Estimering av presskrefter ved mikrotunnelering i leire

Abstract

Formålet med denne masteroppgaven har vært å kartlegge metoder for beregning av presskraft ved mikrotunnelering. Mikrotunnelering er en type grøftefri metode som baserer seg på rørpressingsprinsippet. Dette prinsippet går ut på at hydrauliske sylindre, plassert i en pressgrop, fører et kuttehode eller lignende inn i grunnen etterfulgt av et rørsegment. Det viser seg at pressgropa i mange mikrotunneleringsprosjekter er dimensjonert for en presskraft som er langt større enn den som genereres i realiteten. Det legges ofte ned store beløp i utarbeiding av pressgropa, og det vil derfor kunne være nyttig å forhåndsestimere presskraften slik at pressgropa i mindre grad overdimensjoneres. Generert presskraft ved mikrotunnelering består hovedsakelig av friksjon langs røret, i tillegg til spissmotstand ved rørfronten. Spissmotstanden vil i de fleste tilfeller utgjøre lite av total presskraft. Presskraften påvirkes av både grunnforhold og prosjektspesifikke faktorer slik som rørdimensjon, helning på trase, bruk av smøremiddel og hyppighet/varighet på stans i pressingen. I denne masteroppgaven testes to metoder for beregning av friksjon, og to metoder for beregning av spissmotstand. Det er tatt utgangspunkt i tre ulike referanseprosjekter. Den første modellen for friksjonsberegning er presentert av Ye et al. (2019). Den gav nokså samsvarende resultat for ett av de tre referanseprosjektene, men overestimerer presskraften kraftig for et annet referanseprosjekt. Modellen ser ut til å være følsom for enkelte parametre, og kan derfor slå feil ut. Samtidig tar ikke modellen omrørt skjærstyrke i betraktning. Dette er trolig en ulempe i norske forhold hvor det er stor tilstedeværelse av sensitive masser. Den andre modellen for friksjonsberegning tar utgangspunkt i massenes omrørte skjærfasthet. Tre ulike hypoteser (b-d) for hvordan massene legger seg rundt røret, er lagt til grunn. Resultatene viser at hypotese d, hvor det antas røret er delvis i kontakt med både omkringliggende masser og smøremiddel, samsvarer best med registrerte presskrefter for rørtraséer lengre enn 75 m. Hypotese c, hvor det antas at røret kun er i kontakt med omkringliggende masser, samsvarer best målte presskrefter for traseer kortere enn 75 m. Denne modellen gjør det også enklere å fange opp variasjoner langs traseen, og ser ut til å ha redusert potensiale for å slå ut helt feil. For dimensjonering virker det derfor samlet sett mest hensiktsmessig å beregne friksjon ut fra rørtraséens omrørte skjærstyrke, og ut fra hypotese c og d, henholdsvis. Når det gjelder spissmotstand burde denne beregnes etter teori for offshore skjørtpenetrering.

The purpose of this master's thesis is to survey different methods of calculating jacking force in microtunneling – a no-dig method based on the pipe jacking principle. This method of pipe installation presses pipe segments directly into the ground by using hydraulic jacks, with the only necessary digging being the jacking pit. This pit has to be designed to withstand the opposing forces made by the jacking process. Often these pits are designed based the capacity of the jacking equipment used, rather than the forces that will be applied. This result in a trend where pits often do not experience half the forces they are designed to withstand. As digging and preparing the jacking pit is a major project cost, there is an opportunity to improve microtunneling economics by more accurate and reliable jacking force estimation techniques. The jacking force in microtunneling is mainly opposed by two components: friction and resistance at the tip of the pipe front. Friction is usually the dominant force. The jacking force is affected by both ground conditions and project specific factors, such as pipe dimension, pipe inclination, lubricant use and frequency/duration of stops. In this master thesis, two different methods for calculating friction and tip resistance are tested for three different reference projects. The first model for friction calculation is presented by Ye et al. (2019). For the first project, the measured and calculated forces are comparable, but not for the third project. The model appears to be sensitive to some parameters, and does not consider remoulded shear strength. This is disadvantageous when microtunneling through sensitive masses, which are typical in Norway. The second model for friction calculation is using the remoulded shear strength of the masses. Three different hypotheses (b-d) for how the masses lie around the pipe, are used. The results show that hypothesis d, where the pipe is assumed to be partially in contact with both surrounding masses and lubricant, gives the most comparable result for pipe traces longer than 75 m. Hypothesis c is assuming that the pipe only is in contact with surrounding masses, and gave the most comparable result for pipe traces shorter than 75 m. This model also makes it easier to detect variations along the pipe trace, and appears to have reduced potential to turn out completely wrong. Therefore, for dimensioning, it seems most appropriate to calculate friction based on the remoulded shear strength, and using hypotheses c and d, respectively. In the case of tip resistance, it should be calculated after the theory of offshore skirt penetration.