Planning and engineering geological assessments of Prestås and Bjønnås tunnels along E18 between Langangen and Rugtvedt in Porsgrunn

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler de to kommende veitunnelene Preståstunnelen og Bjønnåstunnelen på Nye Veier-prosjektet ny E18 Langangen-Rugtvedt i Porsgrunn kommune. Preståstunnelen og Bjønnåstunnelen er de to lengste tunnelene i prosjektet med omtrentlige lengder på henholdsvis 2920 m og 2610 m. Begge prosjekteres som toløps tunneler i tunnelklasse E med tunnelprofil T10,5.

Formålet med oppgaven har vært å opparbeide en bred forståelse av geologien på tunnelnivå samt omkringliggende områder, herunder beskrive stabilitetsutfordringer knyttet til tunnelene både under bygging og i driftsfasen.

Ulike stabilitetsvurderingsmetoder har blitt benyttet på ulike deler av tunnelene. Det utførte arbeidet kan deles i tre hovedkategorier. Disse er 1) feltkartlegging og innhenting av relevant informasjon og erfaringer fra tidligere, nærliggende tunnelprosjekter, 2) laboratorieundersøkelser og 3) stabilitetsvurderinger.

Feltkartleggingen ble gjennomført i januar 2021 med sprekkeorienteringsmålinger, kartlegging av Q-parametere, fotografering og prøvetaking som hovedaktiviteter. Alle bergmassene er gjennomsatt av 3-5 sprekkesett. Lagdelingssprekkene faller 15-40° mot nord-øst. 12 ulike bergarter og 30 ulike svake soner ble kartlagt, hvorav Tveten svakhetssone (S8) og Lannerdammen svakhetssoner (S21-S24) er de to største. De viktigste bergartene for Preståstunnelen er marmor, hornfels og sandstein, mens den viktigste bergarten for Bjønnåstunnelen er monzonitt.

Laboratorieundersøkelser på marmor, hornfels og monzonitt inkluderte enaksiell trykkstyrke, strekkstyrke, punktlasttest, lydhastighet, tilttest, Schmidt hammer testing og XRD. Leirmateriale fra tre tidligere kjerneborhull på Preståstunnelen ble undersøkt med tanke på frisvelling og svelletrykk.

Gjennomsnittlig σ_ci for marmoren, hornfelsen og monzonitten ble målt til henholdsvis 127, 147 og 200 MPa. Dette tilsvarer bergarter med svært høy styrke. I_(a(50)) indikerer lav til ingen styrkeanisotropi for alle de tre bergartene. DRI-verdien for marmoren, hornfelsen og monzonitten er klassifisert som henholdsvis lav, moderat og høy. BWI-verdien er lav for alle tre bergarter. Det undersøkte leirmaterialet ble målt til å være svært aktivt med svært høyt svelletrykk. Dette indikerer potensiale for ustabiliteter som følge av svellende leire i svakhetssoner og i sprekker som inneholder slik leire.

Både Preståstunnelen og Bjønnåstunnelen vil oppleve store horisontalspenninger, hvor σ_H er orientert omtrent normalt på store deler av begge tunnelene. Brorparten av horisontalspenningene er tektonisk og/eller geologisk betinget ettersom spenningenes størrelser er undersøkt og bekreftet nært til overflaten. Det må forventes at sprak i Bjønnåstunnelen kan oppstå nærmest uavhengig av bergoverdekningen.

Anbefalte traseer er alternativ 2 for Preståstunnelen og alternativ 3 for Bjønnåstunnelen. Det må forventes at 2x203 m av Preståstunnelen krever bergsikringsklasse IVb eller V. Tilsvarende lengde for Bjønnåstunnelen er 2x190 m. For de fire påhuggsområdene er omfanget av bergsikring estimert med Q-metoden og UnWedge. Beregningene indikerer at Preståstunnelens vestre påhuggsområde krever bergsikringsklasse IVa, mens østre påhuggsområde krever klasse III/II. Begge påhuggsområdene til Bjønnåstunnelen bør sikres etter klasse II/I. Numerisk modellering i RS2 indikerer at det svakeste punktet i S8 bør sikres etter en moderat versjon av bergsikringsklasse V. Pillarbredden utenfor mekanisk svake soner kan reduseres til 10 m pga. kompetent berg og store horisontalspenninger, mens stabiliteten i S8 er vurdert med 25 m pillarbredde. På grunn av sensitive nærområder bør det anvendes systematisk forinjeksjon og strenge innlekkasjekrav for S8.

This MSc thesis is related to the two planned road tunnels Prestås tunnel and Bjønnås tunnel along E18 Langangen-Rugtvedt in Porsgrunn municipality. The tunnels are part of the ongoing upgrading of E18, owned and developed by Nye Veier AS. The Prestås and Bjønnås tunnels have approximate lengths of 2920 m and 2610 m respectively, and are designed as double tube, class E tunnels with T10,5 profile.

The aim of this MSc thesis has been to gain a broad understanding of the geology of the tunnels and the surrounding areas, hereunder describe the main challenges related to tunnel stability during excavation and operation. Different methods for stability analyses have been used at different cross sections of the two tunnels.

The performed work can be roughly divided into three sections. These are 1) field mapping and collection of relevant information and previous excavation experience from nearby tunnels, 2) laboratory assessment and 3) stability analyses.

Field mapping was carried out in January 2021 with joint orientation measurements, Q-system parameter interpretation, photography and rock sampling as the main activities. The rock masses have 3-5 joint sets, whereas the foliation joints dips 15-40° towards north-east. 12 different rock types and 30 potential weak zones were identified of which Tveten weakness zone (S8) and Lannerdammen weakness zones (S21-S24) are the main, challenging areas. Main rock types for Prestås tunnel are marble, hornfels and sandstone while main rock type for Bjønnås tunnel is monzonite.

Laboratory testing on marble, hornfels and monzonite included uniaxial compressive strength test, brazilian tensile strength test, point load strength test, sound velocity test, drillability test, tilt test, Schmidt hammer rebound test and XRD. Clay material from three previously drilled core boreholes from Prestås tunnel was evaluated with respect to free swell and swelling pressure.

Average σ_ci for the marble, hornfels and monzonite is found to be 127, 147 and 200 MPa respectively, which corresponds to rock material of very high strength. I_(a(50)) indicates low to zero strength anisotropy for all three rock types. DRI-value for the marble, hornfels and monzonite is classified as low, medium and high, respectively. BWI is very low for all three rocks. Very active clay material showing very high swelling potential was identified, indicating potential for instabilities associated with swelling clay in weak zones and joints filled with swelling clay.

Both tunnels will be exposed to high horizontal stresses, with σ_H orientated approximately perpendicular to most parts of both tunnels. The major components of the horizontal stresses are of tectonic and/or residual origin. The stress magnitudes have previously been examined and identified close to the surface. Spalling activity in the Bjønnås tunnel should be expected to occur independent of the overburden.

Recommended alignments are alternative 2 for Prestås tunnel and alternative 3 for Bjønnås tunnel. 2x203 m of Prestås tunnel is expected to require rock support class IVb or V, and similarly 2x190 m for Bjønnås. For the four cut areas, rock support extent is predicted and evaluated by applying both the Q-system and UnWedge analyses. Calculations indicates rock support class IVa for Prestås cut west, class III/II for Prestås cut east and class II/I for both Bjønnås cuts. Numerical modeling in RS2 indicates that the weakest section of S8 should be supported according to a moderate version of class V. Pillar width outside of weak zones might be 10 m due to competent rock mass and high horizontal stresses, while stability of S8 is evaluated with 25 m pillar width. The excavation of S8 should apply systematical pre-grouting and strict inflow criteria due to sensitive surroundings.