Analyse av stabilitet og bergspenningsforhold for Kvitsøykrysset, E39 Rogfast
Abstract
Det er utført utvalgte analyser av stabilitet og bergspenningsforhold for et planlagt undersjøisk tunnelkryss under Kvitsøy i Boknafjorden, Rogaland fylke. Kvitsøykrysset er en del av prosjektet «E39 Rogfast», det første ferjeavløsningsprosjektet på veien mot å nå ambisjonen om ferjefri E39 mellom Kristiansand og Trondheim.
I kapittel 2 av denne oppgaven gjengis de viktigste funnene som ble gjort under arbeidet med fordypningsprosjektet høsten 2018. Kapittel 3 gir en kort innføring i sentrale teoretiske prinsipper benyttet i påfølgende stabilitetsanalyser. Kapittel 4 presenterer resultatene fra utførte undersøkelser i felt og laboratorium. I kapittel 5 og 6 presenteres utførte numeriske analyser i RS3 og RS2, inkludert en parameterstudie med hensyn på in-situ bergspenninger. Kapittel 7 inneholder en probabilistisk grenselikevektsanalyse av strukturelt betinget stabilitet. I kapittel 8 drøftes to fremtredende problemområder relatert til undersjøiske tunneler, nemlig svakhetssoner og vannforhold. Kapittel 9 omfatter kvalitative vurderinger av drivetekniske aspekter, herunder optimalisering av driverekkefølge og planlegging av bergspenningsmålinger og deformasjonsovervåking i drivefasen av prosjektet.
Utførte feltundersøkelser gjenspeiler i stor grad tidligere utført kartlegging av oppsprekking og bergmassekvalitet. Bergmassen består av grønnstein av varierende kvalitet. Det er også utført målinger for bestemmelse av JRC og JCS. Basis friksjonsvinkel og enaksiell trykkfasthet er fastsatt i laboratoriet. UCS for homogen grønnstein er 80-130 MPa, men anisotropi og mineralsammensetning påvirker styrken negativt. Utførte numeriske analyser antyder at uttaksvolum har størst effekt på fordelingen av elastiske deformasjoner, f.eks. sammenlignet med orientering av in-situ bergspenninger. Analysene har også gitt indikasjoner på hvilke områder som er utsatt for hhv. spenningsavlastning og spenningskonsentrasjon. Området hvor hovedløpene passerer under tverrforbindelsen mellom rundkjøringene er utsatt for betydelig spenningsavlastning. Dette er kritisk for strukturelt betinget stabilitet, og øker risikoen for blokkutfall. Særlig problematisk er det dersom sprekkevannstrykk bygges opp langs potensielle utglidningsplan. Vertikale og horisontale pilarer er utsatt for betydelig spenningskonsentrasjon. Stabiliteten avhenger av et tilstrekkelig omslutningstrykk. Generelt synes det mest ugunstige scenariet for in-situ spenninger å være høy vertikalspenning kombinert med anisotrope horisontalspenninger. Bergspenningsforholdene vil også kunne påvirkes av lokalt opptredende svakhetssoner. Et vellykket teknisk-økonomisk resultat avhenger også av drivetekniske aspekter som driverekkefølge, grunnundersøkelser, bergspenningsmålinger og deformasjons-overvåking i drivefasen. The stability and rock stress conditions for a planned subsea tunnel intersection below the Kvitsøy island in the Boknafjord, have been analysed. The Kvitsøy intersection is a part of the project “E39 Rogfast”, the first step towards realizing the ambition to make the E39 road between Kristiansand and Trondheim independent of fjord crossings by means of ferry.
In chapter 2 of this thesis the most important findings from the autumn 2018 in-depth project are reviewed. Chapter 3 gives a short introduction to the main theoretical principles used in the following stability analyses. Chapter 4 presents the results from the investigations carried out in the field and in the laboratory. Chapter 5 and 6 present the conducted numerical analyses in RS3 and RS2, including a parameter study with respect to in-situ rock stresses. Chapter 7 covers a probabilistic limit equilibrium analysis of structurally controlled stability. In chapter 8 two main problem areas related to subsea tunnelling are discussed, namely weakness zones and water conditions. Chapter 9 comprises qualitative assessments of constructional aspects, including optimization of excavation sequence, as well as planning of rock stress measurements and deformation monitoring during the project’s construction phase.
The field investigations largely reflect the previous mapping of rock mass jointing and quality. The rock mass is greenstone of varying quality. Measurements for determination of JRC and JCS have been carried out. The basis friction angle and uniaxial compressive strength are determined in the laboratory. The UCS for homogeneous greenstone is 80-130 MPa, however, mineral composition and anisotropy have a negative effect on the strength. The conducted numerical analyses suggest that excavation volume has the greatest effect on deformation distribution, e.g. compared to in-situ stress orientation. The analyses have also given indications on which areas are most prone to destressing and stress concentrations. The area where the main tunnels are passing beneath the cross connection between the roundabouts is prone to substantial destressing. This is critical to structurally controlled stability and increases the risk of block fall. This is particularly problematic if joint water pressure builds up along potential sliding planes. Vertical and horizontal pillars are prone to considerable stress concentration. The stability is dependent upon sufficient confining pressure. In general, the most unfavourable in-situ stress field scenario includes high vertical stress combined with anisotropic horizontal stresses. The rock stress conditions could also be influenced by local weakness zones. A successful technical-economical result is also dependent upon constructional aspects like excavation sequence, ground investigations, rock stress measurements and deformation monitoring during the construction phase.