T-forbindelsen: Analyse av ingeniørgeologiske forhold knyttet til krysning av svakhetssoner i undersjøisk tunnel

Abstract

I perioden 2009 til 2013 bygges T-forbindelsen mellom kommunene Karmøy, Haugesund og Tysvær. Som del av dette prosjektet bygges Karmøytunnelen, en 8,9 kilometer lang undersjøisktunnel, under Karmsundet og Førresfjorden. Det har i denne masteroppgaven blitt foretatt ingeniørgeologisk vurdering og analyse av problemstillinger knyttet til driving gjennom svakhetssoner under fjordene i Karmøytunnelen.

For å vurdere omfanget av forundersøkelser for Karmøytunnelen har det spesielt blitt lagt vekt på å sammenligne prognoser fra geologisk rapport med erfaringer fra drivingen. I tillegg har det blitt fremskaffet supplerende vurderingsgrunnlag i form av bergartsbestemmelse og undersøkelse av sleppemateriale. Det har blitt gjort en gjennomgang av drive- og sikringsfilosofi for de vanskeligste sonene, og det har blitt gjort en vurdering av sikring i områder med svelleleire. Dette har identifisert et behov for videre forskning og dokumentasjon av virkemåten til armerte sprøytebetongbuer i soner med svelleleire.

Statpipe-tunnelene til Statoil, parallelt med og bare èn kilometer sør for T-forbindelsen, har utgjort en veldig viktig del av bakgrunnsmaterialet og prognosene for Karmøytunnelen. Basert på erfaringene fra Statpipe-prosjektet ble det forventet svært vanskelige driveforhold i en svakhetssone i Karmsundet Per 1. juni 2011 gjenstår det omtrent 60 meter med driving under Karmsundet, og svakhetssonen har ikke blitt møtt i verken det omfanget eller den vanskelighetsgraden som var forventet. Den vanskeligste svakhetssonen i Karmøytunnelen har hittil vært øst i Førresfjorden.

Analyser av sleppemateriale fra Karmøytunnelen har vist at det forekommer svelleleire, med til tider svært høye svelletrykk. De har også vist at representativiteten i prøvetakingen er varierende, og prøver fra samme profilnummer har vist stor forskjell i både mineralogi og svelletrykk.

Omfanget av forundersøkelser for Karmøytunnelen har vært lavt i forhold til det som ofte anbefales for undersjøiske tunneler. Derimot har undersøkelsesomfanget under driving vært høyt. De utførte undersøkelsene er vurdert til å være tilstrekkelig for å ha kontroll på de ingeniørgeologiske forholdene under driving. Det anbefales imidlertid at påviste forekomster av svelleleire følges nøye opp i etterkant av drivingen. Forslag til tiltak har blitt skissert.

Det har blitt gjennomgått de viktigste utviklingene i sikringsmidler og -metoder i tidsrommet mellom Statpipe og T-forbindelsen. Omfanget av full utstøpning har avtatt, og dette har bakgrunn i endrede sikringsmetoder, samt endringer i krav. Drive- og sikringsfilosofi for svakhetssoner i Karmøytunnelen består i hovedsak av injeksjon (for tetting og stabilitet), forbolting, påføring avsprøytebetong, bolting, montering av armerte sprøytebetongbuer og eventuell sålestøp. Dette er i stor grad ansett som en universal metode, som kan takle de fleste driveforhold.

Between year 2009 and 2013 the T-connection project is built between the municipalities Karmøy, Haugesund and Tysvær. As a part of this project the Karmøy tunnel, an 8.9 kilometresubsea tunnel, is built under Karmsundet and Førresfjorden. The objective of this master-thesis has been to carry out an engineering geological evaluation and analysis of issues related to tunnel excavation through the weakness zones in the fjords of the Karmøy tunnel.

To evaluate the extent of tunnel investigations for the Karmøy tunnel, the prognosis from the geological report has been compared with the experienced geological conditions from the tunnel excavation. Additionally it has been carried out laboratory tests for rock determination and tests of gauge materials for determining the amount of swelling clay. A review of the excavation and rock support philosophy for the most difficult weakness zones has been carried out, and an evaluation of additional support in areas with swelling clay has been done. This evaluation has identified the need for further research and documentation of the behaviour of reinforced shotcrete arches inzones with swelling clay.

The Statpipe tunnels built by Statoil, parallel to and just one kilometre south of the T-connection, have constituted a very important part of the background material and prognosis for the Karmøytunnel. Based on experience from the Statpipe-project a very difficult weakness zone was expected in Karmsundet. On the beginning of June 2011 it only remains 60 metres of excavation under Karmsundet, and the expected weakness zone has not been met in either the magnitude or the difficulty level that was forecasted. The most challenging weakness zone in the Karmøytunnel has been in the eastern parts of the Førresfjord.

Analysis of gauge material from the Karmøy tunnel has shown that swelling clay does occur, some places with very high swelling pressures. It has also been shown that the representativeness of the samples varies, and samples from the same location may have a major difference in both mineralogy and swelling pressure.

The scope of investigation in the pre-construction phase has been low compared to the often recommended extent for subsea tunnels. The investigations performed during tunnel excavation have on the other hand been high. The investigations carried out have been considered to be sufficient to maintain control of the engineering geological conditions during excavation. Still it is recommended that the locations with occurrence of swelling clay are closely followed up within spections. Further suggestions of action to avoid unforeseen accidents have been outlined.

The most important improvements in rock support and rock support methods between the Statpipe-project and the T-connection project have been reviewed. The extent of cast-in-place concrete lining has been reduced, due to new support methods and revision of the requirements.The excavation and support philosophy through weakness zones in the Karmøy tunnel consists mainly of grouting (for sealing and better stability), installation of spiling bolts, application ofshotcrete, bolting, installation of reinforced shotcrete arches and also cast-in-concrete of the tunnel invert. This is more or less considered to be a universal method which can cope with all rock conditions.