2t.t FJELLSPRENGNINGSTEKNIKK /,rl 1õ BERGMEKANIKK / GEOTEKNIKK IV/I' SPRØYTEBETONG PÄ SPRAKEFJELL Bergingeniør A. M. Heltzen Institutt for {ellsprengningsteknikk SAMMENDRAG Sprøytebetong har med fordel vært brukt til sikring mot sprakefiell både alene og i kombina$on med bolter og også med armeringsnett. Sprøytebetong har vært effektiv sikring selv i fersk tilstand. Målinger i sprøytebetong$ikt viser at det opptrer bare ubetydelige spenninger i betongen, mens berget innenfor kan ha meget høye spenninger, Det synes som om oppsprekningen bak sprøytebetongen foregår uavhengig av betongsjiktet. Denne spenningsavlastningen førct til at de maksimale spenninger med tiden flytter seg innover i berget. Det er hittil ikke ob servert oppsprekking i sprøyteb etongsj iktet. Heftfasthetsundersøkelser viser relativt dårlig heft i tunnelhvelvet - p.g. a. sterk tendens til avskalling av innenforliggende fiell. Det er ennå ikke slutt på deformasjoner av tunnelprofilet. Det synes som om retningen til største hovedspenning halverer vinkelen mellom de dominerende steilstående sprekkeretninger. SUMMARY Observations have shown that spalling of rock has been effectfully stopped by a thin to medium thick layer of shotcrete. This effect is found to start imidiately after the shotcrete is placed on the rock surface. Stress measurements in the rock as well as in the shotcrete layer have been carried out in a tunnel in granitic rock with high residual stresses.the results show in a convincing manner high values in the granite and very low values in the shotcrete layer. As an example the main stress force in granite is found to be 740 kplcm2 in a distance of 25 cm from the contour. In the shotcrete there is only mpasured 7 kplcm2 at the same place. It is observed that the discing effect of the rock isn't stopped by the shotcrete, but in no case fragments have penetrated the shotcrete sealing. The effect of the shotcrete is obvious due to the ability of stabilization and improving the selfsupport of the rock by fìlling cracks and fissures with matereal together with a total sealing of the rock surface. No cracks are found in the shotc ete layer about I year after the sealing operation took place. Sprøytebetong har vært benyttet til lands og i utlandet. Første gangen vi hørte om denne som sikring mot sprakefiell ved tunneldrift både her fremgangômåten og fìkk anledning til å se den i praksis,
2t.2 var under drivingen av Lieråsen jernbanetunnel. Her viste drammensgranitten seg fra sin verste side med dypforvitring, diabasganger med omvandlete kontakter og ikke minst - intens sprakefiell som var pl sitt kraftigste inntil kryssende diabasganger. Bergtrykkmålinger i noen få punkter viste største hovedspenning lik 445 kg/cm3 i avstand 2,0-2,5 m fra tunnelprofilet. Sikringsarbeidene i tunnelen var særlig interessante da en valgte ulike fremgangsmåter på de to stuffene. På Askersiden ble det etter rensk boltet med ekspansjonsbolter og etterpå sprøytet på betong. Det ble brukt armering hvor fiellet var dårlig eller hvor spraket var spesielt intenst. På Liersiden brukte en sprøytebetong på sprakefiellet med armering der fiellforholdene var darlige. Bolter ble bare sporadisk brukt som sikring under fremdriften. Erfaring smessig begrnte ikke sprakingen fu lp - 2 timet etter salvesprengningen. En fikk derfor vanligvis rensket og lastet opp en god del av salven før spraket ble sjenerende.betongsprøytingen ble satt i gang 3ó timer etter, sprengningen. Det ble brukt tønsprøyting med Besab sprøyteutstyr. Sement-sandforhold i betong - l: 3,5. Som aksellerator - HS 3 i en mengde av 2,5-3,0 %. En foreskrev 5 cm sprøytebetongtykkelse. Under sprøytearbeidet ble det ikke konstatert gjennombrudd av sprakefiellflak. Derimot hendte det iblandt ved påfølgene salvesprengninger at det kom til gjennomlokking og nedfall hovedsaklig av mindre fragmenter. Langs grensen av et forsøksfelt for fiellbolter som Institutt for $ellsprengningsteknikk hadde i tunnelen, fikk en et typisk sprakefiellgiennombrudd i sprøytebetongsjiktet. Det sto her 40 stk. 2A m lange bolter som var forspente til ca. 4 tonn. I overgangssonen mellom boltet og ikke boltet fiell ble det skapt en spenningsøkning som resulterte i nedfall. Dette er et fenomen en må være oppmerksom på når boltesikrer mot sprakefell. Selv om boltene ikke strammes opp til å begynne med, vil deformasjoner i tunnelprofilet føre ttl at bolter etterhvert blir strammet opp, og en får spenningskonsentrasjoner omkring boltene som resultater i oppsprekning. Boltesikring i sprakefiell bør alltid kombineres med gjerdenetting. Store trekantplater som en så ofte ser brukt, kan ofte være mer skalkeskjul enn effektiv sikring mot nedfall. På Askersiden hvor altså systematisk innsetting av forspente bolter føfie ttl at spenningene langs hvelvets ytre del ble høye, opplevde en at det kom til kraftig oppsprekking av det boltete, armerte og sprøytebetongsikrete tunneltaket. På et sted kunne en over ca. 30 m observere en langsgående skrå sprekk midt i hvelvet hvor der stedvis hadde funnet sted en forskyvning på opp til 15 cm etter denne sprekken. Sprekkdannelser kunne en også se i tredjedelspunktene i hvelvet. Dette var skavanker som lett lot seg reparere. For den permanente sikringen på Liersiden fant en imidlertid at det sprøytede hvelvet måtte henges opp med bolter. Det ble konstatert at det bak hvelvet hadde funnet sted en markert oppbomming som en ikke våget å ha over etjernbanespor. Lierasen viste altså at sprøytebetong vel kunne brukes som en øyeblikkelig sikring under fre ndriften, men at boltesikring måtte giøres i tillegg for at forholdene skulle være trygge nok fot jernbanetrafìkk. De som giorde jobben, "n"gikk å stå og bolte for hver nyskùìt salve, som jo ikke er noen særlig trygg arbeidssituasjon. Hvordan spenningen rundt hvelvet ble overført til sprøytebetonglaget, ble ikke undersøkt i Lieråsen. Det ble først undersøkt over l0 år senere i en 3,1 km lang 7 m2 kloakktunnel som Ing. F. Selmer A/S driver fra Fjellsveien i Drammen. Den første delen av denne tunnelen går i drammensgranitt. Senere har en passert en skarnsone og hornfelslag og er nu inne i urene kalksteiner. Ut fra geologisering over tunneltraseen hadde vi trukket grensen mellom ganitt og kambrosilur mot dypet.
21.3 v v vv v vvv v v v v v v vv v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v w v v v v v vv v v v v v v vv vv v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v I u st+ pgo.sp o* l8 sry.ttct plq-.p ot A Utiìr.t syohj.tt L-:=:l [Y9*l E"vwú HonlÈts tìoûæotrto'trt ig. 2t.t Georogisrr sï,,,;ff, Hï:årffYiïä ;*"*"rud, Drammen Denne stemte forbløffende godt, men hva vi ikke kunne forutsi var at på tunnelens nivå var grensen mellom de to bergartstypene over en lang strekning temmelig horisontal og puklèt, slik at en måtte giennom ganitt i flere omganger før en hadde kambrosiluren forgodt, fìg. 21.1. Sprak støtte en på første gang ved Pel 670, og det opptràdte lokalt frem til Pel 810. Fra dette pelnummer og frem til Pel 1030 var det kraftig sprak hele veien. Nær kontakten til skarsonen ble spraket borte, men det var derimot intens i den neste kontaktsonen ved Pet 1170 og frem til Pel 1210. I sedimentene er det ingen antydning til sprak. I sprak' fiellsonene synes især horisorltaloppsprekningen i granitten å være mindre enn ellers. Sprakefiellet ble etterhvert sâ sjenerende at entreprenør- og byggherre fant full utstøping på stuff pårkrevet. (Pel900'910). Utstøping ved stuff er en kostbar og tidkrevende arbeidsoperasjon. En valgte etter forslag fra oss â.ptøve sprøytebetongsikring ved stuff. Det ble brukt Sem's sprøyteutstyr for våtsprøyting. Betongblandingen var: 400 kg sement, 20 I aksellerator B-kvikk og0,7l LP - alt pr. m3. Slump 18 ga tilfredstillende god heft til f ellėn var avhengig av skinnetransport. Ca. I km i fiellet lâ kapasiteten på ca 9 m3 betong pr. normalt skift. Betongen ble til å begynne med påført som ett lag til ønsket betongtykkelse 6 cm, senere sprøytet en betongen på sjiktvis.3-4 cm ad gangen. Oppboring av ny salve tok til umiddelbart etter at sprøyteutstyret var fiemet ' d. v. s. ca I time etter avsluttet sprøyting. Ny salve ble skutt ca 3,5 timer senere. En forsøkte å
Her som i Lieråsen opplevde en at spraket forsvant straks betongen var sprøytet på. Det er klart at en føler seg nokså usikker under et relativt tynt, helt ferskt betonglag, men det viste seg at det i denne tunnelen ikke kom noe nedfall fra hvelv eller vegger. Ved ca Pel 1000 var sprakingen usedvanlig intens. En kunne faktisk høre at fiellet stod under konstant press. Det var en sammenhengende knitring avløst av enkelte skarpe smell. Fjellet skallet av under hele hvelvet. Rensk førte ikke frem. Den ga etterhvert et spisst profìl med høy spenningskonsentrasjon i spissen. Det ble her valgt åbruke et 12 cmtykt sprøytebetongsjikt i hvelv og vederlag og 6 cm vegger og sprøyte i to omganger. Først sprøytet en hvelvet, og så langt ned på sidene som en kunne med røysa liggende på plass. Etter utlasting sprøytet en veggene helt ned. Heller ikke her kom det noen form for nedfall etter at sprøytebetongen vzr päfiørt. Frem til idag er det ikke noen sted funnet noen avskalling eller synlige rissdannelser i sprøytebetongen som skyldes bergtrykket. Derimot har en et eksempel på at selv en forholdsvis smal omvandlingssone kan mobilisere så stort svelletrykk at det kan presse ut og gi sprekker i et bomt betongsjikt (Pel 1020). Utpressingen har her startet nederst på veggen hvor betongsjiktet jo er lett å bøye ut. Vi har vært opptatt av å finne ut hvordan spenningsbildet ser ut. Hvor store er kreftene bak sprøytebetonglaget, og hvor store er de kreftene som overføres til betongen? Hvordan kan det ha seg at en betong som er helt fersk, kan hindre avskalling? Kan en stole på sprøytebetongen som langtidssikring? For å få svar på disse spørsmålene har vi i samarbeide med Institutt for gruvedrift utført bergtrykksmålinger, Dr. ing. Arne Myrvang har stått for beregningsarbeidet. Vi har videre gjort heftfasthetsbestemmelser og målt deformasjoner av tunnelprofilet med stangekstensometer. Z6 Ai A.o c.r, ahltzrt tl,,r? X-ø-,tttì?e A -tr-. hl /oo3 Oazz Joh'?a Fig. 21.2 Registrering av største hovedspenninger i drammensgranitt
21.5 Bergtrykksmåüinger Vårt program omfatter målinger av spenningens størrelse såvel i sprøytebetonglag som i fiell og til forskjellige tider.de første målingene ble giort ica2l12 maned gammel betong.i neste omgang var betongen bare 3-4 dager gammel. Første måleperiode strakte seg fra 3.12. 77 18.1.78. 2. mâtlepenode var i fellesferien (11-17.7.78).3. måleperiode er plurlagt utførit nfu tunnelen er ferdigdrevet, sannsynligvis tidlig neste år. Vi skal se litt på de enkelte måleresultatene: For å få målt spenninger i granitten der sprakefiell ikke var observert, valgte en å måle i taket i en ca 7 m bred vikesporutrossing ved Pel 535. Registreringene viste-største hovedspenning llk 225 kp/cm2, 0,i5 m inne i borhullet, fallende tí 146 kplcm2 ved hullbunn 1,9 m inne. Denne siste verdi regnes være lik den opprinnelige hovedspenning i granitten på dette stedet. Største hovedspenning danner ca 50o vinkel med tunnelaksen og ligger omtrent horisontalt. Målinger i sprakefiellområdet ble begynt 3.12.77 ved Pel 878. Målehullet ble boret verti' kalt midt i hvelvet. 0.25 m inne viste største hovedspennng 740 kplcm2.3 m inne var den saírme 345 kp/cm2, fig.21.2. Største hovedspenning er tilnærmet horisontal og danner ca 80o vinkel med tunnelaksen. Opprinnelig største hovedspenning er beregnet til 195 kplcm2. Detaljkartlegging av opp' sprekningen i granitten viser at både ved Pel 878 synes retningen til største hovedspenning å halvere vinkelen mellom de to dominerende, ganske steiltstående sprekkesystemer. I såfall le' des tanken hen på at en her har å gjøre med skjærspenningsbrudd. Nye målinger ble gort 12.7-78 i dette profilet i hull 3040 cm unna det første målehullet. Nu viste største hovedspenning i 30 cm dyp 586 kp/cm2, mens en ved hullbunn 115 m inne målte 456 kplcm", (fig. 21.2). Som en ser, er største hovedspenning nær profilet lavere ved siste måling, men den viser liten endring innover i hullet. For den (også horisontale) minste hovedspenning viser de to tidsforskjellige målinger ingen ulikhet av noen betydning. Det ble siste gang også målt spenninger i tunnelveggen. ll2 m inne var største hovedspenningen bare 55 kp/cm2. Det ble begge ganger målt i sprøytebetongsjiktet, som her jevnt over er 6-8 cm tykt. I desember Ca Ueto-nge n var ca 2 i Z ^aora gammel, ble det i takhullet målt 10 kplcmz og 4 kp/cm2 henholdsvis i 2 og 3 cm's dyp. - t uii ble det målt l1 kp/cm2 i 3 cm's dybde i takhullet. I vegghull - 6kplcm2. Å si at det har funnet sted noen spenningsendring er umulig p. g. a. de lave verdiene som ligger innenfor målemetodens usikkerhetsområde. I tillegg ble det ved Pel 900 målt i I I cm sprøytebetongsjikt. Her fant en 0 før største hovedspenning og - I kp/ cm2, altså strekk, for minste hovedspenning. Ved Pel 992 ble det i desember 1977 gjort 5 enkeltmålinger i fiell og i ca 3 dager gammel sprøytebetong. P. g. a. kraftig oppsprengning av kjernen fikk en ikke gi-ort målinger næmere overflaten enn 65 cm. Største hovedspenning ble målt ttl394 kp/cm2. I sprøytebetongen målte en i 3 cm's dyp 5 kp/cm2. Etter flytting av prøvestedet til Pel 1003 konstaterte en fortsatt meget kraftig kjerng' oppsprekkirg.èn fikk registrering ved 30 cm's dybde med hovedspenning 559 kp/cm2. ts-cm lengre inne var største hovedspenning hele 919 kp/cm' *t{ 412 kplcm2 som.,erdi for minste hovedspenning. I sprøytebetongsjiktet målte en 4 kp/cm2. I juli ble målingene gientatt på dette stedet. P. g. a.kraftig kjerneoppsprekning måtte en inn hele 2,0 m før en fïkk måle.
21.6 Resultat for største hovedspenning,332 kp/cm2. Ved 2,35 m's dyp målte en imidlertid 668 kp/cm2 og 276 kp/cm2, henholdsvis for største og minste hovedspenning. Målingen i sprøytebetong ga i 2 paralleller i 5 cm's dybde 3 og 5 kplcm2 for største hovedspenning og 0 og I kp/cm2 forminste hovedspenning. Målinger i veggen viste også her lave verdier. I 65 cm dybde 97 kplcm2 og i 1,0 kp/cm2. I sprøytebetong på vegg ble målt 6 kp/cm2 for største hovedspenning - 5 cm inne. Målingene gir interessante holdepunkter. Det går bl. a. frem at det bygger seg opp høyere spenninger innover i fiellet over tunnelhvelvet etterhvert som det skjer en oppsprekning og dermed en spenningsutløsning fra overflaten og innover. Hvor stor denne er rent tallmessig, gir de utførte målinger ikke eksakt svar på, men en største hovedspennngi2,35 m's dybde på 668 kplcm2 må karaktiseres som meget høy. Malingene i veggene viser at det her bare opptrer moderate spenninger. Samtlige målinger i sprøytebetongen har gitt meget lave verdier, 0-1l kplcm2 for største hovedspenning). Dersom heften mellom sprøytebetongen og fiell er fullstendig, og spenningen gar helt ut til overflaten, skulle spenningen teoretisk ligge på tl4 av de i berget, da betongens E-modul er ca ll4 av bergets. Med utgangspunkt i største hovedspennngi21 cm's dybde på 740 kplcm2 ved Pel 878, skulle dette tilsvare 185 kp/cm2 for o1i betongen. Selv en økning avtrykkfasthetenibetongen iløpet avethalvtårfra l00kp/cm2 til l50kplcmz harikke gitt seg noe uttrykk i en endret spenningssitusasjon. I Sverige ble i 1972-73 $ort omfattende bergtrykksrnålinger under utsprengning av ny kraftstasjon for Ljungaverk. Resultatene er lagt frem i en Be fo - rapport nr. 18 ved Bo Hall. Det var her også horisontal hovedspenning med største spenning i uforstyrret Sell orientert loddrett tunnelaksen og lik ca2}okplcm2. Profilet av forsøkstunnelen var 9,6 m bredt med 9,8 maks høyde. Den horisontale spenningen ga tildels kraftig sprak i hvelvet. Boltesikring resulterte i sprak og nedfall mellom boltene. Det ble brukt sprøytebetong i tillegg til boltesikring eller sprøytebetong ble påført umiddelbart etter rensk. Det ble gjort spenningsmålinger i betongsjiktet som en etter hvert forsøkte å holde på 7 cm. (4 cm til å begynne med). Det fremgar av resultatene det sãnme som ble påvist i Fjellsveitunnelen, [k orientering av hovedspenningens retning i de to materialer. Resultatene viser videre at største hovedspenning målt i betong ligger på rundt 7 kplcm2. På et målested ble det eksempelvis målt o1 = 0,5 kplcm2 2 cm inne i betongen, mens en2} cm inne i berg målte ot = 157 kpicm2. Data for målinger av E-modul, Poissons tall og trykkstyrke er gjengitt i tabell, ft5.21.3. Heft mellom betong og fjell. Det er foretatt en rekke t ekkforsøk på stedet med spesialutstyr. Prøvestedene er lagt rundt hullene som er brukt til spenningsnålinger, tildels også i hvelvet ved andre pelnumre, ellér de er plassert i veggene, fortrinnsvis hvor en har typiske sleppeplan i bergarten, hvor forholdene antas være de minst gunstige for en god heft. For prøvene i taket viser det seg at det er lett å få brudd i fiell på grunn av oppskivingen av fiellet innenfor. Med delvis brudd i betong og berg er det målt heftfasthet gjennomsnittlig 5,5 kp/cm2. Heftfastheten er i realiteten større. Det er ingen tegn til oppskiving i betongsjiktet. Heftfasthetsmålinger i veggene viste : Det fremkom to brudd i betongen ved 4,7 kälcm2 og9,6kplcm2 og et limfugebrudd ved 8,8 kp/cm2. Et par steder falt kjernen ut under boring på grunn av dårlig heft, men ellers 1å resultatene fta 2,4 kplcm2 til 9,8 kplcmz med ca 7 kplcm2 som gjennomsnitt, et resultat som er bra.
2r.7 Prøve E-modul 1oó kp/cm2 Poissons tall Trykkstyrke Merknad Granitt Granitt Gneisgranitt Betong Betong Betong 0,400 o,385 0,270 0,100 0,106 0,074 0,17 0,18 0,085 0,07 o,29 0,20 85s tzl0 100 150 Pel 878 Pel 1003 Ljungaverk Pel 1003ca Tdgr Pel 1003ca 6 mnd Ljungaverk Fig. 21.3 Defotmasj onsmålinger. Det erfulgt opp med deformasjonsmålinger i to profìler, ca Pel 995 ogpel 1003. I det ene profìl er må{t to retninger, fig. 2I A.Her er i perioden januar-september 78 målt en saflrmen' irykking av tverrsnittet på 10,4 mm fig.2l 5. Utvidelsekurven i retning B-Bermeruregelmessig ogiusikker, men synes å utjevne seg rundt 2mm forlengelse,fig.2l.6- t detãndre profilet er saítmentrykkingen målt til ca 8,8 mm. En er her ved Pel 1003 hvor sprakefiellsintensiteten var på sitt høyeste. Det er ennå intet som tyder på at sammentrykk' ingen har stoppet opp. Deformasjonen har ennå ikke fwt ttl synlige riss i sprøytebetongen, mãn fortsetter den, vil det vel før eller senere fø e til oppsprekning av spløytebetongsjiktet. Konklusjon: Sprøyting med sprakefiell har vist seg ã værc effektiv, men hvor trygg metoden er, mang' ler en fortsatt erfaringsmateriale for å kunne si med sikkerhet. Den gunstige effekt som sprøytebetongen har, synes å ligge i at den holder bergartsfrag' mentene på plass og dermed bidrar til å øke bergets selvbærende evne. Tunnelprofìl og dermed størrelsen av de fragmenter (blokker) som kan forventes å sprake løs, vil u*i..n viktig faktor å ta i betraktning når en skal sikre mot og ta stilling til sprøyte' betong alene, eller sprøytebetong i kombinasjon med bolter og eventuelt armering. Det er ønske fra Instituttet å få være med på videre utprøving av metoden.
Fig.2l.4 Deformasjonsmålinger i tunnelen ved ca. Pel 1000.,d n:f ril,ll ft Fig. 21.5 Sammenkrympning langs akæn A - A (fi9.21.4.) i:[ I:[ ql fig.2l.6 Forlengelse langs aksen B - B (fig. 21.4.)