Vanntett permanent bergsikring til underjordsanlegg basert på sprøytbar membran i kombinasjon med sprøytebetong

Transkript

1 1 PhD / forskningsprosjekt: Vanntett permanent bergsikring til underjordsanlegg basert på sprøytbar membran i kombinasjon med sprøytebetong PhD kandidat Karl Gunnar Holter Institutt for Geologi og Bergteknikk, NTNU Statens Vegvesen, Teknologidagene Trondheim, 13.oktober 2011 Forskningsprosjekt Vanntett bergsikring med sprøytbar membran og sprøytebetong

2 2 Hvorfor et slikt forskningsprosjekt? Sprøytbare membraner til vanntetting av tunneler har over de siste ca 5 år vist seg å være et kostnadsoptimalt alternativ i flere situasjoner Forståelsen av denne metoden for vanntett permanentsikring har modnet over tid Flere store vellykkede tunnelprosjekter gjennomført i Europa med denne metoden Et prosjekt nylig gjennomført i hardt berg med moderne funksjonskrav i kaldt klima (Gevingåsen, Jernbaneverket ) Behov for forbedret forståelse av funksjon og langtidsholdbarhet Bransjen i Norge ser behovet for alternativer til dagens tekniske løsninger for permanent sikring av tunneler

3 3 Denne presentasjonen: Kort bakgrunn om teknologi og metode Noen erfaringer fra nylig gjennomførte prosjekter Dagens kunnskapsnivå om metoden begrensninger og muligheter Behov for ytterligere forskning Plan for forskningsprosjektet Viktigste mål for forskningsprosjektet

4 4 Innovativ teknisk løsning for vanntett bergsikring : sprøytebetong i kombinasjon med vanntett sprøytbar membran

5 5 Systemoppbygning, detaljer: Bergsikringssprøytebetong, fiberarmert Grenseflate mellom membran og bergsikringssprøytebetong Sprøytbar vanntettingsmembran Grenseflate mellom membran og dekksjiktsprøytebetong Dekksjikt av fiberarmert sprøytebetong

6 6 Eksempel på noen viktige systemegenskaper: Mekanisk kontinuerlig sandwichkonstruksjon Vanntetthet ved 2-4 mm membrantykkelse Vanntetthet langs grenseflatene Tøyning ved brudd: >100% Heftfasthet membran-betong: > 0.5 MPa Skjærfasthet av komplett sandwichkonstruksjon : >1 MPa Strekkfasthet av herdet membranmaterial: >2 MPa

7 7 Hindhead motorvegtunneler ( ) Svak sandstein

8 8 Hindhead motorvegtunneler Vegger og såle av plasstøpt betong, heng av fiberarmert sprøytebetong Vanntetting med sprøytbar membran i vegger og heng. Såle uten vanntetting

9 9 Lausanne Métro M2, tunnel de Viret ( ) Sensitivt urbant miljø, ingen senkning av grunnvannstand Kritisk tverrsnitt langs tunneltraséen

10 10 Lausanne Métro M2, tunnel de Viret Berg- og vannsikring dimensjonert for fullt statisk vanntrykk Vanntetting med sprøytbar membran i hele tunnelkonturen inkludert såle

11 11 Lausanne Métro M2, tunnel de Viret Ferdig tunnel i driftstilstand

12 12 Sprengt tunnel i hardt berg, drenert konstruksjon Norðøytunnilin, Færøyene Lett permanent bergsikring Vannsikring med sprøytbar membran øvre del av vegger og heng

13 13 Sprengt tunnel i hardt berg, drenert konstruksjon Jernbaneverket, dobbeltspor Lysaker-Sandvika (2008) Forsøksstrekning med sprøytbar membran i kombinasjon med sprøytebetong Vannsikring med sprøytbar membran i vegger og heng

14 14 Sprengte tunneler i hardt berg med lett sikring Utfordring: Jevn sprøytebetongkvalitet ved ujevn bergkontur Forsøksstrekning med sprøytbar membran til vanntetting Ikke tilfredsstillende resultat Lett permanent bergsikring E18 Sagån, Sverige (2009)

15 15 Prosjekteringsmuligheter for vanntett bergsikringskonstruksjon: vannstrømnings- og vanntrykksforhold Hindhead vegtunnel, (UK) Tunnel Viret, Lausanne Métro (CH) Gevingåstunnelen (N) Drenert tunnelkonstruksjon: Udrendert tunnelkonstruksjon: Drenert tunnelkonstruksjon Nedbørsavhengig forekomst av vann i bergmassen uten statisk trykk. Grunnvannsstand over tunnelnivå. Ingen senkning av grunnvannstand. Ingen lekkasjer inn i tunnelen. Fullt statisk vanntrykk på sikringskonstruksjon Grunnvannstand over tunnelnivå. Uten vannsikring i såle, hvilket gir drenering

16 16 Prosjekteringsmuligheter for vanntett bergsikringskonstruksjon: lastopptakssituasjoner i sikringskonstruksjon i svakt berg I begge disse tilfellene: Hindhead vegtunnel, (UK) Sikringskonstruksjonen dimensjoneres som en kontinuerlig ring med tilstrekkelig styrke og stivhet til at brudd ikke oppstår. Høye sprøytebetongtykkelser, ofte >40 cm Tunnel Viret, Lausanne Métro (CH) Svakt berg (sandstein): EBERG < EBETONG Usikret berg globalt ustabilt. Berget deformerer seg. Globalt lastopptak i sikringskonstruksjon. Tangentielle trykkspenninger i sikringsring Svakt berg (molasse), fullt statisk vanntrykk: Sikringskonstruksjon dimensjonert for fullt statisk vanntrykk

17 17 Prosjekteringsmuligheter for vanntett bergsikringskonstruksjon: lastopptakssituasjoner i sikringskonstruksjon i hardt berg Tilfellet hardt berg: Sikringskonstruksjonen utføres etter bolte- og sprøytebetongmetoden, der samvirket mellom de to sikringsmidlene er viktig. Sprøytebetongkonstruksjonen påkjennes av bøyespenninger mellom boltene og strekkspenninger i grenseflaten mot berg. Gevingåstunnelen (N) Hardt berg (glimmerskifer, grønnstein): EBERG > EBETONG Usikret berg globalt stabilt. Sikring = bergforsterkning for å hindre utfall. Tynn sikring tilstrekkelig

18 18 Evaluering av denne metoden til bruk i Gevingåstunnelen: Viktig spørsmål 1: kan hele sprøytebetongtykkelsen betraktes som en funksjonell del av bergsikringen? Bergsikringskonstruksjon med fiberarmert sprøytebetong med sprøytbar vanntettingsmembran Ren fiberarmert bergsikringssprøytebetong

19 19 Sammenlikning av sprøytebetong med og uten vanntettingsmembran: resultater av energiabsorpsjonsforsøk 1. Sprøytebetong med 3 mm membran, total tykkelse 10 cm. PP-fibre Last kn Deformasjon / mm Ren sprøytebetong med PP-fibre, tykkelse 10 cm Last kn Deformasjon / mm 10 5 Total sprøytebetongtykkelse på hver side av membranen kan betraktes som funksjonell bergsikring

20 20 Evaluering av denne metoden til bruk i Gevingåstunnelen: Viktig spørsmål 2: Egenskaper og holdbarhet ved frysing? Fullskala frysemodell, SINTEF Trondheim, forsøksprosjekt ifb med Gevingåstunnelen, Jernbaneverket ( ) Bergsikringskonstruksjon 53

21 21 Detalj av bergsikringskonstruksjon for fryseforsøk 8cm Størengranitt, bergmasse T = 8 oc 6cm Luftside (tunnelrommet), Fryselaster ned til -20 oc Bergsikringssprøytebetong Sprøytbar vanntettingsmembran, 3 mm Termiske sensorer Borhull for tilførsel av vann Parti uten heft mellom berg og betong

22 22 Resultat av langtids fryseforsøk KONKLUSJON: Det finnes ingen akkumulering av frostmengde over flere adskilte frostperioder VIKTIG OBSERVASJON: Ingen destruktive prosesser i sikringskonstruksjonen påvist under forsøket

23 23 Gevingåstunnelen, Jernbaneverket ( ) Vanntett bergsikring med sprøytbar membran i kombinasjon med sprøytebetong benyttet i ca 1.9 km lengde av tunnelen (av 4 km) Utførelse av sprøytbar vanntettingsmembran i Gevingåsen mars 2011

24 24 PhD/forskningsprosjekt, NTNU, Trondheim PERMANENT VANNTETT BERGSIKRING MED SPRØYTEBETONG OG SPRØYTBAR MEMBRAN PhD kandidat / prosjektansvarlig: Karl Gunnar Holter Hovedfaglærer: Professor Dr Bjørn Nilsen, Institutt for Geologi og Bergteknikk, NTNU Hovedomfang av forskningsarbeid: Evaluere og dokumentere tekniske egenskaper og langtidsholdbarhet av en bergsikring til underjordsanlegg basert på sprøytebetong og sprøytbar vanntettingsmembran (produkt- og leverandør nøytralt, generisk og metodeorientert) Tre hovedmoduler av forskningsarbeid er identifisert som vil bli stilt sammen i et bergsikringskontekst for underjordsanlegg. MODUL 1 MODUL 2 MODUL 3 LABORATORIE UNDERSØKELSER OG MODELLERING FULLSKALAFORSØK MED INSTRUMENTERING OG LANGTIDSOVERVÅKNING LABORATORIEUNDERSØKELSER FRYSING MEKANISKE EGENSKAPER FOR SPRØYTEBETONG-MEMBRAN SANDWICH KONSTRUKSJON GRUNNVANNSTRØMNINGSOG TRYKKFORHOLD RUNDT BERGROM MED UDRENERT VANNSIKRING -Forbedret detaljforståelse ENDREDE EGENSKAPER ETTER REPETERTE FRYSELASTER I KOMBINASJON MED VANNPÅKJENNING -Langdtidseffekter av frysing -Måling/undersøkelse av ulike bruddsituasjoner i sandwichkonstruksjonen -Måling av endrede vanntrykks- og strømningsforhold i bergmassen rundt en tunnel -SINTEF Byggforsk sitt fryselaboratorium i Trondheim -Heft mellom membran og betong, kjemisk/mineralsk kompatibilitet -Måling av reelle frostlaster -re-etablering av sikringskonstruksjon (3 membran produkter), -Bygging av minst to fullskala teststrekninger med instrumentering for vanntrykk og temperatur - Kjøring av worst-case fryselaster utmattingsforsøk repetert frysing/tining -Langtidsovervåkning 3 vintre -Prøvetaking av sikringskonstruksjon og verfisering av evt endrede systemegenskaper

25 25 MODUL 1 MEKANISKE EGENSKAPER FOR SPRØYTEBETONG-MEMBRAN SANDWICH KONSTRUKSJON Laboratorietesting av nøye fremstilte prøvestykker: Forsøksserier med ubelastede, vannmettede og frosne/opptinte prøver 3 membranprodukter/leverandører En referansesprøytebetong for all prøving Typer av forsøk (under utarbeidelse): Strekkfasthet i grenseflatene (heft) Skjæregenskaper Energiabsorpsjonstesting Scanning Electron Microskope (SEM) analyse av grenseflatene Viktig / utfordring: Presisjon og repeterbarhet i prøvestykkefremstillingen Alt kunstig fremstilt prøvemateriale vil bli forsøkt fremstilt i en sammenhengende operasjon In-situ prøvetaking av intakte prøvestykker av bergsikringskonstruksjon

26 26 MODUL 2 GRUNNVANNSTRØM- OG TRYKKFORHOLD RUNDT BERGROM MED UDRENERT VANNSIKRING FULLSKALA FORSØKSSTREKNINGER I MINST TO FORSKJELLIGE BERGMASSER -Svært nøye ing.geologisk kartlegging, spesielt viktig med sprekkekartlegging -Tunnelskanning av hel sandwichkonstruksjon i 4 omganger -Borhullsundersøkelser: Video, presis vanntapsmåling på enkeltsprekker -Fullskala bygging av vanntett bergsikringskonstruksjon over en realistisk minimumsstrekning -Måling av vanntrykk i bergmassen på ulike dyp fra tunnelkonturen -Langtidsmåling/logging, minst 2 år Vanntrykksmålinger i forskjellig avtand fra tunnelkontur i seksjonerte partier av borhull: -Numerisk modellering av vannstrømnings- og trykkforhold -Kalibrering av numerisk modell mot fasiten, dvs målt virkelighet 8m HVOR OG NÅR -T-forbindelsen, Haugesund. Ventilasjons nisje (ingen frysing), aug-nov Ulvin S tverrslag Fellesprosjektet E6-Dovrebanen (vanntrykk og frysing), novdes leverandører av membran realistisk til dette forsøket

27 27 Prosjekteringsmuligheter for vanntett bergsikringskonstruksjon: lastopptakssituasjoner i sikringskonstruksjon i hardt berg Tilfellet hardt berg: Sikringskonstruksjonen utføres etter bolte- og sprøytebetongmetoden, der samvirket mellom de to sikringsmidlene er viktig. Sprøytebetongkonstruksjonen påkjennes av bøyespenninger mellom boltene og strekkspenninger i grenseflaten mot berg. Drenert såle medfører ingen belastning på sikringskonstruksjonen som skyldes vanntrykk Gevingåstunnelen (N) Bergets oppsrekking drenerer bergmassen ved åpen såle

28 28 MODUL 3 ENDREDE EGENSKAPER ETTER REPETERTE FRYSELASTER I KOMBINASJON MED VANNPÅKJENNING FRYSELAB, SINTEF -Re-etablering av sikringskonstruksjon inndelt med 3 membranprodukter -Vannbelastning fra bergsiden, frysebelastning fra luftsiden -Prøvetaking/utsaging av emner for detaljtesting Fullskala fryseforsøk, SINTEF Byggforsk, Geologi og Bergteknikk,Trondheim): HVOR OG NÅR -Trondheim - Mai - september 2012 Eksempel på bergsikringskonstruksjon som vil bli testet

29 29 Aktører i forskningsprosjektet OPPDRAGSGIVER, FINANSIERING KOMMERSIELLE AKTØRER MEMBRAN ULIKE VERKTØY -NTNU Flere aktuelle: -Kjente og standard laboratorietestemetoder -Jernbaneverket -BASF -Spesialutviklede testmetoder -Statens Vegvesen -Stirling Lloyd -Spesielle/egenutviklete prøvetakingsmetoder -SINTEF -MINOVA -Numeriske modellprogramvarer -BASF -TAM / Normet -Norsk Forening for Fjellsprengningsteknikk NFF -MAPEI -Spesialist-tjenester innen borhullsvideo, vanntapsmålinger og instrumentering -Sika -Fryselab -MC Bauchemie -Utførelse av sprøytebetong og membran -Tunnelskanning -Tilgang til nysprengte tunneler PERMANENT VANNTETT BERGSIKRING MED SPRØYTEBETONG OG SPRØYTBAR MEMBRAN Evaluere og dokumentere tekniske egenskaper og langtidsholdbarhet av en bergsikring til underjordsanlegg basert på sprøytebetong og sprøytbar vanntettingsmembran

30 30 Testseksjon T-forbindelsen, LiDAR tunnelskanning av membranoverflate

31 31 Testseksjon T-forbindelsen, LiDAR tunnelskan av to overflater: membran og endelig bergsikringsflate

32 32 Spørsmål? Synspunkter?