Numerisk modellering av stasjonshall i fjell i Holmestrand

Abstract

I forbindelse med moderniseringen av Vestfoldbanen skal Jernbaneverket bygge nytt dobbeltspor mellom Holm til Nykirke med ny jernbanestasjon i Holmestrand. Jernbanetraseen tilrettelegges for høyhastighets tog med dimensjonerende hastighet på 250 km/t. Den høye hastigheten stiller strengere krav til dimensjonering av traseen, og løsningen ble å rette ut strekningen og flytte stasjonen i Holmestrand inn i fjell.

Med en spennvidde på 36 m og en lengde på 250 m, er stasjonshallen et stort og omfattende prosjekt. Stasjonen skal ligge i basalt der overdekningen varierer mellom ca. 35-55 m. Basalten er målt til å ha en høy trykkfasthet, og er en så pass sterk bergart at den egentlig ikke burde gi stabilitetsproblemer hadde det ikke vært for oppsprekkingen, og porefylte lavastrømmer.

Oppgaven innebærer numerisk modellering i Phase2 (Rocscience Inc.) av stasjonshall med oppmerksomhet på det målte spenningsforholdet og stabilitetsanalyse med hensyn til spenninger og bergsikringstiltak. Utførte bergspenningsmålinger i stasjonsområdet har målt ekstremt høye spenningskomponenter, og numerisk modellering er blant annet utført for å vurdere det målte spenningsforholdet. Analyseresultatene fra numerisk modellering viser at de målte in-situ spenningene er langt høyere enn de teoretiskberegnede. Den målte vertikalspenningen viser ikke overensstemmelse med den gravitativt induserte, og dette indikerer feil ved utførte spenningsmålinger eller forekomst av geologisk betingede spenninger.

Spenningsmålingene er utført i et skarpt hjørne, og dette kan gi spenningskonsentrasjoner som kan føre til høye spenninger. En annen forklaring på det store avviket mellom målte og teoretiske spenningsverdier kan være forekomst av residualspenninger i målestedet. Uansett er det imidlertid ikke sikkert at de geologiske forholdene for hele stasjonshallen tilsvarer dem i målestedet.

Det er modellert ulike tverrsnitt gjennom stasjonshallen, og felles for de ulike modellene er at de viser rimelig like resultater om forholdene i stasjonshallen. Resultater fra numerisk modellering har vist at strekkbrudd inntreffer i et lite område i hallens krone, og langs liggen med liten utbredelse i vertikalretning. Samtlige numeriske modeller viser lave horisontalspenninger i heng og krone, og dette kan lede til manglende innspenning fra omkringliggende bergmasse. Med det er det vurdert at gjennom systematisk bolting og godt samvirke mellom berg og boltene kan det dannes en trykkbue i taket slik at spenningene i trykkbuen øker. Resultatene som foreligger viser generelt liten forskjell i stabilitetsforhold med og uten bergsikring.

I tillegg til numerisk modellering er det gjort analyse i Unwedge (Rocscience Inc.), som er et tredimensjonalt program for å beregne forekomst av potensielle kiler i stasjonen. Det er definert tre sprekkesett i basalt hvorav to av disse følger stasjonens akse parallelt, og danner en liten vinkel til aksen. Dette gir risiko for dannelse av kiler, og resultater fra Unwedge-analysen bekrefter muligheter for dannelse av flere kiler i stasjonen der spesielt en kil utpeker seg til å skape stabilitetsproblemer.

With the modernization of the railway in Vestfold, the Norwegian National Rail Administration are going to build a new double railway track between Holm and Nykirke, which includes a new railway station in Holmestrand. The route is adapted for a high-speed railway track with design speed of 250 km/h. The high speed sets stringent demands for the design of the route, and the solution was to create a straight route which led to move the station into the mountains of Holmestrand.

With a span of 36 m and a length of 250 m, the railway station is a large and complex project. The station will be placed in basalt where the overburden varies between approx. 35-55 m. The rock have been measured to have a very high compressive strength, but the rock mass strength is expected to be somewhat reduced because of fracturing and lava flows containing pores filled with calcspar.

The thesis involves numerical modeling of the station with attention to the measured stress ratio, and stability analysis regarding stresses and rock reinforcement. The numerical modeling have been done in Phase2, which is a 2D elasto-plastic finite element stress analysis program by Rocscience Inc. Rock stress measurements have shown extremely high principal stresses, and numerical modeling is partly performed to evaluate the measured in-situ stresses. The results from numerical modeling show that the measured in-situ stresses are far higher than those being calculated theoretically. The measured vertical principal stress does not agree to the stress distribution due to gravity. Measurements of vertical stress at various sites around the world confirm that this relationship is valid, and this indicates incorrect stress measurements or occurrence of geologically-related stresses.

The in-situ stress measurements are performed in a sharp corner, and this may cause stress concentrations that can lead to high stresses. Another explanation of the large difference between measured and theoretical stress values may be the presence of residual stresses in the measurement site. Anyway, it is not certain that the geological conditions in the station are equivalent to the geological conditions in the measurement site.

It is modeled on various cross-sections through the station, and the different models have in common that they show reasonably similar results about the stability conditions in the station. Results from numerical modeling show that tensile failure occurs in a small area in the crown, and along the floor. All the numerical models show low horizontal stresses in the roof, and this can lead to lack of clamping (compressive stresses) from the surrounding rock mass. This is way it is important with systematic bolting and good interaction between rocks and bolts so that an artificial pressure arch can be formed in the roof. Generally, the results from numerical analysis show a small difference in the stability conditions with and without rock support.

In addition to the numerical modeling, it has been made an analysis in Unwedge (Rocscience Inc.). This is a three-dimensional program who calculates the incidence of potential wedges defined by intersecting joints in the rock mass surrounding an underground excavation. In basalt, there are defined three joint sets of which two of these are parallel to the cavern axis, and forms a slight angle to the axis. This may cause formation of wedges, and results from the Unwedge-analysis confirms the possibilities of several wedges to form in the rock mass surrounding the opening. Especially one wedge stands out to create stability problems, and this one occurs in the roof. Unless steps are taken to support this roof wedge, failure may occur. In practical cases it is not generally practical to identify individual wedges in a cavern periphery and the general approach is to design a rockbolt pattern that will take care of all potential wedges. The analysis in Unwedge is an important tool to predict and analyze the geometry and the stability of wedges.