5 ä"ìëiïi,î,i ï%"'5il [ i* *

Transkript

1 FJE LLSPRENG N INGSTEKN I K K 5 ä"ìëiïi,î,i ï%"'5il [ i* * BEGREPET DAGFJELL OG TUNNELBYGGING The concept of surface weathering and tunneling. Professor Rolf Selmer-Olsen, Geologisk lnstitutt, Universitetet i Trondheim, Norges Tekniske Høgskole. SAMMEN DRAG I fjellrom på grunt dyp har en ofte problemer med stabiliteten. Det gis en beskrivelse av det overflatenære fjells (dagfjellets) spesielle karakter regionalmetamorfe områder og et forslag til en enkel klassifisering, Ärsaken til den spesielle karakter hos dagfjellet omtales og de målemetoder som kan nyttes til å bestemme sonens mektighet diskuteres. SUMMARY Surface weathering of rock masses often causes great stability problems in underground openings, even in earlier glaciated hard-rock areas as in Norway. The reasons for the special character of such rock masses are discussed. A simple classification system dividing the surface weathered rock masses in three zones is suggested. Ways and means of estimating the depth of the different zones are discussed. INNLEDNING Vi er alle klar over at fjellet nær fjelloverflaten meget ofte er vanskelig stabilitetsmessig sett bãde ískjæringer, pähugg, tunneler og særlig ifjellrom med store spennvidder. De problemer som dominerer nær fjelloverflaten er heller ikke de samme som plager oss mest på større dyp. Vi kaller denne Øvre vanskelige fjellsone uten nærmere dífferensiering for dagfjellssonen. Slik forholdene nå synes å utvikle seg med gruntliggende tunneler ogi store fjellrom, til dels i små fjellkoller i tettbebygde strøk, kan dagfjellet lett komme til å bli et av våre alvorlige problem. Hvor dypt dagfjellssonen gär, og hvilken karakter den har, vilvære av stor viktighet for oss å vite. Dette er imidlertid ingen enkel sak. Vi vet sjelden hva vi egentlig har av dagfjell over et anlegg, selv etter at det er ferdig bygd. Vi bruker visse erfaringsregler for vurdering av dagfjellssonens mektighet, men disse er íkke alltid dekkende og feilvurderinger kan bety meget Økonomisk og sikkerhetsmessig. Oppmerksomheten bør derfor i større grad konsentreres om dette problem. DAGFJE LLETS SPESI ELLE KARAKTER Det vi erfarer fra anleggene er at dagfjellssonen gir vannlekkasjer nær sagt etter alle sprekker, ofte i takt med nedbøren. Videre får vi ofte en meget stor prosent overmasse ved sprengninger, meget renskearbeide og ras eller utfall om ikke både karakteren av dagfjellet og

2 I ( som står som innbyder til Fjellsprengningskonferansen, Bergmekanikkdagen og Geoteknikkdagen' Med spenning har vi sett frem mot reaksjonen på innbydelsen. For oss som arrangører er spenningen utløst og det er selvfølgelig med stor glede vi registrerer den overvetdende oppslutning om arrangementene.' imidlertid - det er ikke noe lite ansvar vi påtar oss med å trekke så mange, forhåpentlig velgasierte mennesker ut av sitt daglige virke i to dager. SpØrsmålet om vi gir dem valuta for pengene vil lett dryppe som maluit ilegeret. Nåvel, vi får feie nagende tvil tit side. Vi mener nå iallfall selv at vi har fått snekret i sammen program for dagens to arrangement som skal være interessante og utfordrende for såvel foredragsholdere som møtedeltakere. Med -freidig mot vil eg Oe*or erklære Bergmekanikkdagen rgtb og Geoteknikkdagen rgtb for åpnet.

3 15.2 or enteringen av fjellrommet er spesielt gunstig. Stabilitetsproblemene Øker gjerne med spennvidden. Det som først og fremst synes å mangle idagfjellssonen er innspenning og sammenheng av fjel lmassen. Det som faller en iøynene når en ser dagfjell, er den spesielle rustfarge som dagfjellet ofte har. Den finnes først og fremst pä sprekker, men av og til er også selve bergarten sterkt forvitret, med rustfargede råtaganger som skjærer dypt ned i dagfjellssonen. Videre ser en at tettheten av sprekkene er langt st@rre enn dypere nede ifjellet. De har imidlertid stort sett de samme retninger, men ofte kommer det itillegg sprekker som går nær parallelt overflaten. Påfallende er det hvor åpne sprekkene ofte er. Dette gjelder ikke alene sprekker hvor leire, kalkspat e.l. helt eller delvis er vasket ut, men nær sagt alle typer sprekker. Sprekker med cm eller dm åpning, til dels fylt opp av løsmateriale fra overflaten, finnes ikke sjelden i dalsider. Sprekkenes ãpenhet avtar vanligvis fort med dypet. Noen skarp grense til det underliggende uforstyrrede fjell kan en íkke peke på. Man merker bare at massiviteten etter hvert tiltar, rustfargen forsvinner, lekkasjene blir mindre og synlige stikk og sprekker blir lukket og sementerte. Den mektighet av dagfjellssonen som vi registrerer ivãre anlegg og skjæringer varierer fra 0 til over 50 m. Den kan synes avhengig av topografien, bergartstypen, oppknusningsgraden, mengden av overliggende løsmasser, høyden over havet og til dels forhold som synes bestemt av den tidligere geologiske historie i omrãdet. Bare for enkelte situasjoner har vi visse noenlunde sikre holdepunkter ut fra erfaringer, men generelle regler som vil være dekkende for alle situasjoner har vi ikke. Ut fra vår byggetekniske problemstilling har vi også et behov for å klassifisere dagfjellet. Det er nemlig ikke alltid like håpløst å ha med â giøre. Man kan grovt rale om tre forskjellige soner eller typer av dagfjell. A. Den undre dagfiellssone. Denne skiller seg bare fra det underliggende fjell ved litt større sprekketetthet og permeabilitet. Den har relativt store blokkenheter som er rimelig sammenhengende. Oftest finner en ikke rust på sprekkene, men karbonatfyllinger er i forholdsvis stor grad løst opp. Enkelte sprekker nær parallelt overflaten kan være åpne p.g.a. høy spenningsanisotropi, men det er gjerne horisontalspenninger imãssen som er større enn hviletrykket. Dette er mange steder den eneste dagfjellssone vi har fätt dannet etter istiden, og den kan ofte være brukbar som tunnelfjell. B. Den sentrale dagfiellssone. Denne sone ligger over den undre. Den har en vesentlig større sprekketetthet og permeabilitet enn det underliggende fjell. Dertil er sprekker parallelt overflaten vanlige. Rust finnes ofte på alle sprekker og sprekkene er åpne og kommuniserende. Sammenhengen ifjellet er med andre ord brutt og horisontalspenningene er lik eller mindre enn hviletrykket. Bergarten som sådan er imidlertid tilnærmet frisk og uforvitret. Det er denne sone vi oftest tenker på når vi taler om dagfjell. C. Den øvre dagfiellssone. Denne sone kan rent lokalt skjære dypt ned i den sentrale. Vi har ikke sã meget av den her i landet fordi vi har hatt en istid for bare 1O.OO0 är siden, som har skrapt godt med seg. I denne sone er selve bergarten synlig forvitret. Det vil si fjellet er smuldret opp av frosten ogleller p.g.a. kjemisk forvitring slik at massen eller deler av den nærmest kan betegnes som en løsmasse. Ofte har den en struktur grovt sett som fjellet.

4 I I 15.3 Det er i gamle permafrostområder høyfjellet vi har mest av slikt dagfiell- Vi finner det imidlertid også i lavlandet i skifrer og av og til i lag av biotitthornblende-gneis, i charnokitter og syenitter etc. Denne sone kan skape virkelig store problemer ved tunnelbygging. Det er naturlig ingen skarpe overganger mellom disse tre soner. Det vi er interessert i er hver sones maksimale dyp, dvs. hvor løsmassekarakteren opphører og hvor en rimelig innspenning begynner. I dagen kan det ofte se ut som vi bare har den undre dagfjellssone. Det vil si fjellet virker rnassivt i overflaten, men under 1 m dyp kan det likevel være sterkt smuldret. Dette finner en ofte hvor en har bergarter med høye residualspenninger, f.eks. i Oslofeltets batolitter. Den iserosjon og utvasking som har foregått har ofte etterlatt seg en overflate som er langt mer tilforlatelig enn fjellet umiddelbart under. Det er derfor ikke lett ut fra overflaten å avgjøre hvordan dagfjellskarakteren egentl g er. ÃRSAKEN TI L DAGFJELLSDANNELSER Da vi ofte knytter våre vurderinger av dagfjellsdybden til indirekte fenomener, dvs. til enkelte sekundære følger av at der er dagfjell, skal årsakene til dagfjellsdannelsen kommenteres noe for ã belyse litt av feilkildene i vårt vanlige vurderingsgrunnlag. Det aller meste av fjellgrunnen her ilandet består av regionalmetamorfe bergarter som har fått sin tekstur under meget høye trykk og temperaturer. Fjellmassene er p'g.a. dette så overkonsolidert at kornene har formet seg etter hverandre og istor grad vokst sammen' porene er jevnt over bare submikroskopiske stikk med retninger bestemt av de spenningssituasjoner fjellmassen i tidens løp har vært utsatt for. Porene henger imidlertid for en stor del sammen isystemer av flatklemte rør. Dette gir også svakhetsretningene eller kløyven i bergartene. De spenningssituasjoner fjellmassen har stått under etter at den ble formfast, har gitt stikk og klare bruddflater i form av slepper. Disse er meget tidlig blitt sementerte. Det er etter mange millioner års nedtæring av fjelloverflaten at disse krystalline masser nå er blottlagt. Den temperatur massen hadde opprinnelig er redusert med flere hundre grader Celsius, og trykket med flere tusen kp/cm2. Krympingenved avkjølingen har etter alt å dømme vært mindre enn tilbakegangen ielastisk deformasjon. lkke ubetydelige spenninger bl.a. i form av residualspenninger står ofte igjen helt ut til fjellets overflate, naturligvis unntatt imange små fjellkoller, enkelte fjelltopper og ideler av dagfjellet' Der store residualspenninger ble bevart under nedtæringen og avlastningen har den store spenningsanisotropien som oppsto, ført t l avskallinger eller sprekker nær parallelt overflaten. Lignende sprekker har vi også fått på steder hvor dype daler er blitt skåret ned i jordoverflaten og da p.g.a. de spenningsanisotropier som topografien er årsaken til. Så langt som de årl ge temperaturvekslinger går ned i fjellet, har denne ytre påkjenning fått arbeide med fjellmassene. Både stigende og synkende temperaturgradienter over 100 ganger større enn dypere i fjellmassen, har vært funksjon. Disse temperaturgradientspenninger har addert seg t l residualspenningene. At mange bergarter derfor har sprukket opp etter kløyven, stikkende og de sementerte sprekker er naturlig å vente. Likeledes at sprekker parallelt overflaten er dannet. Etter sprekkene har så frostforvitringen og den kjemiske forvitring fått arbeide videre rned å bryte ned fjellet. Kalkspat isprekkefyllinger er løst opp. Kis er forvitret, men ellers er

5 15.4 de kjemiske angrep pã andre mineraler hos oss oftest små. Bergarten er imicllertid ofte svekket isine mineralbindínger ved utluting. Bare ifä bergarter har mer komplekse kjemiske prosesser foregått, f.eks. i alunskiferen. På den annen side er jernoksyd utfelt, men dette er oftest et løst belegg som mer reduserer enn Øker friksjonen. Frostsprengningen har hatt større virkning enn de kjemiske anqrep, særlig i høyfjellet. I enkelte fjellkoller, fjelltopper og bratte partier av dalsider hvor det er en manglende horisontal innspenning har også vannet kunnet virke hydraulisk splittende på fjellet. Under dagfjellet stär det imidlertíd fortsatt store nok spenninger igjen til å hindre at sammenhengen i fjellmassen er Ødelagt. uten tvil er mange stikk utvidet og sementeringer brutt også her, men det er ikke blitt en ren blokkmasse ut av fjellet. spenningsniväet er også så lavt at fjellmassen vanligvis ingen vanskeligheter har med å tåle det. lregionalmetamorfe bergarter er det med andre ord en vesentlig endring ifjellets sammenheng og spenningssituasjon ved overgangen til undre dagfjellssone. I umetamorfe sedimentære bergarter er kornene bare sementerte. Massen har ikke vært utsatt for høye temperaturer og spenninger hverken under sin dannelse eller senere. De har ikke fått kløyvegenskaper og stikk på samme måte som de metamorfe bergarter. Har de vært med under unge tektoniske bevegelser og fått sprekk"r, ", disse ofte ikke sementerte. Sprekkepermeabiliteten er derfor stor selv dypt nede ifjellmassen, mens porepermeabiliteten istor grad varierer med mineralkornst@rrelsen ibergarten. Med andre ord bergartene i seg selv har ofte noe av den karakter vi har i nedre del av den sentrale dagfjellssone i våre regionalmetamorfe områder. I umetamorfe effusivbergarter, gangbergarter og til dels kontaktmetamorfe bergarter har vi ogsã noe spesielle forhold idet temperaturene under bergartsdannelsen har vært meget store, mens spenningene har vært små. Disse bergarter har derfor krympet sterkt og sprukket opp. ofte kan imidlertid disse sprekker være delvis sementerte. Kalkspatmarmor, kalkstein og kalkspatfyllinger er ogsä noe spesielle med sine karstfenomener som kan finnes til meget stort dyp. Karstfjell kan vanskelig regnes til det vi kaller dagfjell, selv om det oftest er en følge av nedsigende vann fra dagen. Ví må regne karsten som et separat problem. BESTEMMELSE AV DAGFJE LLSSONENS DYBDE For å bestemme dagfjellssonens dybde under en prosjektering har vi som nevnt nyttet enkelte sekundære fenomener. F.eks. har vi brukt det nivå hvor grunnvannet står eller det dyp hvortil det er oksydasjonsbelegg på sprekker eller det dyp hvortil permeabiliteten er spesielt stor. Lave seismiske hastigheter har også vært nyttet, likeledes betraktninger knyttet til frostdypet, vannforholdene og permafrostsoner i høyfjellet. La oss se litt på disse metoder. Tar vi først for oss grunnvannsnivået, sä er dette et resultat av tilsig og dreneríng. Det vil si av nedbør, avrenning, nedsig og avdampíng på den ene side og gradienten på grunnvannet og permeabiliteten ifjellet på den annen. Som en følge av dette vil det nær sagt alltid her ivårt fuktige klima være et vannreservoar som stär i dagfjellet, dvs' grunnvannsnivået vil stä et stykke opp i den sentrale dagfjellssone. A vurdere geologi, klima og topografi for å bestemme grunnvannsnivået og ut fra dette igjen undre grense for den sentrale dagfjellssone, er ingen lett eller entydig sak. Det kan ifall bare gjøres meget grovt. Grunnvannsnivået i fjellet varierer også meget gjennom äret og i sykler gjennom lange årrekker. Særlig stor er ofte variasjonene der en har oppknuste soner med en viss drenering. Dísse partier utgiør også de steder hvor dagfjellet går dypest og som derfor oftest er de mest interessante i vãr problemstilling.

6 15.5 Oksydasjon av oppløst jern vil vanligvis kunne skje så langt ned som det er luft på sprekkene, dvs. til laveste grunnvannsnivå. I Boreal og Sub-Boreal tid var klimaet mildere og tørrere enn i dag. Oksydasjonen går derfor ofte dypere enn grunnvannsnivået i våre dager. Heller ikke ved dette fenomen har vi en entydig markering av undre grensefor den sentrale dagfjellssone. Blant annet mã vi regne med at det ogsã i de tørre og varme perioder har vært langt mer nedbør i enkelte deler av landet enn i andre. Det vil si oksydasjonen itørre strøk kan ha gått ned på de spredte lekkasjesprekker ifjellet under dagfjellet, mens den ivåte strøk kan ha stoppet langt oppe i den sentrale dagfjellssone. Under humide forhold er heller ikke iernutfellingen særlig utpreget. lkke desto mindre synes dette å være et av de bedre midler vi har i visse strøk av landet ved vurderingen, fordi vi ved boringer eller studier i fjellskjæringer rimelig enkelt kan etterspore nedre oksydasjonsnivå pã stikk og bruddflater. Et annet trekk ved dagfjellet er den store sprekketetthet iforhold til idet underliggende fjell, men også her er det lett å vurdere saken feil i borkjerner. For det første må en ha sprekkefrekvensen É større dyp til å sammenligne med. For det annet er det også soner i det dypereliggende fjell hvor sprekketettheten lokalt kan være stor. Dertil gir kjerneboring ofte en falsk sprekketetthet avhengig av bergartens styrke og struktur og den måte det bores på. Den større permeabilitet ídagfjellet gir seg ofte klart til kjenne ved målinger i borhull. De mange erfaringer fra brønnborínger, damstedsundersøkelser og annet, virker overbevisende. Men også her kan mistydninger lett skje p.g.a. at underliggende fjell har meget varierende permeabilitet, bl.a. avhengig av bergartstype og lokale sterkt vannførende knusningssoner som kan forekomme i nær t lknytning til dagfjellet. VanninnpresningsforsØk kan også lett føre til at fjellet splittes om det poreovertrykk som anvendes er for stort. Meget taler for at en bør ha en egen prosedyre for måling av permeabilitet ved bestemmelse av dagfjellsmektigheter, som spesielt sikrer en mot hydraulisk splitting. Det man kommerfrem tilved permeabilitetsmålinger er oftest et eller annet nivå i undre dagfjellssone. Ved seismiske målinger synes det heller ikke lett å fã dagfjellets mektighet entydig bestemt fordi overgangen til upåvirket fjell er svært uskarp og diffus. Ventelig vil også grunnvannsnivået markere seg og vanskeliggjøre tydningen. Det er imidlertid ikke utelukket at en utvikling av den seismiske teknikk, med dagfjellsmektigheter for Øyet, kan ha noefor seg. Noen muligheter for å beregne hvor dypt frosten har virliet i høyfjellet har vi ikke. I lavlandet kan det teoretisk sett kanskje virke noe enklere, men også her vil det utvilsomt skape vesentlige problemer. De hjelpemidler som er knyttet til geologi, frost, topografi o.l. synes fortsatt å måtte være blant de hjelpemidler som bare gir indikasjoner på en sannsynlig m i nste dagfjel lsdybde. Ved prosjektering av grunne anlegg, særlig der en har store spennvidder, er det ofte viktig å fã nøyere avklart hvor undre grense av den sentrale dagfjellssone går. Det beste en i dag kan anbefale er å kombinere observasjoner av oksydasjonsnivået og sprekketettheten på borkjerner med spesielle permeabilitetsmålinger i borhullene, men til dette som er en punktundersøkelse trenges det geologisk innsikt for borsetning og tydning. Det å plassere store haller på et grunnere dyp enn halve spennvidden under den sentrale dagfjellssone, må sies å være å ta store sjanser på stabiliteten, selv om hallene har en ideell orientering iforhold til sprekkeretninger og spenninger. I dag står vi ofte, likesom under forsvarsutbyggingen i femtiårene, overfor problemet med å plassere store haller i små oppstikkende fjellpartier eller høye dalsider. La oss prøve ã takle problemene bedre enn vi gjorde den gang.