RAS I VANNTUNNELER ET VEDLIKEHOLDSPROBLEM?

Transkript

1 1 RAS I VANNTUNNELER ET VEDLIKEHOLDSPROBLEM? av Dr. scient. Arild Palmstrøm, Norconsult as SAMMENDRAG I Norge har vi i de 100 år som er gått n oppstart rundt 3300 km vanntunneler. Tilstanden til disse må ut fra observasjoner gjort i en del av dem, sies å være god. I artikkelen er det gitt en oversikt over en del ras og større nedfall. Som forventet har det foregått en del nedfall som ikke har nevneverdig betydning for falltapet. Det har imidlertid også oppstått en del større ras. Det er disse som har betydning for det enkelte kraftverket, da utbedring av slike er meget kostbare og tidkrevende. Utbedringen av 3 blokkeringsras som forfatteren har opplysninger om, har tatt fra 17 uker til 1 år. Det foregår en kontinuerlig, langsom elding av betong samt korrosjon av bolter, hvilket innebærer at det også i fremtiden vil kunne foregå ras i vanntunnelene våre. Ved jevnlige inspeksjoner er det en mulighet for at begynnende rasutvikling kan oppdages, slik at utbedring i tide kan hindre store ras i å oppstå. Forfatteren tar gjerne imot opplysninger om observasjoner i tunneler og da spesielt ras og eventuelt utbedring av disse ( tel. sentralbord / direkte / mobil ). 1 Innledning Jeg har forsøkt å finne når den første kraftverkstunnelen ble bygget i Norge. Det første kraftverket kom i drift på midten av 1890-tallet, men her var det ikke noe fjelltunnel. Sarpsfossen er blitt bygget ut i utallige trinn. Det første på slutten av 1890-årene. I ble det foretatt en utvidelse der det i "Norske kraftverker" står at "man som inntakstunnel tok i bruk en gammel tunnel fra 1842". Dalsfoss 3000 kraftverk i Kragerøvassdraget, ble ferdig i Det har en kort tilløpstunnel. Lengde av vanntunneler for kraftverk (km) Det er således omkring 100 år n de første vannkrafttunnelene ble bygget i Norge og det er på tide å se nærmere på hvilken tilstand disse har. Norge har vært et foregangsland innen utbygging av vannkraft fram til begynnelsen av 1990-årene da vannkraftutbygging tok slutt. I denne perioden på 90 år ble det bygget 3300 km med kraftverkstunneler (figur 1). Vi har vel 200 kraftstasjonshaller i berg noe over 1/3 av alle slike i verden Figur 1. Samlet lengde av vanntunneler for kraftverk (etter Bruland og Thidemann, 1991) Dette har inspirert til bruk av berget til bygging av vegtunneler, vannforsyningstunneler og lagring av petroleumsprodukter i berghaller blant annet. Sammenlignet med folketallet er Norge på verdenstoppen i bruk av undergrunnen.

2 2 En viktig årsak til disse rekordene er at berggrunnen i Norge for det meste er relativt grei med vesentlig harde, krystalline bergarter. I overflaten er det friske bergarter, sjelden forvitring. Og da det ofte er blottet berg i overflaten, er det man ser her ofte representativt for bergforholdene nede i dypet. Ut fra studier av flyfoto er det ofte mulig å påvise opptreden av svakhetssoner, som i Norge er viktigste faktor når det gjelder ras i vanntunneler (figur 2). De viktigste utfordringene vi har er forekomst av svakhetssoner, vesentlig som gamle forkastninger. I tillegg har vi sprø bergarter som en del steder er utsatt for høyt bergtrykk slik at det oppstår sprakefjell. Store vannlekkasjer har lokalt gitt store driveproblemer og derav økte kostnader. 0 1km = Innsjø = Svakhetssone (forkastning) Figur 2. Opptreden av forkastninger i Finnmark (fra Selmer-Olsen, 1964). Berggrunnen i Norge har stort sett samme karakter: harde krystalline bergarter gjennomsatt av forkastninger og svakhetssoner. Det er svakhetssonene som har forårsaket de store rasene i våre vanntunneler når de har vært utilstrekkelig sikret. Derfor er det viktig å kunne påvise disse allerede under planleggingen av tunnelen 2 Hvordan er våre vanntunneler drevet og sikret? De eldste vannkrafttunnelen ble drevet med håndboring. Den 380 m lange Demmevasstunnelen for å hundre flommer fra den bredemte sjøen, ble drevet i Svelgfoss sto ferdig i 1907, samme året som Rjukan-anleggene ble påbegynt. Karakteristisk for tunnelene fra denne tiden var få borehull og brenning av hullene for å få plass til mer sprengstoff. Det ga meget ujevn bryting, idet ladningen brøt inn mot eksisterende sprekkeflater. Arbeidssikringen var hovedsakelig rensk. Bolter var relativt sjeldne, men tverrsnittene var generelt små og stabilitetsproblemene mindre. I store rassoner ble benyttet tømmerforbygning og stempling. Muring av mer permanente hvelv ble utført senere, også betongutstøpning. Maskinelt utstyr begynte å komme i bruk fra 1920, men først med knematere og hardmetallbor i 30 og 40- årene kom de store forbedringen i driveteknikken. Etter hvert som driveutstyret ble forbedret, økte også tverrsnittene og dermed også utviklingen av sikringsmidlene. Bolter med ekspansjonshylse kom etter 2. verdenskrig. Faste støpeskjold ble vanlige fra 60-årene. Deretter kom sprøytebetong fra slutten av dette tiåret. Fra inndrifter på noen få meter i uken for en 4 6 m² tunnel oppnås inndrifter på 150 m/uke i dag for m² sprengte tunneler. For fullprofilborede (TBM) tunneler er det oppnådd inndrifter på 427 m/uke. Den sikringsfilosofi som etter hvert er blitt benyttet, har funnet sin form etter lang tids praktisk erfaring. Det teoretiske grunnlaget må sies å ha vært mangelfullt inntil slutten av 1950-årene da fagene ingeniørgeologi og bergmekanikk ble introdusert. På den annen var kunnskapen om "fjell" god. Avdøde Prof. Rolf Selmer- Olsen gjorde en stor innsats i sitt engasjement og innsikt i 1950 til 1980-årene. Etter hvert ble betydningen av fagene akseptert og inngikk som en naturlig del av anbuds- og kontraktsgrunnlaget ved underjordsanlegg. De forskjellige kraftverkseiere synes å ha vurdert kravet til stabilitet noe forskjellig. NVE/Statkraft har stått i en særstilling i og med at de oftest selv har vært byggherre, konsulent og utførende entreprenør. Enkelte større elektrisitetsverk har selv ivaretatt byggherrens og konsulentens funksjoner. Bruland og Thidemann nevner at det kan synes som om disse grupper kraftverkseiere har vist en dristigere nyansering i krav til stabilitet enn de øvrige eiere som benyttet leid konsulentbistand i større grad.

3 3 Som eksempel siteres de tre første punktene i NVEs (Statkraft) "Retningslinjer for tunnelsikring" av desember 1972: "1. Tunnelen skal sikres i nødvendig utstrekning for å hindre skader på mennesker og materiell i anleggsperioden. Ansvaret for dette påhviler den stedlige anleggsledelse, likeledes valg av sikringsmetode og tidspunkt for arbeidet. Anlegget sørger selv for å skaffe seg nødvendig eksperthjelp utenfra om dette anses nødvendig. 2. Tunnelen skal ikke sikres utover det som er nødvendig for anleggsdriften. Dette innebærer at vi ikke detaljsikrer tunnelen. Det ville være økonomisk uakseptabelt å gardere seg mot blokkfall og mindre ras som etter vår erfaring ikke fører til påviselige ulemper eller økonomiske tap for driften. 3. I de tilfelle hvor anleggssikring ikke anses nødvendig, men hvor det etter anleggledelsens vurdering kan komme større ras etter at vannet er satt på, skal anlegget kunne utføre permanente sikringsarbeider omgående hvis tidspunktet for øvrig er gunstig for anleggsdriften." Disse retningslinjene fremhever anleggsstabiliteten som den viktigste del av tunnelsikringen, men gir i pkt. 3 et viktig tilleggspålegg om permanent sikring av potensielt rasfarlige partier, selv om disse er stabile i anleggstiden. Som eksempel kan nevnes soner med som inneholder svelleleire uten tilgang på vann. Disse kan være stabile i anleggsperioden før vannet settes på, men får en helt annen karakter når de blir oppbløtt av vann. Tørre soner med omvandlet berg der feltspaten har gått over til svelleleire kan være svært vanskelige å oppdage i en mørk tunnel med slam på veggene. Andre utbyggere av kraftverk har lagt større vekt på tunnelsikring som skal hindre ras og større nedfall under drift av kraftverket. Det har også vært vanlig med retningslinjer som går lengre i detaljsikring mot blokknedfall. De nevnte forskjeller i retningslinjer for stabilitetssikring av vanntunneler betyr ikke nødvendigvis at utført sikring i praksis er nevneverdig forskjellig. Av det materiale som er studert av Bruland og Thidemann synes det ikke at NVE/Statkrafts retningslinjer har ført til større eller hyppigere ras og nedfall. 3 Erfaringer fra diverse inspeksjoner av vanntunneler Nedfall og ras kan forekomme så vel under anleggstiden (bygging) som etter at tunnelen er tatt i bruk. Betegnelsen nedfall eller blokkfall benyttes når de samlede nedraste masser < 5 m³. Blokkfall benyttes når enkeltblokkene har størrelse over 60 cm. Ved utfall > 5 m³ benyttes betegnelsen ras. Ved full blokkering av tunnelen betegnes dette blokkeringsras. Kjølberg (1993) skriver at erfaringen fra inspeksjon av i gamle kraftverkstunneler, er at stabilitetssituasjonen gjennomgående er god. "Noe nedfall er å vente, men som regel er dette innenfor akseptable grenser. Utført sikring står vanligvis tilfredsstillende." Thidemann og Bruland (1991) inspiserte 330 km tunneler ved 29 vannkraftverk etter 8 70 års drift (se tabell 1). Tunnelene hadde tverrsnitt som varierte fra 6 m² til 70 m². Av de 250 km tunnel som ble rapportert i detalj, var det aller meste uten nedfall når blokker mindre enn 50 dm³ (liter) unntas. De fleste observerte ustabile partier hadde tilknytning til svakhetssoner. Tabell 1. Oversikt over nedfall og ras i 250 km vanntunneler inspisert av Bruland og Thidemann (1991) Type Beskrivelse Viktigste faktorer Nedfall /blokkfall Totalt 869 nedfall, i gjennomsnitt 3,5 nedfall/km tunnel med volum 0,8 m³ pr nedfall. Frekvens 0 17 stk/km tunnel. De fleste i usikrede partier. leirmateriale. Ras (volum > 5 m³ ) Blokkeringsras 45 ras (unntatt blokkeringsras), i gjennomsnitt 1 ras/km tunnel. Midlere innsnevring: 20% av opprinnelig tverrsnitt. 7 stk, hvorav 4 ved et anlegg under det som må karakteriseres som spesielle forhold. De 3 andre rasene var i overføringstunneler. Oppsprekning, spenningsomlagring og svakhetssoner med lite aktivt Soner/slepper med aktivt leirmateriale samt oppsprekking.

4 4 Antall ras nevnt av Bruland og Thidemann (1991) i norske vanntunneler (3300 km) som har satt tunneler ut av funksjon, er 6 blokkeringsras pluss 2 ras med mer enn 80% innsnevring. Felles er at de ble fleste ble utløst av middels til meget aktiv svelleleire. Rasene kom fra usikrede og sprøytebetongsikrede områder. Sikringsmidlenes tilstand var generelt meget god. Ekspansjonsbolter uten galvanisering hadde stått mer enn 20 år med små rustangrep. En oversikt er gitt i tabell 2. Tabell 2. Skader på sikring i tunnelen inspisert av Bruland og Thidemann (1991) Sikringsmiddel Beskrivelse % av skadene Bolter Manglende innstøpning, vesentlig av perfobolter pga. mangelfull utførelse. 80% Strekkbrudd pga. overbelastning. 20% Ingen boltebrudd pga. korrosjon Sprøytebetong Mindre sprekker og avskalling uten stabilitetsproblem 85% Overbelastning som skyldes svelleire 8% Skader pga. dårlig utførelse (dårlig rengjøring, vann etc.) 7% Betongutstøpning Mindre sprekker og svakheter som i stor grad skyldes utførelse og/eller 70% svelletrykk fra svakhetssoner Brudd pga. overbelastning (3 tilfeller). Ved 2 av rasene skjedde primærbruddet pga. mangelfull kvalitet. 30% Erfaringene til Bruland og Thidemann (1991) var for øvrig at i tunneler som ble inspisert like etter idriftsettelse (mindre enn 2 år) var antallet nedfall og ras av samme størrelsesorden som i tunneler inspisert meget senere. Friske bruddflater mange steder viser at en del nedfall og ras utløses eller videreutvikles ved tømming av tunnelene. Manglende oppdrift og økt sprekkevanntrykk antas å være hovedårsakene til dette. Steder eller områder der sikringsmidlene har vært for svake eller ikke dekket det ustabile området tilstrekkelig består av: blokk med for få eller for tynne bolter, for kort lengde på betongutstøpningen, som derved ikke har dekket hele svakhetssonen, dårlig utførte sikringsarbeider, der de i utgangspunktet var tilstrekkelig dimensjonert. Kjølberg (1993) skriver at rustangrep på bart, svart stål oftest er forbausende lite. Også sprøytebetong står bra. Han nevner Rendalen kraftverk som ble bygget i slutten av 1960-årene. Her hvor tørrsprøyting først ble utført i stort omfang, sto både uarmert og armert sprøytebetong godt etter da tunnelen ble inspisert etter 25 års bruk. Når det gjelder utstøpning utført på stuff har flere av disse knekket sammen fordi betongen partivis kan være dårlig fordi det var nedfall og ras i støpeformen under betongfyllingen slik at det ligger rasmasser innstøpt i betongen, som vist i figur 3. Slike støpeseksjoner burde egentlig vært forsterket før vannet ble satt på, for eksempel med en armert innerstøp. I dag kunne de i mange tilfelle vært forsterket med armert sprøytebetong. a b Figur 3. Rasmasser i støpeformen har ofte ført til dårlig kvalitet på betongutstøpninger. a) rasmasser under betongfyllling, b) ras etter forskaling (etter Kjølberg, 1993)

5 5 I den forbindelse er det interessent å lese hva Prof. Selmer-Olsen hadde observert allerede i 1964: "Fra tappete vanntunneler med montmorillonittslepper har en kunne iaktta at godt utførte uarmerte sprøytebetongsikringer er gjennomlokket slik at sleppematerialet har flytt ut. Der betongutstøpninger ikke helt har dekket en svelleleiresleppe eller det svake fjell, har en fått betydelige mengder sleppemateriale ut fra selv smale spalter. På steder hvor en har hatt ras i formen under utstøpningen, har det vist seg at leirsleppematerialet til dels har kunnet bane seg veg inn i tunnelen, om det ikke har hatt for grov karakter eller bremset av armering." 4 Oppsummering og konklusjoner Tabell 3 oppsummerer en del av de rasene og større nedfallene forfatteren har klart å finne opplysninger om. Tabell 3. Oversikt over en del ras og blokkfall i norske vanntunneler Sted Beskrivelse Tid etter vannfylling Hemsil 1 kraftverk m³ ras i 12 m² tilløpstunnel. 8 år Svakhetssone med svelleleire. Vemork kraftverk, Ras i tilløpstunnel opp til terrengoverflaten 75 år Leirinfiserte bergmasser. Tunnel med liten Rjukan 20 m over. (10 m berg + 10 m løsmas- ser). bergoverdekning (10 m) ligger i dagfjell. Savalen kraftverk Ras i by-pass tunnel i tilløpstunnelen i sikret med betongutstøpning. (By-pass tunnelen ble utført pga. ras under driving av hovedtunnelen). Årsak 12 år Dårlig utført utstøpning av en talk-kloritt svakhetssone. Rendalen kraftverk To ras og flere blokkfall. 14 år Utilstrekkelig sikring av leirsoner. Brokke kraftverk Lokale blokkfall i tilløpstunnelen. 15 år Løsning av bergflak pga. høyt bergtrykk (sprakefjell). Trollheimen kraftverk Stort ras i overføringstunnel. 30 år Oppsto i område med sleppete berg. Ras opp til dagen som ble oppdaget av en hytteeier. kraft- Mauranger verk kraft- Jørundland verk Fortun kraftverk Vinstra kraftverk (etter utvidelse) kraft- Sundsbarm verk Rafnes petrokjemianlegg Et lite ras og noen blokkfall i tilløpstunnelen (35 m 2 ) Et stort og mange små ras i en overføringstunnel Et stort blokkeringsras i tilløpstunnelen. 3 år Svakhetssone med svelleleire med for kort utstøpning Stort ras i overføringstunnel. 25 år Leirholdig knusningssone som var sikret med for kort utstøpning Tre store ras og mange mindre i vannforsyningstunneler m³ ras i trykktunnelen (35 m² ). Rasmassene var blitt transportert opptil 1,7 km nedover i tunnelen av vannstrømmen. 10 dager Svakhetssoner og slepper med aktiv svelleleire som var feilsikret med sprøytebetong. Det tok et år før alle rasene var utbedret og forsterket. 10 år I forbindelse med svakhetssoner. 35 år Utilstrekkelig sikring av leirsoner. 2 år Kloritt og talk-førende svakhetssone i fyllitt som var utilstrekkelig sikret. Det tok 3½ måned å utbedre raset Stort ras i tilløpstunnelen. 12 år Sannsynligvis i forbindelse med svakhetssone Stort blokkeringsras i overføringstunnelen (10 m² ). Vannstrømmen hadde bragt mye av rasmassene flere hundre meter nedover i tunnelen. 24 år Leirrik knusningssone (som ble utstøpt, men denne var for kort). Det tok 17 uker å utbedre raset. Duge kraftverk m 3 ras i avløpstunnelen. 11 år Foregikk mellom to svakhetssoner. Songa kraftverk Stort ras i overføringstunnel (15 m 2 ). 5 år Ingen informasjon Ras i overføringstunnel. 28 år Svakhetssone. Nye Skjerka kraftverk Lite ras. 1 år Utilstrekkelig sikring av sleppete berg. ras = nedfall av > 5 m 3 masser blokkfall = nedfall av enkeltblokker og/eller av små mengder De store rasene i tunnelene ved Sundsbarm, Rafnes og ved Vinstra skyldes utilstrekkelig sikring av større svakhetssoner. I den forbindelse er det relevant å se hva Prof. Selmer-Olsen skrev i 1964: "Ellers synes full utstøpning som helt eller delvis dekker svelleleiresonen og det svake fjell å være den utveg en har når det er større soner av aktiv svelleleire i vanntunneler eller på steder hvor en har lekkasje. Det må fremheves at betongen må slutte godt til friskt fjell på ne og at det ikke er flere meter dypt hulrom bak betongen. Nyttes det vanlig

6 6 hesteskoformede profil, må en sikre seg mot innknekning i veggene bl. a. ved å sikre veggenes vederlag i sålen. En bør også være oppmerksom på at i fall en har en meget bred sone av aktiv svelleleire vil den om den finnes i sålen av en vanntunnel, kunne vaskes ut til flere meters dyp slik at masser bakom betongutstøpningen kan vaskes bort. Er det meget stein i sleppematerialet, stopper naturlig denne prosess av seg selv. Men betongveggen kan bli sterkt utsatt for jordtrykk. Utstøpninger i sålen kan derfor komme på tale." Bruland og Thidemann (1991) konkluderer med at en stor del av nedfallene og rasene kunne ha vært unngått ved enkle tiltak i byggetiden, blant annet ved grundig rensk og god ingeniørgeologisk oppfølging. Med omkring 8 blokkeringsras i alle de 3300 km vanntunneler som er bygget ved norske kraftverk, må det konkluderes med at "tunnelene har oppført seg bra". Reparasjonsarbeidene for de store rasene er imidlertid meget kostbare. For det enkelte kraftverket er det derfor av stor betydning å hindre at slike ras får utvikle seg. I den forbindelse kan man ut erfaringene så langt si følgende: Ettersom de langt fleste vanntunnelen har vært i drift i mange år, vil det neppe oppstå større ras i usikrede områder. Stabilitetsutviklingen i en tunnel er tidsavhengig, likeså sikringsmidlenes varighet. Det er derfor den gradvise nedbrytningen/korrosjonen av utført sikring som ventes å kunne føre til utvikling av ras. Begynnende rasutvikling i en sone kan føre til store ras som er dyre å utbedre i tillegg til at kraftverket/tunnelen må stenges i lengre tid. Det er viktig for den enkelte kraftverkseier å kunne oppdage slike forhold i tide. For dette er det fornuftig å sjekke tilstanden til tunnel og sikringsmidler med jevne mellomrom. Ved å forhindre ras kan kraftverket spares for store kostnader. For oss ingeniørgeologer vil vi veldig gjerne få opplysninger om tilstanden til norske tunneler. Det hjelper oss i å utvikle faget og skaffe oss erfaring om hvordan berggrunnen oppfører seg over tid. Undertegnede tar gjerne imot opplysninger om observasjoner og da spesielt ras i vanntunnelene og hva som eventuelt har blitt gjort. 5 Referanser Buen B. (2003): personlige samtaler. Bruland A. og Thidemann A. (1991): Sikring av vanntunneler. Vassdragsregulantenes forening (VR), 88 r. Hope J. (2003): personlige samtaler. Kalhovd E. (1992): Ras i trykktunnel. TD-nytt (Driftserfaringer fra VR), 3 r. Kjølberg R. (1993): Sikringsproblemer ved arbeid i gamle vannkrafttunneler. Bergmekanikkdagen 1993, 10 r. Palmstrøm (1976): Rasene i vanntunnelen Rafnes Fjærekilen i Norsjø. Intern rapport A.B. Berdal, 10 r. Selmer-Olsen R. (1964): Alminnelig geologi og ingeniørgeologi. Tapir forlag, 409 r. Wraa M. (1996): Ras i overføringstunnel Ljosdalsvatn Lintjønn. Fjellsprengningskonferansen 1996, 17 r