bergytan, på bergytan och 1 cm respektive 5 cm in i berget) Temperaturgivare installerades även bakom en frostisolerad dränmatta i sektion km 816+99. Detta gjordes för att kontrollera temperaturskillnaden mellan luften i spårtunneln och luft uppvärmd av bergvärmen bakom en drän (Figur 2.6a). För att få ytterligare information avseende luftrörelsernas inverkan på temperaturen, så utfördes temperaturmätning av yt- och lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln (Figur 2.6b). Ingången till servicetunneln ligger på sektion km 816+96 och servicetunneln har stängda portar i båda ändar. Detta leder till att luftrörelserna i servicetunneln är blockerade till skillnad från luftrörelserna i spårtunneln. 9
a) b) Figur 2.6 a) Montering av temperaturgivare bakom drän (km 816+99) b) Montering av temperaturgivare i servicetunnel med ingång från mitten av spårtunneln 2.4.3 Installation av temperaturgivare i ballast Installation av temperaturgivare i ballast utfördes den 12 december 26. Ansvarig för monteringen av temperaturgivarna ned i ballasten var Banverket Projektering i Luleå. Temperaturgivarna monterades i två mätsektioner km 816+46 (3 m in från södra mynningen) och km 816+995 (i mitten av tunneln) enligt Tabell 2.1 och installerades på nivåerna,5 m, 1 m och 2 m djup under RUK. Dessa givare placerades i spårmitt, för att på bästa sätt klara eventuella spårjusteringar. Borrning i ballasten skedde med borrbandvagn (Geotech 64D årsmodell 2 med foderrör ODEX 9 mm) ned till nivån 2 m under RUK. Därefter sänktes temperaturgivarna ned i foderröret (Figur 2.7) och röret fylldes med filtersand. Efter installationen drogs foderröret upp och montering av kablar i skyddsrör skedde på sliper, under räl och genom kabelränna på högersida, för att sedan anslutas till mätskåpen på tunnelns högra vägg (Figur 2.8). 1
Figur 2.7 Borrning i spårmitt (km 816+46) samt nedsänkning av temperaturgivare Figur 2.8 Genomföring kabelränna vid km 816+995 fotograferat från norr mot söder 2.4.4 Installation av klimatstation På den mast som finns monterad utanför den södra tunnelmynningen finns en klimatstation installerad. Här mäts vindhastighet, vindriktning, lufttemperatur och luftfuktighet. Vindhastighet och vindriktning mäts i mastens topp, som är belägen 1 m ovanför markytan. Lufttemperatur och luftfuktighet mäts ca 1,5 m ovan markyta och utrustningen sitter monterad i ett strålningsskydd, som skyddar mot direkt solstrålning och nederbörd (Figur 2.9). 11
a b Figur 2.9 a) Mätare för vindhastighet och vindriktning b) Mätare för temperatur och luftfuktighet 2.4.5 Installation av vindmätare och lufttryck i spårtunneln Vindhastigheten mäts i tre sektioner längs spårtunneln enligt Tabell 3.2. Vindmätarna är placerade på en stålställning ca 2,5 m över RÖK och sitter ca 3 cm ut från tunnelväggen (Figur 2.1). Figur 2.1 Mätare för vindhastighet 1 m in från norra mynningen (km 817+83) 12
Det finns fyra mätskåp installerade vid Glödbergstunneln (Figur 2.11). Ett för varje mätstation inne i spårtunneln och ett i teknikhuset utanför södra mynningen, som sköter mätvärdena från masten. I det norra och södra skåpet i spårtunneln sitter även en tryckmätare monterad. Figur 2.11 Mätskåp i tunneln (km 816+31) 3 Resultat Mätningarna startades 27-2-24. De flesta diagram i denna rapport redovisar mätningar mellan datumen 27-1-1 till 28-6-1 samt 28-1-1 till 29-6-1, för att framförallt analysera och redovisa hela vinterperioder. Mätningarna pågår fortfarande och vissa övergripande diagram visar mätresultat som sträcker sig förbi de ovanstående mätperioderna. 3.1 Temperaturmätningar längs tunneln 3.1.1 Temperaturmätningar sedan start Temperaturer har mätts i nio sektioner in längs tunneln (Tabell 2.1) och nedan redovisas utvalda mätserier från mätdatabasen under perioden 27-2-24 till 21-2-24. I Figur 3.1 visas lufttemperaturmätningarna och i Figur 3.2 visas mätresultat av yttemperatur. De enskilda mätserierna är svåra att urskilja i diagrammen, men de ger en bild av hur temperaturen varierat över åren. De visar att temperaturerna var lägre under vintern 28/29 än 27/28 samt att det var längre perioder med varaktig temperatur under C. Vintern 29/21 visar ännu lägre temperaturer. 13
Lufttemperatur längs tunneln 3 2 1 Dygnsmedeltemperatur -1 7-2-24 7-4-24 7-6-24 7-8-24 7-1-24 7-12-24 8-2-24 8-4-24 8-6-24 8-8-24 8-1-24 8-12-24 9-2-24 9-4-24 9-6-24 9-8-24 9-1-24 9-12-24 1-2-24-2 -3-4 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp 5 m in km 816+21 Lufttemp 1 m in km 816+264 Lufttemp 2 m in km 816+364 Lufttemp 3 m in km 816+458 Lufttemp mitten 84 m in km 816+995 Lufttemp 3 m in km 817+54 Lufttemp 2 m in km 817+64 Lufttemp 1 m in km 817+74 Lufttemp 5 m in km 817+79 Figur 3.1 Lufttemperaturer i Glödbergtunneln från 27-2-24 till 21-2-24 Yttemperatur längs tunneln 3 2 1 Dygnsmedeltemperatur -1 7-2-24 7-5-24 7-8-24 7-11-24 8-2-24 8-5-24 8-8-24 8-11-24 9-2-24 9-5-24 9-8-24 9-11-24 1-2-24-2 -3-4 Datum Temperatur utanför tunneln Yttemp 5 m in km 816+21 Yttemp 1 m in km 816+264 Yttemp 2 m in km 816+364 Yttemp 3 m in km 816+458 Yttemp mitt km 816+995 Yttemp 3 m in km 817+54 Yttemp 2 m in km 817+64 Yttemp 1 m in km 817+74 Yttemp 5 m in km 817+79 Figur 3.2 Yttemperaturer i Glödbergtunneln från 27-2-24 till 21-2-24 14
3.1.2 Lufttemperaturer i tunnelns längdsektion I Figur 3.3 visas lufttemperaturen vid de olika mätstationerna in längs tunneln under några dagar i mars 29. Till vänster ligger den södra tunnelmynningen och till höger ligger den norra mynningen. Tunnelns längd är 168 m lång och finns angiven på x-axeln. Den temperatur som anges vid de båda mynningarna är den temperatur som har mätts vid masten utanför den södra mynningen. Lufttemperatur längs Glödbergstunneln 4 2 Dygnsmedeltemperatur 2 4 6 8 1 12 14 16-2 -4-6 -8 29-3-2 29-3-21 29-3-22 29-3-23 29-3-24 29-3-25 29-3-26-1 -12-14 Antal meter in längs tunneln (södra mynningen till vänster) Figur 3.3 Lufttemperatur in längs Glödbergtunneln under några dagar i mars 29 De hittills utförda mätningarna visar att kylan tränger längre in i tunnlarna än tidigare antaganden. I Figur 3.3 visar mätningarna att trots att tunneln är 168 m lång, sker en köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln. Kylan tränger in längre från den lägre belägna mynningen som är den norra. Norra mynningen ligger 21 m lägre än den södra mynningen och den av bergmassan uppvärmda tunnelluften stiger uppåt mot den södra tunnelmynningen (vänster sida i diagrammet). 3.2 Bergtemperaturer Bergtemperatur har mätts i fyra sektioner längs tunneln. I efterföljande diagram visas luft-, ytoch bergtemperaturer (1 cm respektive 5 cm in i berget) för de fyra sektionerna vid de två vinterperioderna 27/28 och 28/29. Vid sektion 2 m in från södra mynningen visar troligtvis temperaturgivaren vid 5 cm in i berget ca 5 C fel, men då givaren är ingjuten kan inte kalibrering ske i efterhand. En manuell 15
justering har gjorts genom att addera 5 C till samtliga mätvärden för den aktuella temperaturgivaren. I Figur 3.4 och Figur 3.5 visas de justerade mätvärdena för denna givare. I vissa figurer visar mätningarna avbrott i mätserierna och orsaken är oftast problem i loggern och kommunikationen med Trafikverket. Mätdata saknas vid den södra mätstationen mellan följande datum, 28-4-9 till 28-5-8, 29-5-8 till 29-5-27. För den mittersta mätstationen saknas mätdata för perioden 29-4-24 till 29-5-17. För den norra mätstationen saknas mätdata för perioden 29-5-8 till 29-5-23. Temperaturmätningarna visar att berget fryses ned relativt snabbt även vid 5 cm in i berget vid relativt små temperatursänkningar av tunnelluften. På motsvarande sätt tinar även bergmassan upp snabbt när temperaturen höjs över C. Temperaturer in i berg vid 2 m in från södra mynningen 15 1 Dygnsmedeltemperatur 5 7-1-1 7-11-1 7-12-1 8-1-1 8-2-1 8-3-1 8-4-1 8-5-1 8-6-1-5 -1 Datum Lufttemp 2 m in km 816+364 Yttemp 2 m in km 816+364 Bergtemp 1 cm, 2 m in km 816+364 Justerad Bergtemp 5 cm, 2 m in km 816+364 Figur 3.4 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 2 m in från södra mynningen under perioden 27-1-1 till 28-6-1 OBS justerad bergtemperatur vid 5 cm 16
Temperaturer in i berg vid 2 m in från södra mynningen 28/29 2 15 1 Dygnsmedeltemperatur 5-5 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1-1 -15 Datum Lufttemp 2 m in km 816+364 Yttemp 2 m in km 816+364 Bergtemp 1 cm, 2 m in km 816+364 Justerad Bergtemp 5 cm, 2 m in km 816+364 Figur 3.5 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 2 m in från södra mynningen under perioden 28-1-1 till 29-6-1 OBS justerad bergtemperatur vid 5 cm Temperaturer in i berg vid 3 m in från södra mynningen 14 12 1 8 Dygnsmedeltemperatur 6 4 2-2 7-1-1 7-11-1 7-12-1 8-1-1 8-2-1 8-3-1 8-4-1 8-5-1 8-6-1-4 -6 Datum Lufttemp 3 m in km 816+458 Yttemp 3 m in km 816+458 Bergtemp 1 cm, 3 m in km 816+458 Bergtemp 5 cm, 3 m in km 816+458 Figur 3.6 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 3 m in från södra mynningen under perioden 27-1-1 till 28-6-1 17
Temperaturer in i berg vid 3 m in från södra mynningen 28/29 2 15 1 Dygnsmedeltemperatur 5-5 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1-1 -15 Datum Lufttemp 3 m in km 816+458 Yttemp 3 m in km 816+458 Bergtemp 1 cm, 3 m in km 816+458 Bergtemp 5 cm, 3 m in km 816+458 Figur 3.7 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 3 m in från södra mynningen under perioden 28-1-1 till 29-6-1 Temperaturer in i berg vid mittersta mätstationen 12 1 8 Dygnsmedeltemperatur 6 4 2-2 7-1-1 7-11-1 7-12-1 8-1-1 8-2-1 8-3-1 8-4-1 8-5-1 8-6-1-4 -6 Datum Lufttemp mitt km 816+995 Yttemp mitt km 816+995 Bergtemp 1 cm, mitt km 816+995 Bergtemp 5 cm, mitt km 816+995 Figur 3.8 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid mitten av tunneln under perioden 27-1-1 till 28-6-1 18
Temperaturer in i berg vid mittersta mätstationen 28/29 12 8 Dygnsmedeltemperatur 4-4 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1-8 -12 Datum Lufttemp mitt km 816+995 Yttemp mitt km 816+995 Bergtemp 1 cm, mitt km 816+995 Bergtemp 5 cm, mitt km 816+995 Figur 3.9 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid mitten av tunneln under perioden 28-1-1 till 29-6-1 I Figur 3.1 visar mätningarna ett avbrott i mätserien för yttemperaturen kring mitten av februari. Orsaken var ett kabelbrott, vilket inte uppmärksammades i tid. Ny kabel installerades i mitten av december 28. Temperaturer in i berg vid 3 m in från norra mynningen 1 5 Dygnsmedeltemperatur -5 7-1-1 7-11-1 7-12-1 8-1-1 8-2-1 8-3-1 8-4-1 8-5-1 8-6-1-1 -15 Datum Lufttemp 3 m in km 817+54 Yttemp 3 m in km 817+54 Bergtemp 1 cm, 3 m in km 817+54 Bergtemp 5 cm, 3 m in km 817+54 Figur 3.1 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 3 m in från norra mynningen under perioden 27-1-1 till 28-6-1 19
Temperaturer in i berg vid 3 m in från norra mynningen 28/29 1 5 Dygnsmedeltemperatur -5-1 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1-15 -2 Datum Lufttemp 3 m in km 817+54 Yttemp 3 m in km 817+54 Bergtemp 1 cm, 3 m in km 817+54 Bergtemp 5 cm, 3 m in km 817+54 Figur 3.11 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 3 m in från norra mynningen under perioden 28-1-1 till 29-6-1 3.3 Temperaturer bakom drän I mitten av spårtunneln finns en temperaturgivare installerad bakom en frostisolerad drän. Dränen består av dubbla PE-mattor och har en total tjocklek på 14 mm. Dränen är sprutad med tre lager sprutbetong med en total tjocklek på 8 mm. I Figur 3.12 jämförs temperaturen bakom dränen dels med lufttemperaturer utanför tunneln, dels med lufttemperaturen i mitten av spårtunneln. Mätningarna visar att den isolerade dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen och att området bakom dränen är ofruset under vintern 27/28. Dock sjunker temperaturen ständigt bakom dränen under hela köldperiodens längd. Det är osäkert ifall dränen klarar av att hålla temperaturen över fryspunkten när temperaturen i tunnelluften är negativ under en längre sammanhållande tidsperiod. 2
Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergtunneln 2 15 1 Lufttemperatur (dygnsmedel) 5-5 7-1-1 7-11-1 7-12-1 8-1-1 8-2-1 8-3-1 8-4-1 8-5-1 8-6-1-1 -15-2 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitten 84 m in km 816+995 Temp bakom drän mitt km 816+985 Figur 3.12 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 27-1-1 till 28-6-1 I Figur 3.13 visas de inledande mätningarna som startades i februari 27. Temperaturen bakom dränen började registreras 27-2-24 och låg då under C. Mätningarna av lufttemperaturen utanför tunneln påbörjades 27-2-22 och visar att temperaturen låg under - 22 C. Utetemperaturen hade då varit relativt låg under en längre period, vilket lett till att temperaturen bakom dränen sjunkit under C. Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergtunneln 15 1 5 Lufttemperatur (dygnsmedel) -5-1 7-2-22 7-3-1 7-3-8 7-3-15 7-3-22 7-3-29 7-4-5 7-4-12 7-4-19 7-4-26 7-5-3 7-5-1 7-5-17 7-5-24 7-5-31-15 -2-25 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitten 84 m in km 816+995 Temp bakom drän mitt km 816+985 Figur 3.13 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och tunnelluftens temperatur under perioden 27-2-22 till 27-6-1 21
Under vinterperioden 28/29 var temperaturen bakom dränen vid ett fåtal dagar under C. Denna situation uppstod i slutet av februari 28, då temperaturen i tunneln under en längre tidsperiod legat under C, se Figur 3.14. Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergtunneln 28/29 2 15 1 Lufttemperatur (dygnsmedel) 5-5 -1 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1-15 -2-25 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Temp bakom drän mitt km 816+985 Figur 3.14 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och tunnelluftens temperatur under perioden 28-1-1 till 29-6-1 3.4 Temperaturer i servicetunneln I mitten av spårtunneln finns en ingång till den intilliggande servicetunneln och ca 1 m in i servicetunneln finns temperaturgivare för luft- och yttemperatur installerade. Servicetunneln är stängd med portar mot både ute- och tunnelluft, vilket leder till att luften i servicetunneln inte utsätts för rörelser på samma sätt som luften i spårtunneln. Mätningarna visar att temperaturen i servicetunneln nästan inte alls varierar över året, utan ligger kring 2-3 C oavsett temperatur utanför tunneln. Detta motsvarar bergets normaltemperatur och det sammanfaller oftast men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen. Enligt SMHI:s årsmedeltemperaturkarta (se Bilaga 1) ligger årsmedel mellan 2-3 C i det område där tunneln är lokaliserad, vilket stämmer bra överens med de utförda mätningarna. 22
Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln 2 15 1 Lufttemperatur (dygnsmedel) 5-5 7-1-1 7-11-1 7-12-1 8-1-1 8-2-1 8-3-1 8-4-1 8-5-1 8-6-1-1 -15-2 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitten 84 m in km 816+995 Lufttemp servicetunnel mitt km 816+96 Figur 3.15 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 27-1-1 till 28-6-1 Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln 28/29 2 15 1 Lufttemperatur (dygnsmedel) 5-5 -1 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1-15 -2-25 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Lufttemp service-tunnel mitt km 816+96 Figur 3.16 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 27-1-1 till 28-6-1 23
I Figur 3.17 visas tydligt hur temperaturen konstant ligger kring 2-3 C trots att vinterperioderna blir kallare och kallare vartefter mätningen fortgår. Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln 3 2 Lufttemperatur (dygnsmedel) 1-1 -2 7-2-24 7-5-24 7-8-24 7-11-24 8-2-24 8-5-24 8-8-24 8-11-24 9-2-24 9-5-24 9-8-24 9-11-24 1-2-24-3 -4 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Lufttemp service-tunnel mitt km 816+96 Figur 3.17 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under hela mätperioden 27-2-24 till 21-2-24 3.5 Temperaturer i ballast Temperaturer har mätts ned i ballasten i två sektioner i spårtunneln, dels 3 m in från den södra mynningen och dels i mitten av tunneln. I Figur 3.18 och Figur 3.19 visas hur temperaturen på 2 m djup är relativt opåverkad av utetemperaturen samt lufttemperaturen vid 3 m in från mynningen, medan temperaturen på,5 m och 1 m djup tydligare följer temperatursvängningarna i lufttemperaturen. Temperaturen vid dessa nivåer är ibland under C. I Figur 3.2 är samtliga temperaturkurvor i ballasten relativt opåverkade av svängningarna i lufttemperaturen ovanför ballasten och ingen av givarna visar under C trots att lufttemperaturen i mitten av tunneln ibland går ned mot -4 C. I Figur 3.21 visar givaren på,5 m djup att temperaturen är under C för en längre tidsperiod, men på 1, m djup är temperaturen aldrig under C. 24
Temperatur ned i ballasten 3 m in från södra mynningen i Glödbergstunneln 2 15 1 Temperatur (dygnsmedel) 5-5 7-1-1 7-11-1 7-12-1 8-1-1 8-2-1 8-3-1 8-4-1 8-5-1 8-6-1-1 -15-2 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp 3 m in km 816+458 Temp i ballast,5 m, 3 m in km 816+458 Temp i ballast 1, m, 3 m in km 816+458 Temp i ballast 2, m, 3 m in km 816+458 Figur 3.18 Temperatur i ballasten 3 m in från södra mynningen i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen vid aktuell sektion under perioden 27-1-1 till 28-6-1 Temperatur ned i ballasten 3 m in från södra mynningen i Glödbergstunneln 28/29 2 15 1 Temperatur (dygnsmedel) 5-5 -1 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1-15 -2-25 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp 3 m in km 816+458 Temp i ballast,5 m, 3 m in km 816+458 Temp i ballast 1, m, 3 m in km 816+458 Temp i ballast 2, m, 3 m in km 816+458 Figur 3.19 Temperatur i ballasten 3 m in från södra mynningen i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen vid aktuell sektion under perioden 28-1-1 till 29-6-1 25
Temperatur ned i ballasten i mitten av Glödbergstunneln 2 15 1 Temperatur (dygnsmedel) 5-5 7-1-1 7-11-1 7-12-1 8-1-1 8-2-1 8-3-1 8-4-1 8-5-1 8-6-1-1 -15-2 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitten 84 m in km 816+995 Temp i ballast,5 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 1, m, mitt km 816+995 Temp i ballast 2, m, mitt km 816+995 Figur 3.2 Temperatur i ballasten i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 27-1-1 till 28-6-1 Temperatur ned i ballasten i mitten av Glödbergstunneln 28/29 2 15 1 Temperatur (dygnsmedel) 5-5 -1 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1-15 -2-25 Datum Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Temp i ballast,5 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 1, m, mitt km 816+995 Temp i ballast 2, m, mitt km 816+995 Figur 3.21 Temperatur i ballasten i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 28-1-1 till 29-6-1 26
3.6 Vindhastighet i och utanför tunneln I Figur 3.22 och Figur 3.23 visas vindhastigheten i och utanför tunneln. I början av mätperioden saknas mätvärden från den södra vindmätaren i tunneln. Det berodde på ett kabelbrott som inte uppmärksammades i tid. Mätresultaten mellan den 28-4-9 till 28-1-29 har justerats i nedanstående diagram, på grund av att det mätprogram som laddades ned under den perioden gav felaktiga värden. Justeringen bestod i att mätvärden dividerades med 2, då det felande mätprogrammet gav ökade värden med en faktor 2. Mätningarna visar att toppar och dalar för de olika mätserierna följer varandra till viss del, men att vindhastigheten utanför tunneln inte nämnvärt påverkar vindhastigheten i tunneln. Vindhastigheten är lägre i den mittersta delen av tunneln (grön kurva), än vid mynningarna och den högsta vindhastigheten uppstår vid den södra mätstationen (rosa kurva). Att det är högst vindhastighet vid den södra mätstationen kan bero på att den ligger vid den högre belägna mynningen. Hit stiger den varma luften vilket orsakar mer luftrörelser än i den lägre belägna mynningen (blå kurva). Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln 8 7 6 5 4 3 2 1 7-2-22 7-4-22 7-6-22 7-8-22 Vindhastighet m/s 7-1-22 7-12-22 8-2-22 8-4-22 8-6-22 8-8-22 8-1-22 Datum Vindhastighet utanför tunneln Justerad vindhastighet söder km 816+17 Vindhastighet mitt km 817+ Vindhastighet norr km 817+83 Figur 3.22 Vindhastighet i och utanför tunneln under perioden 27-2-22 till 28-1-29 (vindhastighet justerad från 28-4-9 till 28-11-29) 27
Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln 28/29 5 5 4 4 Vindhastighet m/s 3 3 2 2 1 1 8-1-1 8-11-1 8-12-1 9-1-1 9-2-1 9-3-1 9-4-1 9-5-1 9-6-1 Datum Vindhastighet utanför tunneln Vindhastighet söder km 816+17 Vindhastighet mitt km 817+ Vindhastighet norr km 817+83 Figur 3.23 Vindhastighet i och utanför tunneln under perioden 28-1-1 till 29-6-1 (vindhastighet justerad fram till 28-11-29) 3.7 Vindriktning utanför tunneln I Figur 3.24 visas dominerande vindriktningar vid Glödbergtunneln: De utgörs dels av sydliga vindar som ligger mellan 16-18, dels nordvästliga mellan 28-32. Dominerande vindriktning Glödberget 36 3 33 3435 32 31 1 2 3 4 5 6 29 7 28 27 26 8 9 1 Dominerande vindriktning Tunnelns sträckning 25 11 24 23 22 21 2 19 18 12 13 14 15 16 17 Figur 3.24 Den dominerande vindriktningen vid Glödberget från februari 27 till februari 21 28
I diagrammet finns även tunnelns sträckning i förhållande till norr inritad. Tunnelmynningarna ligger 43 och 223 från norr och då dominerande vindriktning inte ligger i tunnelns sträckning så påverkas inte luftrörelserna i tunnelluften till någon större del av vinden. Vid de få tillfällen då vindriktningen sammanfaller med någon av tunnelmynningarnas riktning, fås en liten ökning av vindhastigheten vid mätstationen för aktuell mynning. Men det ger inte någon påverkan genom hela tunneln. 3.8 Mätningar vid tågpassage För de mätstationer som sitter i spårtunneln kan en programslinga aktiveras, som loggar mätvärden varje/var tredje sekund. De värden som lagras är lufttemperatur, vindhastighet och lufttryck. Programslingan startas manuellt från Trafikverket och används för att studera vad som händer i tunnelluften när ett tåg passerar genom tunneln. Nedan redovisas den mätserie från 21-1-28. Under mätserien passerade fyra tåg, enligt Tabell 3.1. Tabell 3.1 Tåg i Glödbergstunneln 21-1-28 Kl Tågnr Tågslag Riktning Vikt Längd ca 8: ca 8:35 ca 9: ca 9:3 9126 Godståg Norrgående 913 t 57 m 4373 Godståg Norrgående 682 t 61 m 9115 Godståg Södergående 252 t 378 m 431 Godståg Norrgående 79 t 295 m I Figur 3.25 visas mätstationernas ungefärliga placering i tunnel samt vilken riktning tågpassage sker i tunneln vid norr- respektive södergående tåg. Figuren visar även att den södra mynningen är den högt belägna mynningen och därför stiger den uppvärmda tunnelluften mot söder. Figur 3.25 Mätstationernas placering och riktningsangivelse för söder- respektive norrgående tåg 29
Den tredje tågpassagen i tunneln (ca 9:) skiljer sig från de andra då detta tåg är södergående istället för norrgående. Detta tåg var även mycket tyngre än de andra och hade troligtvis lägre hastighet, därav uppstod mindre störning på vindlaster och tryck (se Figur 3.26, Figur 3.27 och Figur 3.28). Södra stationen Glödberget 21-1-28 2 norrgående norrgående södergående norrgående 99 15 Temperatur ( C) / Vindhastighet (m/s) 1 5-5 7:46: 8:1: 8:16: 8:31: 8:46: 9:1: 9:16: 9:31: 98 97 96 95 Lufttryck (hpa) -1 94-15 Tid Lufttemp 5 m in km 816+21 Lufttemp 1 m in km 816+264 Lufttemp 2 m in km 816+364 Lufttemp 3 m in km 816+458 Vindhastighet km 816+17 Lufttryck 93 Figur 3.26 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Södra mätstationen 21-1-28 Vid den södra mätstationen sänks temperaturen vid tågpassage för de norrgående tågen, medan det för det södergående tåget nästan inte sker någon temperaturförändring alls (Figur 3.26). Faktum är att tunnelluften vid den södra delen av tunneln är varmare än både uteluften och tunnelluften i den norra änden (jämför normaltemperaturen ca - 5 C i Figur 3.26 med ca - 12 C i Figur 3.27), eftersom den södra tunnelmynningen ligger högre än den norra mynningen och den varma luften stiger uppåt på grund av skorstenseffekten. Orsaken till temperatursänkningen vid de norrgående tågen är att de drar med sig kall uteluft när de kör in i den södra tunnelmynningen. För de södergående tågen hinner den kalla uteluften från norr blanda sig med den varmare tunnelluften längs hela tunneln. Så när tåget passerar den södra mätstationen, strax innan tåget passerar ut ur tunneln, är lufttemperaturen relativt nära tunnelluftens temperatur. 3
Norra stationen Glödberget 21-1-28 15 norrgående norrgående södergående norrgående 99 1 Temperatur ( C) / Vindhastighet (m/s) 5-5 -1 7:46: 8:1: 8:16: 8:31: 8:46: 9:1: 9:16: 9:31: 98 97 96 95 Lufttryck (hpa) -15 94-2 Tid Lufttemp 5 m in km 817+79 Lufttemp 1 m in km 817+74 Lufttemp 2 m in km 817+64 Lufttemp 3 m in km 817+54 Vindhastighet km 817+83 Lufttryck 93 Figur 3.27 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Norra mätstationen 21-1-28 Vid den norra mätstationen höjs istället temperaturen vid tågpassage, speciellt för de norrgående tågen. Det beror på att den varma tunnelluften som finns i tunnelns södra del trycks framför de norrgående tågen och ökar därmed temperaturen tillfälligt i tunnelns norra delar. Det sker även en ökning av lufttemperaturen vid den mittersta mätstationen, men den är inte lika markant som vid den norra mätstationen (Figur 3.28). Här sker troligtvis en omrörning av tunnelluften i mätsektionen vid tågpassagen, vilket leder till ökade temperaturer. 31
Mittersta stationen Glödberget 21-1-28 8 norrgående norrgående södergående norrgående 6 Temperatur ( C) / Vindhastighet (m/s) 4 2-2 -4 7:46: 8:1: 8:16: 8:31: 8:46: 9:1: 9:16: 9:31: -6-8 Tid Lufttemp mitt km 816+995 Vindhastighet km 816+995 Figur 3.28 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Mittersta mätstationen 21-1-28 4 Analys och diskussion 4.1 Jämförelse med modellstudie De hittills utförda mätningarna visar att kylan tränger längre in i tunnlarna än tidigare antaganden. Mätningarna visar att trots att tunneln är 168 m lång, sker köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln (Figur 4.1). 32
Lufttemperatur längs Glödbergstunneln - fem dagar med negativ temperatur 2 Dygnsmedeltemperatur 2 4 6 8 1 12 14 16-2 -4-6 -8 28-3-1 28-3-2 28-3-3 28-3-4 28-3-5-1 -12 Antal meter in längs tunneln (södra mynningen till vänster) Figur 4.1 Lufttemperatur in längs Glödbergtunneln i fem på varandra kalla dagar i mars 28 Tunnelluften är varmast i den del av tunneln som ligger vid den högre belägna tunnelmynningen. Det kan förklaras med skorstenseffekten där den varma luften stiger uppåt. Detta har även visats i modellstudien (Sandberg m.fl., 22) och i Figur 4.2 visas luftflödet för den tunnelkategori som motsvarar situationen i Glödberget, det vill säga Klass III där ΔH > 2H. ΔH är tunnelns totala höjdskillnad och H är tunnelsektionens höjd. I Glödbergets är ΔH = 21 m och H = 7,2 m. Figur 4.2 Luftströmningsmönster för Klass III Fall D (Sandberg m.fl., 22) För att göra en enkel jämförelse med den tidigare utförda modellstudien så plockas den lägsta utetemperaturen från temperaturkurvan i Figur 4.1. Vid utetemperaturen -11 C och en bergtemperatur på +3 C (årsmedeltemperaturen för område där Glödbergstunneln ligger se Bilaga 1) visar de streckade linjerna i Figur 4.3 att enligt modellstudien ska nollisotermen ligga på ca 49 m in från den lägre belägna tunnelmynningen för en lutande tunnel. I fältmätning visas dock att tunneln har negativa temperaturer i hela sin längd (Figur 4.1). 33
X [m] 6 5 4 3 T=+8 C B T =+3 C B T =+5 C B 2-25 -2-15 -1-5 Utomhustemperatur T [ C] Aktuella mätvärden från Figur 4.1 och Bilaga 1 Figur 4.3 Köldinträngning i Glödbergstunneln (modifierad från Sandberg m.fl., 22) En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer kan vara att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta, vilket kan vara en bidragande orsak till den längre köldinträngningen. De frostisolerande dränernas funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör att kylan kan tränga längre in i tunneln än vad den skulle ha gjort i fall bergvärmen gavs möjlighet att värma upp den kalla uteluften på dess väg in längs tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, den så kallade täckningsgraden, påverkar sannolikt köldinträngningens längd. 4.2 Inverkan av dräner Enligt BV Tunnel skall den lägsta temperaturen vid konstruktionens sida mot trafikutrymmet bestämmas med följande förutsättningar; Tunnel med längd 1 m skall dimensioneras för köldmängd med återkomsttid på 5 år. Vid tunnel med en längd > 1 m skall tunneldelar som är belägna på större avstånd än 5 m från tunnelöppning dimensioneras för medelköldmängd. Övriga tunneldelar skall dimensioneras för köldmängd med en återkomsttid på 5 år. Temperaturdata för medelköldmängd och köldmängd med en återkomsttid på 5 år framgår av Tabell 4.1 och Bilaga 2. 34