Deformation properties of hard rock TBM-spoil

Abstract

Bruken av tunnelborremaskiner (TBM) i Norge startet på tidlig 1970-tallet, hovedsakelig knyttet til vannkraftverk. I ettertid har det blitt gravd ut over 250 tunneler i Norge med TBM, store deler knyttet til satsningen på vannkraftverk på 80-tallet. Siden har bruken av TBM blitt redusert, som følge av politiske og miljømessige årsaker. Etter 2010 har bruken av utgravingsmetoden økt, med store prosjekter som vannkraftverkprosjekter som Røssåga, jernbanetunneler som Ulriken tunnelen og Follobaneprosjektet. Nylig har Ny Vannforsyning Oslo prosjektet kunngjort at to av deres tunneler skal utføres med tre TBMer. Tunneler kan være løsningen for prosjekter lokalisert i urbane strøk med knapphet til arealer over bakkenivå. Behovet for utnyttelsen av overskuddsmasser øker som følge av miljø- og samfunnsmessige årsaker. EUs handlingsplan for en sirkulær økonomi involverer lovgivende forslag om avfall, hvor langtidsmålet er å redusere landfyllinger og øke gjenbruket av masser. Glasifluviale tilslagsmaterialer er en ikkefornybarressurs, der grus- og sandtak nær store byer er i ferd med å tømmes. Hvor blant annet Oslo ikke lenger klarer å imøtekomme behovet for tilslagsmaterialet til byggeprosjekter, noe som fører til økt transport og kostnader. Utgraving av tunneler genererer store mengder med overskuddsmasser, uavhengig av drivemetode. Utnyttelsen av tunnelmassene påvirker miljøbelastningen og økonomien til et prosjekt. Prosjektene i det forrige århundret var plassert langt fra bebyggelse, hvor overskuddsmassene ble transportert til lagringsplasser nær anleggsplassen og ikke utnyttet ytterligere. Kunnskapen om de geotekniske egenskapene er avgjørende for videre optimalisering av massehåndteringen. Der materialets kornform og kornstørrelsesfordeling fører til utfordringer for videre utnyttelse. Prosjekter som Ulriken tunnelen og Follobaneprosjektet har likevel positive erfaringer med å utnytte overskuddsmassene. Hensikten med denne masteroppgaven er å undersøke de geotekniske egenskapene til TBM kaks produsert fra norske tunnelprosjekt, med fokus på materialets stivhet. Dette ved å undersøke erfaringer fra tidligere prosjekter og ved å gjennomføre laboratorieundersøkelser, blant annet med et stor skala ødometer. Totalt syv ødometerforsøk med trinnvis belastning (IL) har blitt gjennomført, hvorav fire på TBM kaks og tre på knust stein. Den knuste steinen er skalert til å simulere kornstørrelsesfordelingen til et materiale produsert med boring og sprenging fra liknende geologiske forhold. Resultatene viser at TBM kaksen er et velgradert materiale som er vannømfintlig og lettere telefarlig, men har ikke nok kapillært sug til å danne islinser. Vanninnholdet i det testede materialet er mellom 5,5 – 6,7 %, hvor tørrdensiteten etter endt forsøk varierer mellom 1,93 – 1,96 t/m3 med en porøsitet mellom 26,8 – 28,2 %. Ødometer modulusen til TBM kaksen varierer mellom 9,04 – 9,40 MPa, der testenes lenge er mellom 3,5 – 75 timer. Resultatene indikerer at hvis en 30 meter tykk fylling bestående av TBM kaks blir pålastet 50 kPa, vil fyllingen oppnå ca. 22 cm setninger. TBM kaks fra norske forhold kan utnyttes til en rekke formål. Hvis de største steinene i TBM kaksen blir fjernet, kan materialet bli utnyttet i frostsikringslaget i en veikonstruksjon, i kvalitetsfyllinger og fyllinger på sjøbunnen. Ytterlige bruksområder kan muliggjøres ved at materialet knuses og/eller tilsettes andre tilslagsmaterialer. Da kan materialet benyttes som tilslag i betong, tilbakefyllingsmateriale i ringspalten og i jernbanekonstruksjonen. Hvis viderebehandling av TBM kaksen er tilpasset de geotekniske og kjemiske egenskapene, viser tidligere erfaringer at materialet kan utnyttes med gode resultater for ulik bruk. Utnyttelsen av materialet har gitt dårlige resultater når egenskapene til den rå TBM kaksen ikke har blitt undersøkt, og materialet har blitt utnyttet uten hensyn og modifikasjoner.

Tunnel excavation with tunnel boring machines (TBM) in Norway started in the early 1970s, mostly linked to hydropower tunnels. Since then, over 250 tunnels have been excavated in Norway with TBM. For political reasons the number of hydropower projects were reduced in the late 20th century. Following the number of TBM project were also reduced for a couple of decades, but since 2010 the use of TBM as an excavation method for tunnel excavation increased again. Mostly linked to hydropower projects as Røssåga, railway tunnels as the Ulriken Tunnel and the Follo Line project. Lately the New Water Supply project in Oslo also announced that two of their tunnels will be excavated by three TBMs. Tunnels are often the solution for urban infrastructure projects with no available space for such constructions on the ground. Thus, the need for utilisation of tunnel spoil is increasing for both environmental and logistic reasons. The European Commission’s Circular Economy Action Plan involves legislative proposals on waste, where the long-term aim is to reduce landfilling and increase utilisation of tunnel spoil. In addition, glaciofluvial aggregates for concrete production and backfill material are an unrenewable resource and the gravel- and sand pits near urban areas are experiencing shortage. Oslo, among other cities are no longer able to meet the need of aggregates for construction sites, leading to extended transport and costs. On the other hand, tunnel excavation generates large quantities of excess spoil, independent of excavation method. The utilisation of tunnel spoil will influence the environmental impact and the economy of the project. The projects in the 20th century were mostly located in rural areas, where the spoil was transported to stockpiles near the construction site, instead of further utilisation. Optimalisation of spoil handling is dependent on extended knowledge of the geotechnical properties of the material. The challenge with utilisation of TBM spoil is linked to the unfavourable grain shape and grain size distribution of the material. However, projects as the Ulriken Tunnel and the Follo Line project have utilised the material with success. The aim of this thesis is to study the geotechnical properties of hard rock TBM spoil with emphasis on its stiffness properties. Previous investigations have been studied and new laboratory investigations, such as a large scale oedometer test have been conducted. A total of seven incrementally loaded (IL) oedometer tests have been executed, where four of the tests were conducted on TBM spoil and three on crushed rock. The crushed rock is sieved and compiled with a grain size distribution with a maximum grain size comparable to the tested TBM spoil. The TBM spoil is found to be a well graded material. It is water sensitive and frost susceptible, but do not have enough capillarity for ice lenses to form. The water content of the material is between 5.5 – 6.7 %, where the dry density at the end of the tests variates from 1.93 – 1.96 t/m3 with a porosity of 26.8 – 28.2 %. The oedometer modulus for the material variated between 9.04 – 9.40 MPa, where the test duration varied from 3.5 – 75 hours. If a 30 metres fill was to be constructed with the material and, a load of 50 kPa was applied at the top of the fill, the results indicates that the fill would settle 22 cm. The TBM spoil produced from hard rock conditions could be utilised with fractionation of coarse gravel for the frost protection layer in a road construction, for construction fills or capping of contaminated sediments on the seabed. Further utilisation could be achieved by crushing the material and/or combining it with other aggregates. Under these preconditions the material could be utilised as concrete aggregates, “pea gravel” for backfilling and in quality construction fills. Previous experience demonstrates that if the spoil characteristics is considered and accounted for, suitable applications can be found, and the material can be utilized. This applies to a range of different applications.