Jernbanetunnel Holm-Nykirke: Vurdering av ingeniørgeologiskeforhold

Abstract

Denne masteroppgaven gir en ingeniørgeologisk vurdering for Jernbaneverkets tunnelprosjekt på strekningen Holm - Nykirke i Vestfold. Jernbaneverket skal bygge flere nye tunneler i Vestfold i årene som kommer og alle tunnelen skaldimensjoneres for dobbeltspor og høyhastighetstog. Tunnelen Holm-Nykirkeskal ha et teoretisk sprengningsprofil på ca. 133 m2 og en lengde på ca. 12,5km. Det er påvist mange svakhetssoner i området og oppgaven har derfor hatt som mål å kartlegge og tolke svakhetssonene mer i detalj.

Ved tunneldriving i Norge oppstår stabilitetsproblemer ofte i tilknytning til svakhetssoner.Feiltolkninger av disse sonene kan få store konsekvenser både fordrivingen og langtidsstabiliteten i tunnelen. Ved driving gjennom svakhetssoner kan det forekomme store ras og innlekkasjer som kan kreve bruk av mye tung bergsikring. Ras kan også oppstå flere år etter at tunnelen er ferdig bygd. Det er i de aller fleste tilfeller mulig å unngå disse hendelsene hvis det gjøres tilstrekkelig planlegging og god tolkning av svakhetssonene. Konsekvensene ved utilstrekkelig tolkning eller feiltolkninger vil i verste fall bli personskader og tap av menneskeliv. Uforutsette hendelser i tilknyttning til svakhetssoner vil alltid føre til økte kostnader og redusert inndrift ved byggingen. Som raset i Hanekleivtunnelen har vist kan lange veistrekninger bli avstengt i lengre tid hvis ras forekommer etter ferdigstillelse av tunneler.

Til vurderingen av grunnforholdene har det blitt brukt resultater fra ulike undersøkelser.De viktigste undersøkelsene har blitt gjort ved befaringer, flyfotostudier,kjerneboringer, magnetometriske målinger (dypforvitring) og resistivitetsmålinger.

Tunnelen vil gå gjennom Holmestrandsområdet som er en del av Oslofeltet.Oslofeltet har gjennomgått omfattende rifttektonikk og det har foregått strekking,fortynning og oppsprekning av jordskorpa. Ved jernbanetunnelen er berggrunnen gjennomsatt av nord-sørgående forkastninger som mange steder har størrelser på mer enn 500 m. Bergartene i området er kambrosilurske avsetninger(ringerikesandstein), og permiske lava- og intrusjonsbergarter (B1 basalt,rombeporfyr, syenitt og granitt). Mesteparten av tunnelen vil gå gjennom basaltog sandstein.

Terrenget langs tunnelen er kupert. Høyden på fjellet varierer fra ned mot 50m til mer enn 200 m langs mesteparten av traseén. Tunnelen følger en steilfjellside fra Holm og ned forbi Holmestrand by.

Borbarheten til basalten og rombeporfyren i området er generelt dårlig, mens den er middels god for sandsteinen. Alle bergartene antas å ha middels til god sprengbarhet.

Den generelle stabiliteten i tunnelen vil kunne variere noe. Overdekningen anses som tilstrekkelig for å få god innspenning, bortsett fra ved på huggenehvor overdekningen går ned til et par meter. Hovedsprekkeretningene i området veksler på å følge omtrent parallelt med tunneltraseén og dette anses som ugunstig da dette øker muligheten for utfall fra hengen. Det er sannsynlig at høyehorisontalspenninger vil forekomme i området og dette kan gi stabilitetsproblemeri form av spraking.

Svakhetssoner og hovedsprekkeretningene i området antas å følge omtrentligden regionale hovedspenningsretningen i Oslofeltet og dette medfører at sprekkene i stor grad vil være åpne. Dette medfører at risikoen for innlekkasjer i tunnelen er stor.

Vannlekkasjer kan forekomme i tilknytning til svakhetssoner langs hele traseén.Det er sannsynlig at de største vannlekkasjen vil forekomme ved krysing av svakhetssoner i ringerikesandsteinen da denne bergarten ligger under den tette Askergruppen. Vanntrykket ved innlekasjene vil kunne bli størst i den nordlige delen av tunnelen der overdekningen er størst. Strømtopper i lavabergartene vil generelt gi vannlekasjer på dyp mindre enn 100 m.

Grunnvannet i området antas å være naturlig drenert både av fjellveggen ut mot havet og av de to tidligere bygde tunnelene i området (Holmestrandtunnelen og Brekketunnelen).

Langs tunneltraseén er det sårbare naturområder, tett bebyggelse, dyrket mark og grunnvannsbrønner som alle kan bli skadet hvis tunnelen drenerer grunnvannet.For å sikre at tunnelen ikke vil påvirke omgivelsene for mye vil det bli nødvendig med bruk av mye forinjeksjon. For de utsatte områdene vil ett tetthetskrav på ned mot 5-30 l/min/100 m tunnel være nødvendig.

Undersøkelser ved bruk av Q-metoden har vist at bergmassen i området er av for det meste dårlig til middels kvalitet. Bare 16 % er av god kvalitet og mindre enn 1 % av Q-verdiene er under 1. Ut i fra Q-systemet og vanlig praksis ved jernbanetunneler vil sikringen av tunnelen for det meste bestå av fiberarmert sprøytebetong og bolting, der sprøyte betongtykkelsen vil være mellom 8 og 12cm, og bolte avstanden mellom 1,7 og 2,6 m. Det er sannsynlig at spesielt ustabil bergmasse i form av søylebasalt vil påtreffes og det vil her kunne kreves tyngre bergsikring.

Det har blitt kartlagt en stor mengde svakhetssoner ved tunnelen. Minst 74 av disse sonene er trolig reelle og mange av disse vil kreve tyngre bergsikring.Noen av disse sonene er trolig oppsprukne intrusjonsganger av for eksempel syenitt. Resistivitetsmålinger har også påvist 8 mulige massive intrusjonsganger (diabas/rombeporfyr) som kan gi store vannlekasjer.

Basert på tolkninger av resistivitetsdata har det blitt utarbeidet prognoser for lengder av svakhetssonene. Den totale lengden av svakhetssone er anslått til å være mellom 623 og 1680 m, og dette utgjør henholdsvis 5,0 og 13,4 % av tunnelstrekningen.Svakhetssonene har blitt delt inn i soneklasser. Soneklassene er definert ut i fra tolkninger gjort for svakhetssonene med tanke på bergmasseforhold og sikrings og drivemetodikk. For soneklassene har det blitt skilt mellom soner som vil kreve sikring i form av bare bolting og sprøytebetong, sprøytebetongbuer og betongutstøpning.

Kostnadsprognoser viser at ekstra drive- og sikringsarbeid ved svakhetssonene vil ligge på mellom 41,6 og 104,4 millioner kroner. Totalkostnaden, som inkluderer både vanlig driving (boring, sprengning, injeksjon og rigg) og ekstrakostnaden,vil komme på mellom 88,3 og 230,4 millioner kroner.

Ekstra tidsbruk ved driving og sikring av svakhetssoner er anslått til å ligge på mellom 75 og 186 arbeidsuker. Total tidsbruk ligger mellom 89 og 224 arbeidsuker.Prognosene for tidsbruk og kostnader er ganske usikre da endel forenklinger ved beregningene er blitt gjort.

Kartleggingen, tolkningene og prognosene som er gjort for svakhetssonene har en høy grad av usikkerhet i seg. Dette på grunn av at analysen i stor grader basert på resistivitetsmålinger. Eksakt kunnskap foreligger bare for et lite antall svakhetssoner som har blitt undersøkt ved kjerneboring eller blitt drevet gjennom i Holmestrandtunnelen.

Tunnelprosjektet er vurdert til å ligge i geoteknisk prosjektklasse 3. Dette erbasert på at konsekvensene ved feiltolkninger er stor og at tolkningene av mange av svakhetssonene er usikre. Svakhetssonen vil også kreve mye oppfølging ved driving.

For planleggingsfasen av prosjektet anses de utførte grunnundersøkelsene somtilstrekkelige for å få en oversikt over geologien generelt i området, men mer spennings- og poretrykkmålinger vil være nyttig. Det vil også være nyttig ågjøre mer detaljundersøkelser av svakhetssoner i felt for å forbedre tolkningerav sonenes bredde, oppsprekningsgrad og sprekkefylling.

This master thesis gives an engineering geological evaluation of the Norwegian National Rail Administrations (Jernbaneverket) tunneling project "Holm-Nykirke" in the Vestfold county. Jernbaneverket will be constructing several tunnels in this area in the following years. The 12,5 km double track tunnel"Holm-Nykirke" will be dimensioned for high-velocity trains. The theoretical cross-section for the tunnel will be approximately 133 m2. The main goal of the thesis have been to identify and evaluate weakness zones along the tunnel alignment.

In Norwegian tunneling stability problems often occur at weakness zones. Misinterpretation of these zones can result in severe consequences for both the construction works and the long term stability of the tunnel. When tunneling through weakness zones major cave-ins and water leakages can occur and these situations will require the use of extensive rock support and grouting of the rock mass. Cave-ins might also occur long after the tunnel construction has ended.With sufficient planing and interpretations of high quality this situations can be avoided. The consequences of misinterpretations of weakness zones can result in loss of human life, increased costs and increased construction time.

Results from investigation methods such as field mapping, desk studies, resistivity surveys, magnetometric surveys and core drilling have been used for identifying and interpreting the weakness zones.

The tunnel will be constructed in the Oslo area where the rock mass has undergone extensive fracturing and stretching. The tunnel will be located in an area consisting of a high number of north-south-oriented faults with sizes of more than 500 m. The bedrock in the areas consist of Cambro-Silurian Sand stone and Permian lava flows and intrusions (B1 Basalt formation, Rombeporphyr,Syenite and Granite). The tunnel will mainly be located in Sandstone and Basalt.

In the area the terrain is uneven and the height of the mountain varies between 50 and 200 m for most parts of the tunnel alignment. The tunnel will be following parallel to a near-vertical mountain slope from Holm to the city of Holmestrand.

The drill ability is poor for the Basalt and Rombeporphyr, and moderate for theSandstone. The blastability is moderate to good for the three rocks.

The stability in the tunnel might vary. The main fracture-orientations in the rock mass follows parallel to the the tunnel alignment and this is considered unfavorable due to an increased risk of rocks falling from the roof of the tunnel.There might be high horizontal-stresses in the area and if this is the case rockbursting might occur.

The weakness zones and main fracture-orientations in the area is assumed tobe orientated parallel to the main stress-orientation in the Oslo area and it istherefore likely that fractures in the rock mass will be open. It is therefore ahigh risk of water inflow in the tunnel.

Water inflow might occur in the weakness zones along the tunnel alignment.The largest inflows will most likely occur when passing through the Sandstonesince this rock lies underneath the Asker group, a sedimentary deposit fromCarbon, which acts as a water barrier. More porous layers in the lava flows willlikely gives some water leakage at depths of less than 100 m.

There are several vulnerable areas along the tunnel alignment which can bedamaged if major water leakage occur in the tunnel. Injection grouting shouldbe used to obtain a water tightness of between 5 and 30 l/min/ 100 m.

By the use of the Q-method the rock mass in the area has been evaluated to beof poor to fair quality for most parts of the tunnel. 16 % of the rock mass is of good quality, while less than 1 % have a Q-value below 1. Based on this the rockmass should mainly be supported by fiberreinforced shotcrete and systematicbolting. Bolt spacing should be between 1,7 and 2,6 m, and shotcrete thicknessbetween 8 and 12 cm.

There have been identified a minimum of 74 likely weakness zones along the tunnel alignment and many of these will require the use of shotcrete arches or concrete lining. The total length of the weakness zones have been estimated to be between 512 and 1450 m (4,1 to 11,6 % of the tunnel length). The weakness zones have been classified according to rock support needs and a distinction has been made between using only shotcrete and bolting, shotcrete arches and concrete lining.

Estimated total cost for tunneling through the weakness zones ranges from 74,5 to 201 million kroner. The total time needed lies between 76 to 199 working weeks.The mapping, interpretations and prognosis that have been conducted for the weakness zones contain a high degree of uncertainty. This is because of the limited amount of information that is given for most of the zones.The tunnel will lie in Geotechnical Project Class 3. This class is chosen based on the fact that there is a high amount of weakness zones in the areas and because the consequences of stability problems in the tunnel might be severe.