Rapport. E18 Langangen Rugtvedt Vurdering av framføring av veglinjer. Forfatter(e) Emmanuel Lienhard Torun Rise Nghia Trinh

Transkript

1 Fortrolig Rapport E18 Langangen Rugtvedt Vurdering av framføring av veglinjer Forfatter(e) Emmanuel Lienhard Torun Rise Nghia Trinh SINTEF Byggforsk Infrastruktur

2

3 Historikk DATO SBESKRIVELSE Foreløpig versjon Endelig versjon 2 av 56

4 Innholdsfortegnelse 1 Bakgrunn Situasjonsbeskrivelse Grunnlagsmateriale Beskrivelse av prosjektalternativer Geologiske forhold Regional geologi Lokal geologi Ingeniørgeologisk kartlegging i dagen Befaring Strøk og fallmålinger Bergmassekvalitet Ingeniørgeologiske observasjoner i gruva Befaring Bergmassekvalitet Lokalitet Lokalitet Lokalitet In situ bergspenninger Bergmekaniske egenskaper Vurdering av plassering av ny E Vurdering av drivemetoder i gruver og konsekvenser for alternativene Vurdering av brumuligheter Analytisk vurdering av stabilitet under brukaret D numerisk modellering Konfigurering av modellen Inngangsparametere til modellen Verifisering av modellen Resultater av modellen Vurdering av tunnelmuligheter av 56

5 13 Vurdering av bergskjæringer Bruddmekanisme for bergskjæringer Vurdering av bruddmekanismer for bergskjæringer Vurdering av stabilitet for veg over gruveområdene Konklusjoner Referanser BILAG/VEDLEGG Vedlegg 1: Ingeniørgeologisk kartlegging 27. og 28. juni 2013 Vedlegg 2: Strøk og fallmålinger Vedlegg 3: Geologiske profiler fra Norcem 4 av 56

6 1 Bakgrunn SINTEF Byggforsk, faggruppe geologi og bergteknikk (heretter kalt SINTEF) bistår Statens vegvesen Region sør (heretter kalt SVV) med vurdering av ny E18 Langangen Rugtvedt. Prosjektet omfatter framføring av veglinjer i området Brevik, hvor avstanden til Norcems eksisterende gruveanlegg stedvis er svært kort. Ny E18 omfatter ny vegtrasé i dagen med bergskjæringer, bru med fundamenter samt nye tunneler. Det foreligger flere ulike alternative veglinjer, hvor alle ligger i tett nærhet til Norcems gruveanlegg. Målet med SINTEFs oppdrag er å etablere en oversikt over mulighetene og begrensningene som forekommer i forhold til denne gruvevirksomheten. 2 Situasjonsbeskrivelse SINTEF har bistått Norcem i forbindelse med utviklingen av anlegget ved Brevik gjennom en lang periode. Denne bistanden inkluderer både rådgivning i forbindelse med utformingen av selve underjordsanlegget samt ulike typer felt og laboratorietester. SINTEFs oppdrag for SVV innebærer å se på muligheter og begrensninger knyttet til ny E18 basert på den nærliggende gruvevirksomheten. Med bakgrunn i dette har SINTEF tatt en gjennomgang av tidligere utførte prosjekter i området samt oversendte materiale fra SVV for på denne måten beskrive dagens situasjon. SINTEF har mottatt en kartskisse av området der Norcems underjordsanlegg er inntegnet sammen med de ulike alternativene for fremtidige vegløsninger i området. Figur 1 viser en modifisert kopi av denne kartskissen hvor området er delt inn i 3 ulike deler; A, B og C. I tillegg viser figuren en grov oversikt over de tydelige regionale strukturer i det samme området. A B C Inndeling av området i ulike partier A til C SINTEFs avgrensning mellom ulike partier i gruvene Regionale geologiske strukturer N Figur 1 Inndeling av området i ulike partier 5 av 56

7 Underjordsanleggene kan etter SINTEFs oppfatning grovt beskrives som følger: Liggbergarten er en hornfels. Tykkelsen på kalken som Norcem tar ut varierer, men kan i sin alminnelighet sies å være om lag 40m tykk. Over den hviler hengbergarten som er en skifer (svartskifer). I sjiktet mellom kalken og hengbergarten finner man den såkalte "hengsleppa" som man har erfart er av dårlig bergmassekvalitet. Ressursbergarten faller slakt av mot Eidangerfjorden slik at den ligger med økende dyp fra vest mot øst. Slik SINTEF kjenner gruveanlegget ved Brevik kan det deles i 3 ulike deler som vist i figur 1, der spesielt drivemetoden og sikringsomfanget varierer. Dette henger naturlig nok sammen med den tidsperioden de ulike delene av anlegget ble drevet ut i. Område A: Dette er den eldste delen av området og dekker området Kjørholt Veitåsen og ligger dermed lengst vest i forhold til for eksempel Brevik. Denne gruva ble drevet ut med såkalt magasinbrytning før man gikk over til rom&pilar da anlegget under jord ekspanderte mot øst. Skravuren på kartskissen viser også lange rom med retning ØNØ VSV. Område B: Det midtre partiet består av vekslende brytningsmetoder. Lengst mot sør er det benyttet langsgående panel etter rom&pilar mønster. Disse panelene har retning nært NNV SSØ. Disse består av 8m brede pilarer og 40m høye rom. I dette området gikk det for øvrig et ras til dagen på 70 tallet og det viste seg ved befaring i rasområdet at her var det om lag 60m fra dagen og ned til kalken. Nord i området merket B er det benyttet rom&pilar. Område C: Den østre delen av området som er den delen som er tatt ut sist, er i all vesentlighet drevet ut etter rom&pilar. Det har nå nådd godt under Eidangerfjorden og med ekspansjon mot øst har det også vært en økende tykkelse av hengbergarten. De ovennevnte partiene i området er grovt sett avskåret mot nord og sør av markerte øst vestgående lineamenter/forkastninger, mens noe mindre utpregede strukturer stryker nært N S (altså omtrent parallelt aksen på rommene i område B). Det er i alle områdene beskrevet at rom&pilar er benyttet, men det er forskjell i hvor store bergrom og pilarer som er etablert slik at stabiliteten i områdene er forskjellig. SINTEFs oppdrag har til hensikt å utarbeide en best mulig oversikt over muligheter og begrensninger som finnes i forhold til Norcems gruvevirksomhet. Vurderingene omfatter de ulike alternativene for ny vegtrasé både med tanke på bru, tunneler samt veg i dagen med tilhørende bergskjæringer. For bru innbefatter oppdraget å se nærmere på dimensjoner og laster for brutårnene samt vurdere hvor slike tårn kan plasseres i forhold til gruveanlegget. For veg med tilhørende bergskjæringer og tunneler vil det også ses på mulige plasseringer nær gruva med tanke på både horisontale og vertikale avstander. 6 av 56

8 3 Grunnlagsmateriale Vurdering av framføring av veglinjer er basert på følgende underlag: SINTEFs ekspertise på området med bakgrunn i mange oppdrag i forbindelse med utvikling av Norcems gruveanlegg i Breivik. Dette inkluderer bergspenningsmålinger, laboratorietester og rådgiving. Spesielt gjelder dette Prof. Emer. Arne Myrvang som har jobbet med gruveanlegget i 50 år og som har bidratt i dette prosjektet som diskusjonspartner. Noen av de siste oppdragene SINTEF var involvert i er: o SINTEF, 2009: "Bergspenningsmålinger og numerisk analyse ved NORCEM Brevik" o SINTEF, 2005: "Bergspenningsmålinger ved Dalen kalksteinsgruve, Norcem, Brevik" o SINTEF, 2002: "Spenningsmåling (Hydraulisk splitting) og bestemmelse av oppsprekkingsgrad og mekaniske egenskaper i Borhull 4, Norcem AS,Brevik" o SINTEF, 1997: "Bergspenningsmålinger i DA synk, Dalen gruve" o SINTEF, 1986: "Bergspenningsmålinger ved Dalen og Kjørholt kalkstensgruver" Plantegning, noen tverrsnitt og bilder av 3D modell for forskjellige vegalternativer oversendt fra SVV etter oppstartsmøte : o E18 Langangen Dørdal, oversiktskart Norcem gruver foreløpig, målestokk 1:15000, datert o Kartskisse Norcem gruver, målestokk 1:5000 (A1), ikke datert o Tverrsnitt og bilder av 3D modell for veglinjer og Plantegning, profiler og flyfoto av Norcem som viser gruveanlegg: o Geologisk kart, målestokk 1: (A0), tegnet/sammenstilt av Ingolf J. Rui, Geokart AS, august 2004 o Flyfoto med inntegnet gruve, målestokk 1:4000, datert o Geologisk kart med inntegnet profiler, målestokk 1:10 000, ikke datert o Geologiske profiler 95, 99, 102 og 111, tegnet/sammenstilt av Ingolf J. Rui, Geokart AS, april 2008 og revidert i juni 2011 I forbindelse med oppdraget ble en befaring utført den 27. og 28. juni 2013 både ute i dagen og underjord i gruva. 7 av 56

9 4 Beskrivelse av prosjektalternativer SVV har utarbeidet 6 forslag til trasé for ny E18, dette er vist i figur 2. Alternativene er plassert med hensyn til lokalisering av den gamle gruva til Norcem hvor det tidligere har skjedd en kollaps, og lokaliseringen av Norsk Hydros gamle gruve hvor det ikke foreligger sikre data for nøyaktig plassering av gruverommene. Norsk Hydro Alternativer 1-5 Alternativ 6 Norcem N Figur 2 Mulige plassering av forskjellige alternativer (foreløpig SVV, ikke datert) Alle alternativene for ny vegtrasé inkluderer bru over Eidangerfjorden med brufundament over gruverommene. De nordre alternativene (alternativ 1 5 vist i figur 2) inkluderer bergskjæringer og/eller tunneler. Det søndre alternativet (alternativ 6 vist i figur 2) inkluderer kun bergskjæringer og veg i dagen i området rundt gruva. Under møte den 27. juni med SVV i Skien ble to alternativer presentert for SINTEF; et av de nordre alternativene (alternativ 1 5): veglinje 16031, og alternativ 6: veglinje av 56

10 Veglinje er en veglinje basert på alternativ 1 5 som går i tunnel over gruvene og som veg i dagen gjennom dagbruddet, se figur 3. Kollaps fra 1976 Figur 3 Bilde av 3D modell for alternativ (27/06/2013) Fra SVV Veglinjen er alternativet som går lengst sør, basert på alternativ 6, med skjæring over gruvene, se figur 4. Dagbrudd Kollaps fra 1976 Figur 4 Bilde av 3D modell for alternativ (27/06/2013) Fra SVV 9 av 56

11 I forbindelse med møte og befaring i gruva 28.juni 2013 ble de samme alternativene diskutert, da også med en representant fra Norcem tilstede. Norcems gruvesjef Trond Kaasa redegjorde nærmere for Norcems gruveaktivitet og kart gjengitt i figur 5 ble framlagt. Norsk Hydro Dagbrudd Kollaps 1976 Norcem Figur 5 Gamle gruveområder med usikker stabilitet Inntegnet på foreløpig SVV-kart, ikke datert Figuren viser to områder markert med gult hvor stabiliteten i gruverommene anses som usikker. Området merket Norcem omfatter en del av gruva hvor drivemetoden som er benyttet har medført at stabiliteten i området er usikker. Eksempelvis vises det til at det i 1976 gikk det et ras i dette området, noe som medførte omlegging av drivemetoden (Nordrum, ikke datert). I figur 5 er raset vist midt i den gule ringen merket Norcem. For området merket med Norsk Hydro finnes det ikke tilgjengelig informasjon om gruvevirksomhetens aktivitet, slik at det er knyttet stor usikkerhet til gruvas utbredelse og stabilitet. Det man kan si er at drivemetoden var basert på magasindrift, noe som har medført at gjenstående rom neppe er befart eller sikret etter at magasinene var tømt. Dagens brytningsmetode ved Brevik gir en betydelig lavere utnyttelse av kalksteinslaget enn tidligere, den er redusert fra 60 65% til 30% (Nordrum, ikke datert). Dette har klart en betydning for sikkerheten i de ulike delene av anlegget, med den beste sikkerheten der utnyttelsen av forekomsten er lavest. Områdene med magasinbrytning er usikre i og med at dette er en type brytningsmetode som tidligere ble typisk benyttet i oppsprukket dårlig berg. Metoden går ut på å ta ut bergmassen i store rom. Massene brytes men blir liggende og fraktes ikke ut før brytningen er ferdig, dvs. når det er bygget opp et stort magasin med masser. 10 av 56

12 5 Geologiske forhold 5.1 Regional geologi Brevikområdet er en del av Oslofeltet, en riftstruktur med hovedsakelig Permisk alder. I denne riftstrukturen finnes godt bevarte bergarter av Prekambrisk til Triasisk alder. Geologien i Brevik området består av leirskifer, sandstein og kalkstein som vist i figur 6. I området finnes det også flere ulike forkastnings og bruddsoner som vises tydelig i topografien. Disse har retning Ø V, SØ NV eller S N, se figur 6 og 7. Kalksteinen som Norcem driver på er av Ordovicisk alder. Forkastning 1 Brevik Figur 6 Regional geologi (fra Området merket 1 består av leirskrifer, sandstein og kalkstein. 11 av 56

13 5.2 Lokal geologi Figur 7, 8 og 9 fra Norcem viser de ulike formasjonene lokalt. Norcem driver uttak av kalkstein fra Steinvikaformasjonen, markert med blått på kartene. Følgende informasjon kommer fra industrimineraldatabasen ved NGU, for forekomst : "Steinvik formasjonen har i gjennomsnitt et CaCO 3 innhold på 86 %. Mektigheten på formasjonen er ca. 40 meter, hvorav de underste 30 meterne blir tatt ut til bruk i sementproduksjonen. Strøket på bergarten er NNV og den stuper mot øst med fall på grader. De over og underliggende bergartene er henholdsvis sorte skifre tilhørende Venstøpformasjonen (heng) og hornfels tilhørende Fossumformasjonen (ligg). Ved Dalen opptrer Steinvikformasjonen som en grå til lysgrå homogen og grovkornet kalkstein, med relativt lite interne strukturer. Steinvikformasjonens østlige begrensning er definert ved kontakten til de sen karbonske larvikittbergartene." Over Venstøpformasjonen ligger Herøyformasjonen. Den er også en knollekalk hvor steinen er lagdelt og består av grå kalklag og brune leirlag. Larvikitt Profil 82 Se Figur 6 Fossumformasjonen Steinvikformasjonen Venstøpformasjonen Herøyformasjonen Figur 7 Plantegning geologi i Brevik området (fra Norcem Bergavdelingen, 2004) 12 av 56

14 Fossumformasjonen Steinvikformasjonen "Dalen kalk" Venstøpformasjonen Herøyformasjonen Figur 8 Geologi langs profil 82 (fra Norcem Bergavdelingen, 2004) "Hengbergart" "Liggbergart" Figur 9 Bergarter i området (fra Norcem, Sven Dahlgren, 1999) Merk at det er noe ulike fargekoder på figurene 8 og 9, dette skyldes ulike kilder. 13 av 56

15 6 Ingeniørgeologisk kartlegging i dagen 6.1 Befaring Det ble gjennomført en befaring med overflatekartlegging 27. juni Figur 10 viser lokaliteter der kartleggingen ble utført av Emmanuel Lienhard og Nghia Trinh (SINTEF). Vedlegg 1 presenterer bilder og detaljer av befaring, men hovedtrekkene er gjengitt nedenfor. Liten innsjø Bru over jernbane Bergblotning 2 Bergblotning 3 Bergblotning 4 Bergblotning 1 Nytt hus nesten ingen løsmasser Figur 10 Kartlegging gjennomført av SINTEF den 27. juni 2013 (Basekart: Google Maps) 6.2 Strøk og fallmålinger Det ble målt strøk og fall ved hver kartlagte bergblotning. I tillegg ble det tatt noen målinger der det var mulig langs vegen. Antall sprekkesett varierer fra sted til sted, men generelt kan man observere 3 hovedsprekkesett: Foliasjon, som har fall rundt 20 mot øst/nord øst. Strøket kan variere fra lokalitet til lokalitet men er ca. N Ø. Sprekkeavstand varierer fra noen cm til noen m: foliasjonen er noen steder markert med tett oppsprekking (bergblotning 1 og 3) mens noen steder er foliasjonssprekkene ikke framtredende (bergblotning 2 og 4). Det er registrert et steilt sprekkesett med strøk rundt N260 N290Ø. Fallet varierer mellom 80 og 90 mot sør. Sprekkeavstand varierer fra noen cm til noen m. Et annet svært vanlig steilt sprekkesett med strøk rundt N0Ø ble registrert. Fallet varierer mellom 80 og 90 mot øst eller vest. Sprekkeavstand varierer fra noen cm til noen m. Det er registrert stor variasjon i sprekkeavstand, dette skyldes i hovedsak at kartlegging er utført i dagfjell og at det lokalt forekommer mye forvitring. Konturplott i figur 11 er basert på strøk og fallmålinger utført av SINTEF 27. juni Flere detaljer fra sprekkemålingene finnes i vedlegg av 56

16 Figur 11 Konturplott for strøk og fall målingene utført på befaring 27. juni Bergmassekvalitet Målte Q verdier i området varierer fra 0,1 til 19 i dagen, noe som tilsvarer svært dårlig til god bergmassekvalitet. Lokalt kan det være veldig tett oppsprukket bergmasse og "sukkerbitberg", spesielt der det er mye forvitring (avhengig av bergart). Detaljer av målte Q verdier er gitt i tabell 1. Se vedlegg 1 for ytterligere detaljer om bergblotningene. Tabell 1 Beregning av Q-verdi fra kartlegging i dagen Bergblotning (BB) Oppsprekningstall, RQD Sprekkesett, Jn Sprekkeruhetstall, Jr Sprekkefylling, Ja Sprekkevannsfaktor, Jw Spenningsfaktor, SRF BB1 svært dårlig ,5 0,11 BB1 svært dårlig ,5 0,56 BB , BB ,5 0,09 BB4 godt BB4 svært dårlig ,22 Beregnet Q verdi 15 av 56

17 7 Ingeniørgeologiske observasjoner i gruva 7.1 Befaring Det ble gjennomført en befaring i Norcems gruve 28. juni Befaringen ble utført av Nghia Trinh (SINTEF), sammen med Audun Langelid (SVV) og Ida Vik Jondahl (Norcem). Tre lokaliteter ble besøkt, disse er vist i figur 12. Lokalitet 2 Lokalitet 1 Lokalitet 3 Figur 12 Kartlegging gjennomført av SINTEF den 28. juni 2013 Lokalitet 1 fra befaring i gruva ligger i et område hvor normal brytning med rom&pilar er benyttet. Området ligger imidlertid relativt nært Norsk Hydros gamle gruveanlegg (område A i figur 1) og Norcems gruve (område B i figur 1) hvor magasinbrytning ble benyttet. Disse to områdene vurderes å ha stor risiko for kollaps, og det er med bakgrunn i dette ikke lov å ferdes her. Lokalitet 2 ligger på nivå 200m under havnivå. Lokaliteten er nær en stor forkastningssone som går gjennom gruveområdet og noen hundre meter øst for et mulig landfeste for brua. Lokalitet 3 er et område i gruva bestående av togstasjon, lastestasjon, trapper osv. Lokaliteten er over havnivå. 16 av 56

18 7.2 Bergmassekvalitet Lokalitet 1 Bergmassekvaliteten i den delen av gruva som ble besøkt kan generelt klassifiseres som god til svært god. Det ble ikke observert bergsikring av betydning, kun få bolter montert enkelte steder. Det ble heller ikke observert avskalling på pilarer, noe som bekrefter god bergmassekvalitet og balansert pilarbelastning. Tabell 2 angir registrerte parametere for beregning av Q verdi. Tabell 2 Beregning av Q-verdi fra kartlegging ved lokalitet 1 i gruva Bergblotning (BB) Oppsprekningstall, RQD Sprekkesett, Jn Sprekkeruhetstall, Jr Sprekkefylling, Ja Sprekkevannsfaktor, Jw Spenningsfaktor, SRF I gruva Beregnet Q verdi Som vist i tabell 2 ble det i gruva målt en Q verdi på 75, noe som tilsvarer svært god bergmassekvalitet. De store geologiske strukturene kombinert med sub horisontal lagdeling i bergmassens foliasjon, som vist i figur 13, kan utgjøre en risiko i området. Den sub horisontale lagdelingen kan lokalt bestå av svakere partier som kan bli ustabile dersom det etableres gruverom med for stort spenn. I tillegg til sub horisontal lagdeling kan den lokale stabiliteten til pilarene bli påvirket av tilfeldige sprekker med ugunstig orientering. De fleste pilarene er stabile som vist i figur 14 (bilde til venstre), men det ble under befaring observert enkelte utfall i pilarer som et resultat av ugunstig sprekkegeometri som vist i figur 14 (bilde til høyre) der lagdelingen klipper av nært vertikale sprekkesystemer. 17 av 56

19 Sub-horisontal lagdeling Figur 13 Lokalitet 1, Sub-horisontal lagdeling Stabil pilar Utfall Figur 14 Lokalitet 1, stabil pilar slik som de fleste pilarer i dette området (bilde til venstre), utfall i pilar på grunn av ugunstige sprekkegeometri (bilde til høyre). 18 av 56

20 7.2.2 Lokalitet 2 Ved lokalitet 2 ble den observerte bergmassen generelt karakterisert som svært god, selv om det også her ble observert sub horisontal lagdeling. Svært god bergmassekvalitet, i tillegg til antatt gunstige spenningsforhold, sørger for gode stabilitetsforhold i gruva. Ved denne lokaliteten ble svært få bolter observert. Rommene er stabile med kun rensk og et minimum antall bergbolter, som vist i figur 15. Selv om lokalitet 2 ligger flere hunder meter under havnivå, framstår gruva som relativt tørr. Dette kan tyde på at sprekkesystemene ikke er gjennomsettende, men er tette eller lukket av høyere innspenninger som et resultat av dypet. Enkelte medium store soner med svakere og mer oppsprukket bergmasse ble observert i dette området. Størrelsen på svakhetssonene varierer fra et par meter til mindre enn 10m. Figur 16 viser et typisk eksempel på hvordan disse sonene framstår. Områder med slike soner resulterer i dårlig stabilitet lokalt i gruva. Det er enkelte steder observert utfall med dybde på flere meter både i veggen og hengen i gruva. Lokalitet 2 er nær en signifikant/tydelig forkastingssone som er flere kilometer lang og som kan bli observert også på overflaten. Figur 15 Lokalitet 2, stabile forhold i gruva 19 av 56

21 Figur 16 Lokalitet 2, typiske forhold ved svakhetssoner Svakhetssone Utfall Figur 17 Lokalitet 2, typisk utfall 20 av 56

22 7.2.3 Lokalitet 2 Ved lokalitet 3 viser bergmassen tydelig sub horsontal lagdeling tilsvarende lokalitet 1, se figur 18. Det ble i dette området observert flere grunnvannsdrypp, noe som kan indikere en lavere innspenning, slik at sprekkene i dette området er åpne og vannførende. En svakhetssone er observert ved denne lokaliteten, men generelt framstår området som stabilt. Figur 18 Lokalitet 3, typiske bergmasseforhold 21 av 56

23 8 In situ bergspenninger SINTEF har gjennom en årrekke utført bergspenningsmålinger i Norcems gruveanlegg. Resultatene er oppsummert i tabell 3. Tabell 3 Resultater fra spenningsmålinger utført av SINTEF (SINTEF, 2009/2005/2002/1997/1986) Lokalitet Metode År 1 (MPa) 2 (MPa) Nivå 286 3D ,9 (ca. 170 m ±6,2 ±4,3 overdekning) Trend: Trend: N178 N299 Stup: Stup: 17S 57V Nivå 240 3D ,9 13,3 (ca. 130 m ±4,3 ±2,4 overdekning) Trend: Trend: N291 N195 Stup: Stup: 20V 15V Nivå 138 3D ,3 6,9 ±2,7 ±3,4 Trend: Trend: N352 N263 Stup: Stup: 0 9V Nivå 212 2D ,2 3,5 Hull 4 på nivå 212 tverrslag 67 Ø Hull 1 pilar DAsynk (ca. nivå 200) Hull 2 orttak DA synk (ca. nivå 200) 3 (MPa) 0,5 ±3,3 Trend: N80 Stup: 24Ø 8,5 ±2,1 Trend: N73 Stup: 64Ø 5,6 ±1,7 Trend: N83 Stup: 81Ø H (MPa) Antatt 14 Antatt 16,9 Antatt 12,3 Hydr til 9 (8,3 i gjenno msnitt) h (MPa) 5 til 8 (6,0 i gjenno msnitt) v (MPa) H fra N (grader) Det antas at største hovedspenning er tilnærmet horisontal og ligger i nord/sør retning 2D ,6 7,8 Vinkel med vertikalen: 29º 2D ,2 0,2 Vinkel for største horisontalspenning med N: 162º 22 av 56

24 Lokalitet Metode År 1 (MPa) 2 (MPa) 3 (MPa) H (MPa) h (MPa) v (MPa) H fra N (grader) Hull 3 orttak DA synk (ca. nivå 200) 2D ,2 2,1 Vinkel for største horisontalspenning med N: 167º Hull 4 pilar DAsynk (ca. nivå 200) Målested 1 synk til stoll 36A (overdekning ca. 150 m) Målested syd i Kjørholt gruve (overdekning ca. 150 m) 2D ,1 18,4 Vinkel med vertikalen: 10º 3D ,7 Retning N3, fall 10S 3D ,0 Retning N322, fall 30SØ 5,7 Retning N115, fall 65V 7,1 Retning N185, fall 46N 4,7 Retning N268, fall 22Ø 4,4 Retning N65, fall 24NØ Antatt 9,7 Antatt 11,0 Gjennomsnitt 12,8 8,0 4,7 12,7 6,3 Målingene viser i de aller fleste tilfeller at største hovedspenning i området er tilnærmet horisontal med orientering ca. N S til N30 V og med størrelse 8 20MPa. Grafisk kan verdiene framstilles som vist i figur 19, hvor det også framgår at hovedspenningsretning (σ 1 ) er tilnærmet N S. Bergspenningsmålingene indikerer at den vertikale spenningskomponenten typisk er større enn det man teoretisk skulle få ved en teoretisk, gravitativ beregning og ligger rundt 6MPa. 23 av 56

25 SINTEF Byggforsk, Berg Geo-teknikk Prosjekt: 3C kode: DISO 3.5nt Dato: Hull 01 ORIENTATION OF MEAN PRINCIPAL STRESSES N SINTEF Rock and Soil mechanics Project: kode: DISO 3.5nt Date: 31.mai 2005 Hole 01 ORIENTATION OF MEAN PRINCIPAL STRESSES N SF=1,0 W E SF=1,0 W E S S RELATIVE FREQUENCY (%) MAGNITUDE OF PRINCIPAL STRESSES PRINCIPAL STRESSES (MPa) RELATIVE FREQUENCY (%) MAGNITUDE OF PRINCIPAL STRESSES PRINCIPAL STRESSES (MPa) Figur 19 Hovedspenningsretninger nivå 286 (til venstre) (SINTEF, 2009) og nivå 138 (til høyre) (SINTEF, 2005) Den horisontale spenningen på 8 20MPa har i senere år gitt til dels kraftige bergslag i taket av brytningsrom. Dette har medført behov for bergsikring, noe som tidligere var lite vanlig. Det er også målt belastning på pilarer, se figur 20. Disse viser moderat belastning med opp til ca. 25MPa. Figur 20 Måling av belasting i pilarer, hull 1 til venstre og hull 4 til høyre (SINTEF, 1997). Målehullene for pilarbelastning er boret nær sålen. Derfor fås også en viss horisontal komponent på grunn av de rådende horisontale spenningene i området. 24 av 56

26 Figur 21 Resultater fra 2D spenningsmåling i vertikale målehull oppover i taket (målehull 2, SINTEF, 1997) Figur 22 Resultater fra 2D spenningsmåling i vertikale målehull oppover i taket (målehull 3, SINTEF, 1997) 25 av 56

27 9 Bergmekaniske egenskaper SINTEF har gjennom flere år foretatt bergspenningsmålinger og laboratorietesting av bergmekaniske egenskaper i forbindelse med ulike prosjekter for Norcem. Resultatene fra dette er oppsummert i tabell 4. Tabell 4 Laboratorieresultater (SINTEF, 2009/2005/2002/1997/1986) Lokalitet År Bergart E-modul (GPa) Poissons tall UCS (MPa) Densitet (kg/m 3 ) Bruddvinkel ( ) Lydhastighet (m/s) Nivå 286 (ca. 170 m 2008 kalkstein 56,6 0,24 72, overdekning) Nivå 240 (ca. 130 m 2008 kalkstein 66,2 0,23 83, overdekning) Nivå kalkstein 72 0, Nivå kalkstein 51 0, Hull 4 på nivå kalkstein , tverrslag 67 Ø Hull 1 pilar DA-synk 1997 kalkstein 76,2 0,358 72, (ca. nivå -200) Hull 2 orttak DAsynk 1997 kalkstein 61,3 0,354 60, (ca. nivå -200) Hull 3 orttak DAsynk 1997 kalkstein 61,2 0,359 51, (ca. nivå -200) Hull 4 pilar DA-synk 1997 kalkstein 65,8 0,403 61, (ca. nivå -200) Målested 1- synk til stoll 36A (overdekning ca. 150 m) 1986 kalkstein 73,7 ±3,3 % 0,31 ±10,7 % 52,3 ±48,7 % Målested sør i Kjørholt gruve (overdekning ca. 150 m) 1986 kalkstein 73,3 ±4,8 % 0,30 ±18,1 % 68,4 ±35,3 % Resultatene viser at E modul i området ligger rundt 60GPa og enaksiell trykkfasthet (UCS) rundt 70MPa. Kalksteinens densitet ligger rundt 2700kg/m av 56

28 10 Vurdering av plassering av ny E18 SINTEF har i det videre vurdert muligheter for plassering av ny trasé for E18. Dette omfatter vurderinger av hvor det er mulig å planlegge veg, bru og tunneler samt hvilke alternativer hvor det ikke anbefales videre utredning da disse anses som ikke gjennomførbare Vurdering av drivemetoder i gruver og konsekvenser for alternativene Som vist i figur 5 og beskrevet i kapittel 2 er det benyttet flere ulike drivemetoder i gruvene. I de eldre delene av gruva er det benyttet drivemetoder med svært tynne (ca. 15m) og høye (ca. 40m) pilarer. Områdene anses som så usikre stabilitetsmessig at de er fullstendig avstengte med bakgrunn i risiko for utrasing. Alternativene 1 5 for ny trasé passerer alle over/gjennom disse områdene. I diskusjon med Norcem (Trond Kaasa) og SVV (Audun Langelid) den 28. juni 2013 ble det vurdert at alternativene på nordsiden (alternativ 1 5 i figur 2) trolig ikke innehar nok sikkerhet til at de vil være gjennomførbare. Dette omtales nærmere i de neste kapitlene. 27 av 56

29 11 Vurdering av brumuligheter Alle forslag til ny trasé innebærer bru over Eidangerfjorden. Alternativ 1 5 (ref. fig. 2) omfatter tilnærmet samme plassering av brufundament, mens alternativ 6 omfatter brufundament noe lengre sør Analytisk vurdering av stabilitet under brukaret SINTEF har mottatt informasjon fra SVV om at lastene som virker fra brua og gjennom brukaret er kN per ben vertikalt med 2 ben på brukaret og 5000kN horisontalt. Det er videre opplyst at vertikallastene vil være dominerende, slik at det i de videre beregningene er valgt å se bort fra de horisontale lastene. Dette innebærer at vindlaster etc. vil være underordnet i denne omgang. Figur 23 viser skjematisk hvilke laster som virker på pilarene i gruva. Vertikale laster Horisontale laster Gravitative laster Figur 23 Skjematisk tegning av brufundament og laster Oppgitte laster på kN pr ben bygger på erfaring fra Hardangerbrua, ei bru som er utformet på tilsvarende måte og som har tilnærmet samme spennvidde som planlagt i dette prosjektet. I forankring av bærekablene er det nødvendig med et tilstrekkelig stort bergvolum, og for ei bru over Eidangerfjorden er det forventet at det vil være behov for % mer bergvolum i bærekabelforankringene enn for Hardangerbrua. Bakgrunnen for dette er hovedsakelig at brua over Eidangerfjorden skal ha 4 kjørefelt, i motsetning til Hardangerbrua som kun har to. Det forventes at utforming av tårnfundament vil kunne bli likt som for Hardangerbrua, men det er mulig å utvide fundamentet dersom grunnforholdene tilsier at dette lar seg gjennomføre. 28 av 56

30 Den vertikale lasten fra brua vil komme i tillegg til den vertikale lasten fra bergsøylen som virker over gruverommene. Dette kan uttrykkes på to ulike måter; 1. Teoretisk gravitativ last 2. Målt vertikalspenning og vil utgjøre den totale lasten som virker på bergpilarene mellom bergrommene i gruva. I SINTEFs vurdering er det sett på en lokalisering av brukaret der man har en overdekning (vertikal avstand fra overflaten og ned til toppen av kalkbenken) på omtrent 100m. Dette er området mellom profil 111 og 102 i retning N S og mellom de to NSB sporene i retning Ø V og er markert med rød sirkel i figur 24. Det er i figur 25 og 26 vist utsnitt av Norcems profiler som angir overdekningen i området. For fullstendige profiler vies det til vedlegg 3. Omtrent 450m vest for det området har SINTEF utførte in situ bergspenningsmålinger på nivå 240 (SINTEF, 2009). Dette er markert med rød * i figur 24. * Figur 24 Utsnitt kart med angitte profiler og mulig plassering brufundament markert med rødt sirkel og utførte in-situmålinger med rød * (foreløpig SVV, ikke datert) 29 av 56

31 100m Figur 25 Utsnitt av profil 102 (Norcem, 2008 revidert 2011) Figur 26 Utsnitt av profil 111 (Norcem, 2008 revidert 2011) For alternativ 6 vil brufundament bli lokalisert mellom Norcems profil 82 og 95. Profil 95 finnes i vedlegg 3 og viser tilsvarende overdekning som for alternativet lengre nord. De videre beskrivelsene og vurderingene vil derfor gjelde plassering av brufundament for alle alternativene for ny vegtrasé. I forbindelse med SINTEFs tidligere prosjekter i området knyttet til bergspenningsmålinger og numerisk analyse (SINTEF, 2009/2005/2002/1997/1986), er det utført beregninger av densitet. Basert på erfaringer fra dette er det i beregningen benyttet en densitet på 2700kg/m 3, dvs. 2,7tonn/m 3. Med en overdekning på 100m og egenvekt 2.7 tonn/m 3 betyr det at bergsøylen over gruverommene innebærer en gravitativ teoretisk belastning på ca. 2,6 MPa. Imidlertid vet man fra målinger av in situ bergspenninger at både den vertikale og den horisontale spenningsvektoren i området ved Brevik overskrider det som er gravitativt betinget. Målinger de senere årene (se tabell 3) indikerer at den vertikale målte spenningskomponenten er i størrelsesorden 6MPa (SINTEF, 2005 og 2009). Den største horisontale spenningskomponenten synes å ligge rundt 13MPa og med retning nær N S. Siden det her dreier seg om remanente spenninger i berget kan man utgå fra at disse ikke endres nevneverdig innenfor de dyp som betraktes i denne sammenhengen. SINTEF har også utført in situ bergspenningsmåling i området ved en barrierepilar i DA synken (se tabell 3 og figur 13, SINTEF, 1997) som viser at lasten i nevnte pilar er i størrelsesorden 17 20MPa med en overdekning på 190m. Målinger ved en annen pilar ved nivå 212 (SINTEF, 2005) hvor det er en overdekning på 200m viser en gjennomsnittlig pilarlast på 12,2MPa. SINTEF rapporten fra 2005 foreslår i det sist nevnte 30 av 56

32 tilfellet at pilarlasten er noe lavere enn det man skulle forvente grunnet positiv innflytelse fra den horisontale spenningsvektoren. Som nevnt innledningsvis i dette kapitlet vil den totale lasten fra brua utgjøre kN på ett brufundament. Dersom man antar at brufundamentet har en dimensjon på 20x10m så betyr det at belastningen fra brua mot berget under er 400tonn/m 2 eller tilsvarende 4MPa. Denne belastningen vil da komme i tillegg til bergsøylen. Teoretisk vil en slik last fordeles utover med 45 ut fra brufundamentet til hver side. I dette tilfellet hvor lasten skal fordeles ut i en bergmasse anslås det at det i de øvre deler av bergmassen, for eksempel de øverste 30m er en rett nedadrettet lastfordeling, mens lastfordelingen videre mot dypet er mer i tråd med den teoretiske. Dette som en følge av bergmassens inhomogene beskaffenhet. Ved et dyp på 30m vil man da kunne anslå at den totale spenningen er i størrelsesorden 10MPa, det vil si at bidraget er 6MPa fra in situ vertikalspenning i berget og 4MPa fra brua. Dersom man øker dypet til 100m vil bidraget fra in situ bergspenninger beholdes lik 6MPa, mens bidraget fra brua nå er betydelig redusert og utgjør beskjedne 0,02MPa hvilket gir en total spenning på 6,05MPa. Innenfor klassisk bergmekanikk kan man så benytte en analytisk modell av gruvegeometrien som kalles tributary area metoden, på norsk skattepliktig areal metoden. Her forutsettes at hver enkelt pilar i et regelmessig mønster med gruverom og pilarer med areal A p bærer et bergprisme med areal A t og høyde lik overdekningen. Spenningen i pilaren, σ p, beregnes så ut fra vertikalspenningen, σ v. σp σv der σ v = ρgh (dvs. bergmassens densitet x gravitative krefter x høyde). Alternativt kan målt vertikalspenning benyttes. Sikkerhetsfaktor (f) beregnes ved å vurdere forholdet mellom enakset trykkfasthet, σ c, og pilarspenningen, σ p. σc σp Sikkerhetsfaktoren angir hvor stor pilarspenning som kan aksepteres i forhold til bergmassens trykkstyrke. Dersom sikkerhetsfaktoren blir for liten, kan denne økes ved for eksempel å øke bredden på pilarene. Ut i fra tegningsgrunnlaget har SINTEF for det punktet der hvor brufundamentet er tenkt lokalisert funnet en rom&pilar løsning der det er ca. 12m brede gruverom og om lag 10m brede og 22m lange pilarer. Det benyttes likevel en geometri med 10m brede rom 10m pilarer. Benyttes dette formelverket for "skatte pliktig" area får man følgende: Ved 30m dyp og 10MPa totalspenning får man da 40MPa som skal tas opp av hver pilar, mens man på et større dyp på 100m får pilarspenning 24,2MPa. I sistnevnte tilfelle er man i gruva på et nivå hvor det er utført målinger av pilarspenninger som viser nært samme størrelser som beregnet her, og hvor pilarene i gruva er stabile. 31 av 56

33 Normalt vil geometrien ha en betydning for stabiliteten av pilarer. Med pilarens geometri menes her deres høyde bredde forhold, eller pilarens slankhet. I litteraturen finnes en rekke empiriske tilnærminger som er framkommet etter fullskalatester og oppfølging av pilarer, stabile og instabile. I denne rapporten er det valgt å benytte følgende formel for beregning av pilarstyrke; σ ps = σ i x ((0,64 + 0,36(w/h)) der σ ps = pilarens styrke σ i = trykkfasthet i laboratorium korrigert til bergmasseforhold w = pilarens bredde h = pilarens høyde I dette tilfellet betrakter man imidlertid grovt høyden på gruverommene å være i samme størrelsesorden som bredden på rommene. Dette tilsvarer et forhold mellom pilarens høyde og bredde på 1, og for enkelhetsskyld velges denne generelle tilnærmingen, vel viten om at gruverommene og pilarene ikke nødvendigvis er ensartede og likedan utformet i gruva, og at lokale variasjoner finnes. Det påpekes videre at bidraget fra horisontalspenningene i form av innspenning også har en betydning i slike tilfeller med relativt lave pilarer og høye vertikalspenninger, noe som er funnet og vist til i SINTEFs rapporter fra bergspenningsmålingene (SINTEF, 2009/2005/2002/1997/1986). I praksis vil problemet være å finne trykkfastheten for bergmassen, altså en korrigert trykkfasthet der skalaeffekten fra prøvestykke (σ c ) testet i laboratorium til in situ forhold er tatt i betraktning. Mange har forsøkt å finne en korrelasjon mellom disse verdiene, og en reduksjon til mellom 40 og 60% er ofte benyttet. Observasjoner i gruva tilsier at bergmassen er av svært god kvalitet med en Q verdi på 75 (kapittel 7.2). Det er således valgt å se på en reduksjon av σ c til 60% av verdien målt i laboratorium. Enaksiell trykkfasthet målt i laboratorium for prøver fra ulike lokaliteter i gruva varierer, men grovt sett med overvekt av tester rundt 70MPa. Legges dette til grunn får man en anslått trykkfasthet for bergmassen som tilsvarer 42MPa. Ved å benytte ovennevnte grunnlag får man som følger: Sikkerhetsfaktor (1) = 42MPa/40MPa = 1,05 (dvs. på 30m dyp) Sikkerhetsfaktor (2) = 42MPa/24,2MPa = 1,74 (dvs. på 100m dyp) Litteraturen viser til en anbefalt sikkerhetsfaktor i størrelsesorden 1,5 til 2 ved anvendelse av denne formelen for gruverom hvor det er aktuelt at folk oppholder seg. Siden brukaret plasseres over et eksisterende anlegg velger SINTEF å være konservative og anvender ovennevnte krav som veiledende for nødvendig sikkerhetsfaktor. Man får likevel en sikkerhetsfaktor på 1,74 der hvor brufundamentet er tenkt plassert, altså med en overdekning på 100m. Dette gjelder alle alternativene for vegtrasé. Basert på dette er SINTEF av den oppfatning at med det som er lagt til grunn for vurderingen anses som tilstrekkelig kapasitet i gjenstående bergpilarer til å kunne tåle den belastningen som brua vil medføre på et slikt dyp. Dersom man har en 32 av 56

34 overdekning på 65m eller mer så skulle man etter den grove håndkalkulasjonen og med de begrensninger, forenklinger og tilnærminger som er gitt i det overnevnte være rundt en sikkerhetsfaktor 1,5. Beregningene er utført med bakgrunn i at brufundamentet har en dimensjon på 20x10m. Som nevnt innledningsvis i dette kapitlet forventes utformingen av tårnfundamentet å bli like som for Hardangerbrua, men at fundamentet kan utvides dersom grunnforholdene tilsier dette. Dersom arealet på fundamentet økes, vil lastene fordeles over et større område. På denne måten har man dermed mulighet til å øke sikkerhetsfaktoren. Det gjøres oppmerksom på at beregningene er basert på et konservativt anslag D numerisk modellering Konfigurering av modellen Basert på hva som er diskutert tidligere i rapporten kan konfigurering av modellen utføres på følgende måte: 5000kN horisontal last Ei betongflate er brukt for å oppnå kN vertikal last over et 15m høyt brutårn Antatt homogen bergmassene (kalkstein) Rom&pilar Figur 27 Konfigurering av modell 33 av 56

35 Modellen er implementert i flere situasjoner for å mer nøyaktig beskrive gruva og konstruksjonen av den planlagte brua; Situasjon 1: opprinnelig situasjon uten gruveanlegg. Denne situasjonen antas å ha riktig in situ spenningsforhold. Situasjon 2: Gruvedrift med rom og pilarer i undergrunnen som følge av gruveaktivitet. Denne beskriver den nåværende situasjonen i gruva, og kan bli brukt for verifisering av modellen. Resultatet fra denne situasjonen kan benyttes for sammenligning med observasjonene i gruva for å undersøke om modellen gir et realistisk resultat. Situasjon 3: Ei betongblokk er plassert på overflaten for å gi vertikal last på kN over et 15m høyt brufundament. En horisontal last på 5000kN er også plassert på toppen av den kunstige betongblokka. Lastene er antatt 60m over terrengoverflaten. Det gjøres oppmerksom på at verdiene er konservative Inngangsparametere til modellen Følgende bergmasseegenskaper er benyttet som bergmasseparametere i modellen: Bergmasseparametrene er basert på ingeniørgeologisk kartlegging (Q verdi) og tidligere utførte laboratorietester Kartlagt Q verdi for ulike bergmasseforhold: områder med dårlig bergmasse har Q verdi på 0,09 (kartlagt i dagen, se tabell 1), i områder med god bergmassekvalitet kan Q verdien bli så høy som 75 (kartlagt i gruva, se tabell 2) Med tanke på antatt økt bergmassekvalitet nedover i dypet kan Q' = bli benyttet for beskrivelse av bergmassen i modellen. Ut i fra estimert Q verdi er bergmassen klassifisert som god til svært god. For videre input i den numeriske analysen er Q' konvertert til GSI: GSI = 9xln(Q') + 44 = 9xln(20 30) UCS fra laboratorietester: 70 MPa (se tabell 4) Poissons tall: 0,3 (se tabell 4) E modul: 60 GPa (se tabell 4) Det er antatt at gruverommene har bredde 10m og høyde 10m. Pilarene er antatt å ha en tykkelse på 10m. 34 av 56

36 For in situ bergspenninger ved nivå 200m, dvs. 200m under havnivå, er følgende benyttet: Sigma 1: 13MPa, orientering nord sør (Sigma_H/Sigma_V 2.5) Sigma 2: 6 MPa, orientert øst vest (Sigma_H/Sigma_V 1) Sigma 3: Gravitasjon, virker vertikalt Dette er vist grafisk i figur 28. Figur 28 In-situ bergspenninger benyttet i modellen Figur 29 Målte spenningsnivå Målte bergspenninger er vist i tabell 3 og framstilt grafisk i figur av 56

37 Verifisering av modellen Som omtalt tidligere er det i modellen implementert flere situasjoner for å kunne beskrive gruva og den planlagte brukonstruksjonen på en mest mulig korrekt måte. Resultatene fra situasjon 2 kan bli benyttet for verifikasjon av modellen; Situasjon 2: Gruvedrift med rom og pilarer i undergrunnen som følge av gruveaktivitet. Denne situasjonen beskriver den nåværende situasjonen i gruva, og kan bli brukt for verifisering av modellen. Resultatet fra denne situasjonen kan benyttes for sammenligning med observasjonene i gruva for å undersøke om modellen gir et realistisk resultat. Generelt viser modellen tilnærmet ingen indikasjoner på brudd rundt pilarer og gruverom. Tilsvarende forhold ble også observert i gruva. Videre viser resultater fra spennings og deformasjonsmålinger rundt pilarer i gruva lave verdier. Dette indikerer stabile forhold i gruva og at pilarlastene er vel balansert mot pilarens kapasitet, noe som også ble observert ved befaring. Figur 30 Fordeling av spenninger rundt gruverom (σ 1 ), ingen signifikante spenningskonsentrasjoner gir muligheter for brudd 36 av 56

38 Figur 31Største hovedspenning (σ 1 ) rundt gruverom Figur 31 viser største hovedspenning (σ 1 ) med oppgitte verdier i pilaren mellom to tenkte gruverom. Høyeste angitte verdi er ca. 18,6MPa, som er angitt nærmest gruverommene. Verdiene synker innover i pilaren til ca. 9,5MPa. Figur 32 Minste hovedspenning (σ 3 ) rundt gruverom Minste hovedspenning (σ 3 ) er vist i figur 32. Her er høyeste antatte verdi oppgitt å være ca. 7,1MPa. Det er ingen av disse spenningsforholdene som forventes å føre til brudd. 37 av 56

39 Figur 33 Deformasjon rundt gruverom Figur 33 angir beregnet deformasjon i gruverommene. Deformasjonene er svært små, kun opptil 1mm. Dette indikerer stabile bergmasseforhold. Det er tidligere utført spenningsmålinger i pilarer på nivå 212 (SINTEF, 2005). Resultater fra dette er vist til høyre i figur 34. Til venstre i samme figur er det vist belastning i pilarer basert på modellen utarbeidet i dette prosjektet. Resultatene fra modellen og tidligere utførte spenningsmålinger er like. Figur 34 Belastning i pilarer på nivå -212, modellert belastning til venstre, målt belastning til høyre (SINTEF, 2005) Med bakgrunn i dette kan det konkluderes at modellen er realistisk og kan benyttes for videre analyser. 38 av 56

40 Resultater av modellen I situasjon 3 er belastninger fra brukonstruksjonen implementert i modellen. Spenningsfordeling av største hovedspenning (σ 1 ) er vist i figur 35. De horisontale konturlinjene av σ 1 under nivå 40 indikerer at lastene fra brua vil ha tilnærmet ingen innvirkning på spenningsforholdene i gruva under dette nivået. Figur 35 Spenningsfordeling av største hovedspenning (σ1) For minste hovedspenning (σ 3 ) er fordelingen som vist i figur 36. Figuren viser en svak økning i minste hovedspenning som en følge av lastene fra den planlagte brua. Figur 36 Spenningsfordeling av minste hovedspenning (σ 3 ) 39 av 56

41 Figur 37 viser total forventet deformasjon som en følge av planlagt bru. Figur 37 Forventet deformasjon Som det framgår av figur 37 er maksimum deformasjon kun et par millimeter, noe som indikerer stabile forhold. I tillegg til dette er det tilnærmet ingen skjær eller spenningsbrudd rundt gruverommene. Med bakgrunn i resultatene fra modellen kan det konkluderes at brua kan plasseres over gruva. Nødvendig sikkerhet er ivaretatt dersom følgende punkter er oppfylt; Gode bergmasseforhold og gunstige in situ bergspenninger Sikker gruvedrift (rom&pilar) med fornuftige dimensjoner på både rom og pilarer Stor overdekning over gruva (over 100m overdekning) 40 av 56

42 12 Vurdering av tunnelmuligheter Som vist i figur 2 omfatter alternativene 1 5 (deriblant 16031) ulike varianter med veg i dagen og korte tunneler. Alternativ 6 (17110) omfatter kun veg i dagen. SINTEF har vurdert alternativene 1 5 under ett, da de har tilnærmet lik plassering i terrenget. Hovedforskjellen på disse alternativene er hvor vegen går i dagen og hvor den er tenkt lagt i tunnel. SVV har oversendt plantegning, se figur 38, over en ca. 350m lang tunnel ved alternativ (som vist i figur 3). Figur 38 Utsnitt veglinje for tunnel på alternativ ( ) Fra SVV Tunnelen er plassert mellom Norcems profiler 95 og 99 gjengitt i vedlegg 3. Her ligger kalkforekomsten grunt, og som det framgår av disse profilene er overdekningen fra heng i gruverommene til terrengoverflaten lav, i størrelsesorden 40 50m. SVV har også oversendt to snitt for tunnelen, ved profilnummer 8650 med overdekning ca. 40m fra tunnelsåle, og ved profilnummer 8800 med overdekning ca. 55m fra tunnelsåle. Dette betyr at en tunnel i dette området trolig vil gå gjennom kalkforekomsten som Norcem driver i, trolig også krysse/gå gjennom Norcems gruverom. I dette tilfellet kjenner man ikke bærekapasiteten til gjenstående pilarer i området der en tunnel vil krysse over bergrommene med magasinbrytning og den langstrakte rom&pilar løsningen. På 41 av 56

43 generelt grunnlag bør overdekning fra en tunnel til terrengoverflaten være 1,5x tunnelens bredde. Her bør den nok være noe større med bakgrunn i de stabilitetsmessige usikkerhetene. Tilsvarende gjelder avstand mellom tunnelsåle og heng i gruva. Avstander av en slik størrelsesorden vil ikke være mulig, selv med justering av veglinja. Det anbefales derfor ikke etablering av tunneler i dette området. Som nevnt tidligere forventes de gamle gruveområdene (merket med gult i figur 5) å ha svært usikker stabilitet. Områdene er stengt av slik at det ikke er mulig å foreta kartlegging her. Usikkerheten knyttet til plassering av tunneler i dette området anses derfor som stor. Når man i tillegg av kartgrunnlag kan se at avstand mellom heng i gruverommene og mulig tunnel blir svært kort, anses det som svært risikofylt å planlegge tunneler i disse områdene. Som nevnt i prosjekttilbudet er tunnelalternativene sør for gruvene, dvs. tunnelen i området merket A i figur 1, ikke omtalt nærmere. Her vil tunnelen komme i kontakt med en antatt svakhetssone som stryker Ø V, men dette vil være løsbart. I tillegg ser man her av kartgrunnlag at avstand mellom eventuell tunnel og gruverom vil være så stor at planlegging av tunnel i dette området vil være gjennomførbart. 42 av 56

44 13 Vurdering av bergskjæringer 13.1 Bruddmekanisme for bergskjæringer Utrasinger kan deles inn i hovedklasser basert på bruddflatene ved utrasing. De tre hovedklassene for utglidninger i sterke bergarter er plan utglidning, kileformet utglidning og toppling/utvelting som vist i figur 39 (Wyllie og Mah, 2004). Det er viktig å huske at virkeligheten ofte er mer kompleks, og de rasmekanismene som finnes i virkeligheten kan ofte være en kombinasjon av flere teoretiske utglidningstyper. I sterke bergarter er det mest vanlig med utglidning langs en eller to plane flater. Plan utglidning oppstår når utrasinger skjer langs et plan som er tilnærmet parallelt med skjæringen, og planet har utgående i skjæringen. Når utrasingen skjer langs to plan oppstår kileformet utglidning. Skjæringslinjen mellom de to planene må i dette tilfellet ha en fallvinkel som er mindre enn skjæringens fallvinkel. Både for plan og kileformet utglidning gjelder at de drivende kreftene må overvinne friksjonsmotstanden langs glideplanene. Toppling/utvelting skjer ved at flak av berget tipper utover. For at dette skal kunne skje må fallretningen til diskontinuitetsplanene være innenfor cirka 10 i forhold til skjæringens fallretning. I tillegg er det en forutsetning at sprekkeflatene faller utover i forhold til skråningen og at sprekkene er relativt steile. Kinematisk analyse er en metode som kan brukes for å finne potensielle utglidningstyper i et område. Målte strøk og fallverdier plottes i et stereonett. Ved å lage konturplott for slike verdier er det mulig og vurdere eventuelle polkonsentrasjoner, eller mangelen på konsentrasjoner. I et slikt stereonett tegnes det i tillegg inn en storsirkel som representerer skjæringen. Figur 39 viser hvordan slike konturplott kan brukes til å si noe om mulige utglidningstyper i et område. De stiplede linjene representerer polkonsentrasjonenes storsirkler, mens de heltrukne linjene representerer skjæringen. 43 av 56

45 Figur 39 Bruddmekanisme for bergskjæringer (a) plan utglidning, (b) kileutglidning og (c) toppling/utvelting (Wyllie og Mah, 2004) 44 av 56

46 13.2 Vurdering av bruddmekanismer for bergskjæringer SVV har oversendt plantegning som viser bergskjæring langs vegtrasé i alternativ 6, dvs. det sørlige vegalternativet hvor vegen går i dagen over hele strekningen. Plantegningen er gjengitt i figur 40. Figur 40 Utsnitt veglinje med bergskjæringer for alternativ ( ) Fra SVV I tillegg er det oversendt snitt som viser at bergskjæringene rundt profilnummer kan få en høyde på over 10 m på begge sider av den planlagt vegen. Stedvis kan skjæringshøyden bli opptil 30m. I følge Eurokode 7 vil skjæringene dermed havne i geoteknisk kategori 3. Skjæringshelningen er representert som 1:3,5. retningen på veien er i dette området ca. N35Ø/ N215Ø. Basert på sprekkekartlegging i dagen er det laget et konturplott, og ut i fra dette er det mulig å vurdere potensielle stabilitetsproblemer. På figur 41 representerer de lysegrønne linjene vegskjæringenes hovedorientering som er aktuell ved profil , det vil si ca. N35Ø. De to linjene nærmest diagrammets senter representerer en helning på 1:10, vanligvis brukt for bergskjæring, mens de ytterste linjene tilsvarer en skjæringshelning på 1:3,5, som kan leses ut av oversendt tverrprofiler fra SVV. Hver av skjæringsmarkeringene er markert med to plan med motsatt fall, noe som representerer skjæringer på begge sider av vegen. De nummererte linjene representerer hver sin tilsvarende nummererte polkonsentrasjon. Det ble brukt 2 forskjellige polkonsentrasjoner for det svært vanlig steilt sprekkesettet med strøk rundt N260Ø eller N290Ø. Diagrammet er basert 22 målinger. Generelt er det ønskelig med et noe mer omfattende grunnlag, men på grunnlag av dataene konturplottet er basert på ser det ikke ut til å være noen stor risiko for plane utglidninger og toppling. 45 av 56

47 Det er en liten mulighet for kileutglidninger for en kombinasjon av sprekkesett 2 og 4 dersom skjæringene utformes med helning 1:10. Sprekkesett 2 har så lavt fall at det sannsynligvis overgås av friksjonsvinkelen til bergmassen, noe som vil virke stabiliserende. Figur 41 Vurdering av potensielle stabilitetsproblemer for bergskjæringer rundt profil 9950 for veglinjen Bergskjæringen rundt profil 9950 ligger ved Norcems profil 82, se figur 8. Med bakgrunn i dette profilet ser man at kalkforekomsten ligger grunt, ca m under terrengnivå. I området forekommer det også en forkastning, noe som kan redusere avstanden ytterligere. Som det framgår av profilene til SVV vil skjæringsveggene stedvis bli opptil 20 30m, noe som betyr at avstand fra såle i skjæring til heng i gruverommene stedvis kan bli lav. Dette utelukker ikke mulighetene for etablering av bergskjæringer og veg i dagen i dette området. Men det anbefales at det ses nærmere på veglinja og vegnivå slik at dette kan tilpasse for å oppnå nødvendig avstand fra såle bergskjæring til heng gruverom. 46 av 56

48 13.3 Vurdering av stabilitet for veg over gruveområdene For alternativ 6 (ref. figur 2) er det ved profilnummer planlagt vei i dagen med tilhørende bergskjæringer. Vegen er plassert over gruva som i dette området ligger grunt. Med bakgrunn i dette er det nødvendig å se nærmere på hva som er sikker vertikal avstand mellom planlagt veg og gruverom. Figur 42 Alternativ 6 med veg planlagt over gruva (fra SVV), hvor aktuell strekning er markert med rødt. I det videre er det utarbeidet en modell for å se nærmere på mulighetene for etablering av veg og bergskjæringer i områder hvor gruva ligger med lav overdekning til terrengoverflaten. Det er i modellen lagt til grunn en avstand på 20m fra ny veg til heng i gruverommene. Videre tar modellen utgangspunkt i snitt ved profilnummer 9930 hvor planlagte bergskjæringer vil bli høye, se figur 43. Figuren viser planlagt vegnivå og gruverom, og forenklinger av profilet er markert med rødt. Vertikal avstand Figur 43 Snitt ved profilnummer 9930 fra SVV 47 av 56

49 I dette området hvor gruva ligger så grunt, må man anta at bergmassekvaliteten vil være som kartlagt i dagen og vist i figur 44. Bergmassen antas å være god, men lokalt finnes dårlig soner. Kartlagte Q verdier i området varierer mellom 0,09 og 19 (se tabell 1). Soner med dårlig bergmasse God bergmasse Figur 44 Bergskjæring kartlagt i dagen Følgende bergmasseparametre er benyttet som input i modellen: UCS fra laboratorietester: 60 MPa (antatt verdi) Poissons tall: 0.3 (se tabell 4) E modul: 60 GPa (se tabell 4) Bergmassekvalitet fra ingeniørgeologisk kartlegging i dagen: Q=0,09 19 (se tabell 1) Q' = når Jw = 1 og SRF=1 => Q' = 0,22 19 Ut i fra estimert Q verdi er bergmassen klassifisert som god til svært god. For videre input i den numeriske modellen er Q' konvertert til GSI: GSI = 9.ln(Q') + 44 = 9x ln(0,22 19) => I det videre benyttes snittverdi på av 56

50 Videre er det antatt at dimensjon på gruverommene er 10m x 10m og at tykkelsen på pilarer er 10m. Dette er vist i figur 45. Figur 45 Antatte dimensjoner på gruverom og pilarer Resultatet av modellen er vist i det følgende. Vurderingene er i utgangspunktet gjennomført for alternativ 6 (ref. figur 2), men konklusjonene og anbefalingene vil være gjeldende også for andre alternativer dersom tilsvarende forutsetninger som beskrevet her kan legges til grunn. 49 av 56