Kontursprengning i tunnel. Terje Kirkeby, Vegdirektoratet Bergsprengningskurs for geologer og kontrollingeniører Rica Helsfyr, Oslo, 2-3.

Kontursprengning i tunnel Terje Kirkeby, Vegdirektoratet Bergsprengningskurs for geologer og kontrollingeniører Rica Helsfyr, Oslo, 2-3. mai 2011

Hva er god kontur? Jevnest mulig tunnelprofil etter sprengning, dvs. parallelle og synlige borpiper, minst mulig utfall av berg og ingen gjenstående knøler.

Pen driving gjennom rombeporfyr (lava) av god kvalitet. Frodeåstunnelen, Tønsberg 2005.

Nedfall av geologiske årsaker fra Frodeåstunnelen, Tønsberg 2005

fra Fv.567 Hauge-Lonevåg på Osterøya, Hordaland 2010 (foto: Kari Bremnes)

ikke akkurat skånsomt...

Hva er god kontur? Jevnest mulig tunnelprofil etter sprengning, dvs. parallelle og synlige borpiper, minst mulig utfall av berg og ingen gjenstående knøler. Oppnådd tunnelprofil skal ligge nærmest mulig prosjektert kontur, med tilstrekkelig plass til nødvendig sikring. Lite overmasser.

Eksempel på unøyaktig oppstilling og sprengning kantstein overfjell PLAN- TEGNING prosjektert kontur profilert kontur granittiske gneiser, sikringsklasse II driveretning

Unødvendig lange bolter for vann/frostsikringen

Hva er god kontur? Jevnest mulig tunnelprofil etter sprengning, dvs. parallelle og synlige borpiper, minst mulig utfall av berg og ingen gjenstående knøler. Oppnådd tunnelprofil skal ligge nærmest mulig det teoretiske sprengningsprofilet, med plass til tilstrekkelig sikring. Ikke bare for hver salve, men også mellom salvene, dvs. helst små og avrundete hakk i salveskjøtene (minst mulig stikning).

Langsgående tunnelkontur sett fra siden (f.eks. langs hengen) Overmassene må reduseres mest mulig

Tilløpstunnel Tokke Tilløpstunnel Litjfossen KONTUR En kontursprengt tunnel fra 1950-tallet til venstre mot en hurtigere og billigere sprengt tunnel fra 1980-tallet til høyre. Om vi vil forlenge levetiden til en tunnel og redusere vedlikeholdsbehovet og -kostnadene må det brukes mer ressurser i byggefasen (foto: NTNU). Det må legges til at bergartene er ganske ulike.

Hvordan få god kontur? Hovedprinsippet er nøyaktig boring med svake og jevnt fordelte ladninger med samtidig tenning En gjennomtenkt bor-, lade- og tennplan tilpasset både geologi og geometri Tilstrekkelig med hull, redusert hullavstand/forsetning mot kontur (og innerkontur) og liten innspenning for det enkelte hull Svakere ladninger nær konturen, spesielt i selve konturen Minst mulig bunnladning (avh. av type sprengstoff og borplan) Nøyaktig, samtidig tenning (betyr over til elektroniske tennere) Alle hull i konturen slutter på samme profilnummer (rett, eller symmetrisk skålformet stuff tilstrebes) Innerkontur/hjelperast har samme stikning som konturen Et lite etterslep i konturhullene (f.eks. ½ meter)

konturhull eksempel med ~0,5 meter etterslep i kransen Ved siden av nøyaktig boring, ønskes minst mulig byggehøyde for materen, dvs. minst mulig stikning på konturhullene innerkontur strossehull

Hvordan få god kontur? Hovedprinsippet er nøyaktig boring med svake og jevnt fordelte ladninger med samtidig tenning En gjennomtenkt bor-, lade- og tennplan tilpasset både geologi og geometri Tilstrekkelig med hull, redusert hullavstand/forsetning mot kontur (og innerkontur) og liten innspenning for det enkelte hull Svakere ladninger nær konturen, spesielt i selve konturen Minst mulig bunnladning (avh. av type sprengstoff og borplan) Nøyaktig, samtidig tenning (betyr over til elektroniske tennere) Alle hull, spesielt i konturen, slutter på samme profilnummer (rett, eller symmetrisk skålformet stuff tilstrebes) Innerkontur/hjelperast har samme stikning som konturen Et lite etterslep i konturhullene (f.eks. ½ meter) Kontur føres helt ned (ikke hardt ladet bunnstross helt ut i vegg)

Hvordan få god kontur? Endre bor- og ladeplan etter forholdene, ha flere planer liggende klare Nøyaktig boring mht. både ansett og retning er viktig(!), mest mulig parallelle hull Tilpasse boringen etter forholdene, redusere boravvik Utnytte datariggene, bruke fulldata-modus iallfall i innerkontur og mest mulig i konturen (raskere rigger, tiden for posisjonering er avgjørende) Riggen alltid riktig posisjonert (NFF/BeverControl jobber med enkle, generelle kjøreregler for et godt startgrunnlag) En felles forståelse for viktigheten av god kontur, fra bas/ drivere opp til prosjektledelsen Unngå taktisk prising (lav sprengningspris, høy sikringspris) Kvalitet og god kontur belønnes, ikke bare framdrift

fra www.rocscience.com (Evert Hoek: Practical Rock Engineering )

vannkrafttunnel på Sri Lanka fra www.rocscience.com (Evert Hoek: Practical Rock Engineering )

Hvorfor god kontur, byggefasen? Mindre (over)masser, kortere lastetid og redusert transport Mindre sprengningsskader på gjenstående berg Mindre sprengstofforbruk Mindre driftsrensk og bedre HMS på stuff Redusert oppsprekking gir mindre innlekkasje Redusert forbruk av bolter og (sprøyte)betong Enklere innredning, spesielt mht vann/frostsikring Etter hvert reduserte byggekostnader Etter hvert redusert byggetid (raskere syklus) Det ser rett og slett bedre ut, kvalitetsarbeide

Hvorfor god kontur, i driftsfasen: Sjeldnere behov for vedlikehold, og dermed reduserte kostnader Redusert forfall i konturen, derfor mindre rensk og ettersikring mindre vann, færre utskiftninger Bedre HMS, også for trafikkantene Forlenget levetid, lenge til neste rehab. (gjelder tunneler som ikke er helstøpt)

Ulemper? Å bore mer og nøyaktig er i utgangspunktet mer tidkrevende, også å lade flere hull, spesielt når det er få valgmuligheter mht egnet sprengstoff Vil med tiden kunne rasjonaliseres/effektiviseres Og alle fordeler med god kontur vil fort veie opp tid og kostnader for noe forlenget boring/lading

Fullskalaforsøk i tunnel er ikke noe nytt, utført i Holmestrandtunnelen rundt 1980 ble Konklusjonen den gang var ikke uventet at det for totaløkonomien var mye å hente på forsiktig sprengning (rensk/sikring, stabilitet/levetid) Nye forsøk med moderne utstyr ble gjennomført i Fyrdsbergtunnelen på E39 Kvivsvegen mellom Sunnmøre og Nordfjord senvinteren 2010. Siden på StorKriFast (Høgset- og Eikremtunnelene)

Kontursprengning EIKREMTUNNELEN

Lengde 980 meter Overdekning 35-70m

Under 32.2 (Sprengning med alternativ kontur) er det gitt pris på 3 alternativer i kontrakt, som også beskriver nest ytterste rad, med tilhørende lademengder

+ 40 cm 10 cm Teoretisk 30/2+10 = 25 cm overmasse kontur 1 (c/c=0,7m): kontur 3 (c/c=0,5m): ansettlinje +15cm ansettlinje +15cm stikning 35cm stikning 30cm overmasser/berg 32,5cm overmasser/berg 30cm

Utdrag fra spesiell beskrivelse i E-kapittelet: Fortløpende profilkontroll (og levering) med laserskanning, før sprøyting Overmasser rapporteres for hver 50.meter, angitt som cm fra teoretisk profil Hull i kontur og nest ytterste rast lades maksimum 90% av hullengden Alle hull i kontur og nest ytterste rad føres ned til såle Ved rørladninger skal 10g detonerende lunte bindes/tapes til hvert enkelt rør i hele ladelengden Ansettnøyaktighet og retningsavvik ved ansett boret salve skal dokumenteres

Forutsetninger/avtalt før forsøkene: Normalt tunnelprofil, som her er T8,5 5m-salver på en tilnærmet rett strekning (R=1250) Viktigheten av nøyaktig boring understrekes, betyr alt Avrettet, eller symmetrisk, stuff under forsøkene Fokus på kontur (ikke gassmålinger, rystelser, etc.) Prosjektet stiller med egne folk til oppfølging Minst mulig forstyrrelse på entreprenørens inndrift Alle prosesser og maskiner (boring/lading, lasting, etc) vel innarbeidet og i orden før oppstart forsøk. Alle godt informert og deltakende i forsøkene Forsøker også salveboring i fulldatamodus

Første forsøk tidlig desember 2010: Starter med kontur 1 (c/c=0,7m), først manuell boring Lader konturen med SSE-slurry (ned mot 0,35 kg/m skal være mulig)

Kontur 1 0,7m Faktisk lik 32c) Generell tekst: Hullavstand x forsetning ytterkontur 0,7m x 0,9m 0,9m 0,9m 1,1 MJ/m (22 mm gule rør) alternativt 1,0m 0,35 kg SSE/m (1,95 kg/hull inkl. 0,4 kg bunnladning) Fra Generell tekst i 32c) Nest ytterste hullrad skal ha redusert ladning tilpasset avstanden til kontur 30 hull i konturen 18 i innerkontur Spesielt for Eikrem: Hullavstand x forsetning innerkontur 0,9m x 1,0m Tabellen: 2,5 MJ/m gir 0,80 kg SSE/m (4,1 kg/hull inkl. 0,60 kg bunnladning)

kontur 1 (c/c=0,7m) Oversikt forsøkssalver Eikremtunnelen kontur 1 kontur 3 (c/c=0,5m)

Første resultater/erfaringer: Bra fjell på forsøksstrekningen; omtrentlig bergklasse B ( godt ) etter Q-metoden for bergmasseklassifisering Granat-amfibolitt; hardt og tungtsprengt fjell Laderiggen var ikke optimalt eller riktig justert Kunne ikke levere mindre enn ca. 2,9 kg/hull (ca. 0,55 kg/m dersom en regner med 0,5 kg bunnladning) også ujevn lading (ga mer slurry enn innstilt til å begynne med, inntil slangetrekket hadde gått seg til, eller gått seg varmt ) Leverandøren kom ikke opp i løpet av forsøksperioden Ingen datalogging på riggen, mengder må manuelt noteres Utstyr som fungerer og er riktig justert er en generell forutsetning Første salve for hardt ladet, 3,5-4 kg i kontur og nærmere 5 kg i nest ytterst rast blir for mye. Også for mye stikning.

? helt manglende borpiper

ca.1m stort hakk i salveskjøten

Videre: Mer nøyaktig boring og mindre sprengstoff påfølgende salver ga straks bedre resultat, men med kun slurry blir det uansett for mye i konturen Omskyting pga gjenstående hull/knøler, men skjedde også stadig vekk før forsøkene Vegger hardt ladet, som en del av bunnstrossen

Skjematisk tennplan Kontur 1

kontur 1 (c/c=0,7m); skadeskutt vegg

Videre: Mer nøyaktig boring og mindre sprengstoff påfølgende salver ga straks bedre resultat, men med kun slurry blir det uansett for mye Omskyting pga gjenstående hull/knøler, men skjedde også stadig vekk før forsøkene Vegger hardt ladet, som en del av bunnstrossen < 30% av boret lengde synlig som gjenstående borpiper Boring i fulldatamodus viser seg vanskelig, særlig ytterst mot veggen, operatør må stadig bryte inn Endelig resultat er fortsatt svært avhengig av bas/operatør

Mer nøyaktig boring og mindre sprengstoff gir straks bedre resultat

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 763 767 771 775 779 783 787 791 795 799 803 807 811 815 819 823 827 831 835 839 843 847 851 855 859 863 867 871 875 879 883 887 891 895 899 903 907 911 915 919 923 927 Overmasser/berg i cm vs. profilnummer Før forsøkene SSE slurry i konturen 22mm gule rør i konturen 17mm orange rør i konturen Overmasser fra ~40 til ~80 cm Overmasser fra 25-30 til ~50 cm

Videre resultater/erfaringer: Gikk over til 22 mm gule rør i konturen (Dynotex 2), med 5g detonerende lunte Omtrent overmasser som de 3-4 siste forsøkssalvene med slurry, men mindre tid på rensk (pigging og spett) Ladetiden derimot opp, ble nevnt omtrent 1/2-1 time ekstra med gule rør i forhold til slurry i alle hull Gjenstående borpiper øket fra <30 til ~50% av samlet lengde

kontur 1 (c/c=0,7m)

Speilreflekskamera på stativ, blitz 3 bilder pr. standplass Flyttes 5m av gangen i tunnelens lengderetning

20m tunnel pel 880-900 sett ovenifra, veggene er brettet ut c/c=0,7m og 22mm gule rør (60-65% av boret lengde står igjen som borpiper *) *) målt på slike foto, etter pigging. Noe uklart/feilkilder, skal egentlig være mer? Normaliseres til 4,5m, ikke 5m?

Kontur 3: Rett over til tettere boring og 17 mm oransje rør (Dynotex 1) i kontur 3, etter fem salver med gule rør og kontur 1 (hoppet over kontur 2 med c/c=0,6m; ikke veldig forskjellig fra kontur 1 og hvilket sprengstoff skal eg. benyttes mellom gule og oransje rør? 0,9 MJ/m = oransje rør + 40g lunte, som er ulovlig)

Kontur 3 0,5m 0,5m 0,8m Hullavstand x forsetning ytterkontur 0,5m x 0,5m 0,8m Tabellen: 0,7 MJ/m, som tilsvarer 17mm rør Hullavstand x forsetning innerkontur 0,8m x 0,8m Tabellen: 2,0 MJ/m tilsvarer 0,64 kg SSE/m (eller 3,3 kg/hull inkl. 0,5 kg bunnladning) 42 hull i konturen 24 hull i innerkonturen

3 salver kontur 3 (c/c=0,5m)

Kontur 3: Profilet synes å være enda slettere med færre utfall og flere borpiper, øket fra ~50 til ~60% av samlet lengde bormeter (vi planlegger konturering av heng og vegger vha. punkt-skyen fra skanning) cm overmasser allikevel omtrent som før, er det en grense pga bor-nøyaktigheten?

Kontur 3: Profilet synes å være enda slettere med færre utfall og flere borpiper, øket fra ~50 til ~60% av samlet lengde bormeter (vi planlegger konturering av heng og vegger vha. punkt-skyen fra skanning) cm overmasser allikevel omtrent som før, er det en grense pga bor-nøyaktigheten? Ladetiden ytterligere opp, 1-1,5 time mer i forhold til slurry i alle hull Sprøytebetong; enklere utførelse og burde være mindre mengder pga. slettere kontur Sprøyteoperatør meget fornøyd, lett å sprøyte (ingen hull å fylle, ingen sprøyteskygger, etc) Treghet i systemet, er lett å bestille samme mengde en er vant til Bedre beregning og tykkelseskontroller ville fått antall m3 ned

kontur 3 (c/c=0,5m) orange 17mm rør Slett høyrevegg men alltid hakk i venstreveggen

kontur 3 (c/c=0,5m) Mindre utfall ved en skifrig sone

Fortsatt rom for forbedring

Noen erfaringer: Entreprenøren spilte velvillig med på forsøkene og så klart fordelene med jevnere kontur, mindre overmasser og redusert sprengstofforbruk. Helt essensielt å få med basen Enkle midler som nøyaktig boring etter en gjennomtenkt borplan, og lade tilstrekkelig men ikke for mye gir straks et bedre resultat. Tradisjonen er å lade nok for å få med alt. Mindre masser, kortere pigging/spettrensk, lettere betongsprøyting var umiddelbare virkninger. Mindre bergsikring. 0,35 kg slurry/m skal være mulig, men blir tynn og sårbar streng som lettere klippes, eller blir noen for tynne partier Lading med slangetrekk og samme sprengstoff i alle hull er raskt og effektivt, men tykkere streng enn nødvendig for å unngå omskyting. 0,4-0,5 kg/m eller mer er ikke uvanlig?

Videre erfaringer: Rør er håpløst tungvinte, avhengig av detonerende lunte, sprengstoffleverandører bør og kan fort komme med noe annet? Tyngre detonerende lunte inn igjen? (max 20g tillatt i dag), evt. kombinert med elektroniske tennere? Boring i fulldatamodus vanskelig i praksis, spesielt i kontur der bom med utstyr kommer bort i veggen. Og problemet øker med mindre overfjell (trangere tunnel) Ingen heft under forsøkene, i uka med ren forsøksdrift ble den gamle ukerekorden tangert Sprengstofforbruket gikk ned

Ikke helt ihht kontrakt: Alle hull i to ytterste raster føres riktignok ned i sålen, men lades og tennes som en del av bunnstrossen hard belastning på godt innspente vegghull boring/tenning av kutten og lade/tennplanen ellers må i så fall legges helt om, slik at det kan kontursprenges helt ned

Skjematisk tennplan Kontur 1

Ikke helt ihht kontrakt: Alle hull i to ytterste raster føres riktignok ned i sålen, men lades og tennes som en del av bunnstrossen hard belastning på godt innspente vegghull boring/tenning av kutten og lade/tennplanen ellers må i så fall legges helt om, slik at det kan kontursprenges helt ned (selv om det er godt fjell har det vist seg å være ganske tungsprengt, vært problemer med å få ut midtsalva) Ikke sprengstoff ihht ladeplan; for mye SSE-slurry fra en laderigg som ikke var optimalt/riktig innstilt. Tendens til å lade nok. ladeenheten må finstilles slik at en til enhver tid får lagt igjen den sprengstoffmengden som er ønskelig Det benyttes 5g ikke 10g detonerende lunte til rørene, siden 5g allerede er på anlegget for så vidt greit nok, men hvordan lunta kobles til rørene er høyst variabel mellom skiftene

Forsøkene, hva skulle vært gjort anderledes: Alt skulle fungere før start; men laderiggen ble gjenglemt Gått gjennom bore/lade/tennplan detaljert med hver enkelt bas, og blitt enige om nøyaktig hvilke stoffer/midler og hvor store mengder Krav om skriftlig lade/tennplan for hver salve, evt. endringer fra en avtalt plan Tidsforbruk alle prosesser (boring, lading, lasting, pigging, spettrensk, og merknader om evt. spes. forhold som skade på utstyr, forsinkelser, etc.) må noteres nøyaktig om en skal få noe troverdig ut av fordeling av tidsforbruket før og etter forsøkene

Tidsforbruk i minutter for ulike prosesser, langs tunnelen forsøkene

Forsøkene, hva skulle vært gjort anderledes: Alt skulle fungere før start; men laderiggen ble gjenglemt Gått gjennom bore/lade/tennplan detaljert med hver enkelt bas, og blitt enige om nøyaktig hvilke stoffer/midler og hvor store mengder Krav om skriftlig lade/tennplan for hver salve, evt. endringer fra en avtalt plan Tidsforbruk alle prosesser (boring, lading, lasting, pigging, spettrensk, og merknader om evt. spes. forhold som skade på utstyr, forsinkelser, etc.) må noteres nøyaktig om en skal få noe troverdig ut av fordeling av tidsforbruket før og etter forsøkene Nok folk til oppfølging, feedback tilbake til sikring Enda mer detaljert forhåndsplanlegging, tenke gjennom alt

Flere konturforsøk? Strengt tatt unødvendig, vi vet at jevn, uskadet kontur og lite overmasser er gunstig/økonomisk, og hvordan vi får det til Kunne derimot prøve et opplegg der vi premierer resultatet (om fortjent), uten å legge oss opp i hvordan det oppnås f.eks. et visst beløp pr. salve avhengig av hvor mange cm overmasse over en viss strekning, som f.eks.: 4500 kr/salve dersom overmasser 40 cm 6500 kr/salve dersom overmasser 35 cm 8500 kr/salve dersom overmasser 30 cm (ferske priser fra nye forsøk i Eikrem- og Høgsettunnelene) Eller etter formel, evt. et beløp som øker eksponensielt med antall cm reduserte overmasser?

eller innsparing av konstruksjonsbetong for entreprenøren

Skyldes overmassene/ujevnt profil geologiske forhold, eller får geologien bare skylden? Og hva med tvilstilfellene? Mye kan gjøres ved å tilpasse sprengningsteknikken. Det er spesielt viktig å redusere hullavstand og bruke svake ladninger i konturen i skifrig og tett oppsprukket bergmasse (i forbindelse med høring til Hb138 Modellgrunnlag)

Hvor går veien videre? Krav om konturkvalitet og minimale overmasser vil komme, av flere årsaker, bl.a. har Moderne vegtunneler foreslått et konsept med helstøpt tunnelhvelv ved ÅDT > 4000 der konturkvalitet er en viktig forutsetning På sikt kan prosesskoden/kontraktsformen endres Bort fra akkord og premiering av bare inndrift Bort med detaljerte beskrivelser og forsøk på kontroll i byggefasen Inn med krav til jevn kontur, lite overmasser og skånsom sprengning (et incitament kan være at entreprenøren beholder innsparingen på konstruksjonsbetongen) Fokus på totaløkonomien (det rehabiliteres for hundrevis av millioner kroner) Sveits-modellen

Tips kommende tunnelprosjekter: Endring vil ta tid, inntil videre beskrives sprengningen best mulig i D-kap., evt. med trekk/bonus Med krav følger oppfølging; nok og kompetent bemanning Hullavstand/forsetning i konturen (også sprengstoffmengde) er gitt i nåværende tekst, men nest ytterste rast (eller innerkonturen) bør også bestemmes, også med gitt mengde sprengstoff. (gjerne ta eks fra kontur 1 i Eikremtunnelen) Be om pris på flere ulike bore/ladeplaner Byggherren skal involveres aktivt i planleggingen, det skal gjøres forsøk / tilpasninger underveis. Nær parallelle hull i to ytterste raster Kontursprengning skal kreves helt ned til sålen (dvs. ingen bunnstross helt ut til veggen)

Tips kommende tunnelprosjekter: For alle salver skal ansettnøyaktighet og retningsavvik ved ansett for alle konturhull dokumenteres Settes grense for ansettlinje og maks stikning konturhull Rett/symmetrisk, gjerne skålformet stuff skal tilstrebes, dvs. bunn konturhull skal ikke avvike mer enn +/-0,5m i tunnelens lengderetning. Blir avviket større skal det skytes opprettings-salve uten tilleggskostnader for byggherren Sprengstofforbruket skal dokumenteres, iallfall i de to ytterste (og konturskapende) rastene. Bunnladning reduseres mest mulig, iallfall i konturen Ved rørladning skal 10g detonerende lunte benyttes Overmassene skal dokumenteres i cm (her kan bonus/trekk komme inn, evt. som +/- i forhold til en bestemt profilklasse)

Tips kommende tunnelprosjekter: Kontroll av tunnelprofilet skal utføres fortløpende ved hjelp av laserprofilering (krav til punkttetthet, hvor tett?), og før påføring av sprøytebetong Overleveres byggherren fortløpende (hvor ofte?), og skal foreligge som (i forbindelse med høring til Hb138 Modellgrunnlag)

Videre arbeid med kontur må ta for seg grøft/såle: Store vannansamlinger, dårlig avrenning Ulik avstand ned til fjell, variabel overbygning Istykkersprengt (hva med en evt. injeksjonsskjerm?)