Vikertunnelen - Ulike ingeniørgeologiske problemstillinger knyttet til stabilitet og sikring av vegtunnel

Abstract

I forbindelse med planlegging av ny E134 mellom Dagslett og E18 i Lier i Viken fylkeskommune, er det blitt utført ingeniørgeologiske vurderinger i tidligfase av vegtunnelen for “Vikeralternativet”. Vegtunnelen som omtales som Vikertunnelen i denne oppgaven er en 4,7 km lang tunnel gjennom Lieråsens drammensgranitt. I denne oppgaven vil det bli sett på bergmassekvalitet, bergspenningsforhold, svakhetssoner og andre stabilitetsproblemer som svelleleire og dypforvitring. Innlekkasje, krav til tetthet og bergsikring vil også bli vurdert. De ingeniørgeologiske vurderingene vil bli basert på litteratur, kartstudier, innhentet informasjon fra nærliggende anlegg, tidligere utførte undersøkelser og numerisk analyse.

For å vurdere bergmassekvalitet er det blitt utført feltkartlegging i terrenget rundt Vikertunnelen med hensikt å registrere Q-verdier og kartlegge hovedsprekkesett. Bergmassen inneholder stort sett tre sprekkesett pluss tilfeldige sprekker, som har gunstig orientering i forhold til tunnelaksen. Kartstudier, høydedata og litteratur i tillegg til feltundersøkelser er brukt for å avdekke de antatt mektigste svakhetssonene langs tunneltraseen, der det er funnet 14 antatt mektige svakhetssoner som vil krysse Vikertunnelen med en vinkel på 30-80°. Spesielt to soner utpeker seg som kritiske områder da de er tolket som sannsynlig dypforvitrede svakhetssoner. Disse kan medføre stabilitetsproblemer som følge av blokknedfall av oppknust materiale og innhold av svelleleire.

For å vurdere bergspenningsforhold langs tunneltraseen er det benyttet en tilbakeberegningsmodell for å finne forholdet mellom vertikal- og horisontalspenning (k-verdi). Undersøkelsene viser at området preges av store horisontalspenninger, der k-verdi er beregnet til 3,5. For å vurdere Q-verdier og fordeling av bergmasseklasser langs Vikertunnelen er det benyttet resultater fra feltundersøkelser i tillegg til informasjon fra de nærliggende anleggene. Foreslått bergsikring er basert på Q-systemet og sikringsklasser fra håndbok N500, der fordelingen av Q-verdier langs Vikertunnelen er B = 14,5%, C = 37,3%, D = 41,4%, E = 3,5% og F = 3,2%.

Kvartærgeologisk kart og erfaringer fra nærliggende anlegg tilsier at innlekkasjer kan være kritisk for enkelte områder ved tunneldrivingen, og strenge krav til tetthet bør settes ved påhuggsområdene og ved passering av Skapertjern og Sprengstoffdammen. Det har også blitt utført laboratorietesting av bergprøver fra området rundt Vikertunnelen for å undersøke de bergmekaniske egenskapene til drammensgranitten. Resultatene fra testene er videre brukt for numerisk analyse av bergmassen for å undersøke om anslåtte sikringsmengder vil være tilstrekkelig ved tre utvalgte pelnr. i tunneltraseen.

Bergsikring av tunneltraseen ved ca. pel 5000 er vurdert til sikringsklasse I etter håndbok N500. Området er preget av høye horisontalspenninger, som fører til bergslag i hengen. I følge de numeriske analysene ble det derfor nødvendig med ett ekstra lag med fiberarmert sprøytebetong for å oppnå tilstrekkelig stabilitet. For pel nr. 5750, ble bergsikring iht. sikringsklasse V vurdert som tilstrekkelig. De numeriske analysene anslår også at bergsikring iht. sikringsklasse III er tilstrekkelig for ca. pel 6300. De numeriske analysene tilsier at senkning av traseen ikke vil medføre økt stabilitetsproblemer og sikring for pel nr. ca. 5000 og 5750. For ca. pel 6300, vil derimot en senkning av tunneltraseen medføre økt stabilitetsproblemer i hengen og dermed økt bergsikring.

A new road tunnel is planned to substitute the road E134 between Dagslett and E18 in Viken County. This master thesis focuses on engineering geological issues at an early stage of planning of Vikertunnelen. The tunnel is 4.7 km long and goes through granite, more specific called drammensgranite. In this thesis the rock mass quality, rock stresses, weakness zones, and stability problems such as swelling clay and deep weathering will be investigated. Leakage and strategy for injection will also be part of this thesis’ investigations. The engineering geological assessment will be based on accessible literature, map study, information from other constructions in the nearby area, former investigations from a similar project and numerical analysis.

The rock mass quality assessment is based on field observations and investigations by registration of Q-values and main joint sets. Three joint sets plus random joints with favorable orientation relative to the tunnel axis defines the rock mass. For detecting the main weakness zones that is expected to cross the tunnel, map study and high relief data has been used. 14 weakness zones that will cross the tunnel with angles of 30-80° are found. At least two of these zones are considered to be especially critical concerning deep weathering and the possibility of swelling clay.

The evaluation of the rock stresses in the area is based on a calculation method to estimate the correlation between the vertical- and horizontal stress component (k-value). The calculations o the rock stresses and literature suggest that the area is characterized by high horizontal stresses, where the k-value is estimated to 3.5. The evaluation of the rock mass quality for Vikertunnelen is based on registered Q-values and literature, and results in this distribution: B = 14.5%, C = 37.3%, D = 41.3%, E = 3.5% and F = 3.2%. The rock support is estimated based on the obtained Q-values and rock support classes from the Handbook N500.

Quaternary maps and literature are used to evaluate leakage and injection strategy. Areas where strict claims of leakage are necessary are predicted to be located at the tunnel entrance and the crossing of Sprengstoffdammen and Skapertjern. Laboratorial testing for obtaining mechanical properties of the rock mass have been done with the purpose to use in numerical analysis. To verify the estimated rock support, numerical analysis is used to evaluate the stability of three selected profile numbers of the tunnel length; ca. 5000, 5750 and 6300.

The numerical analyses show that the predicted rock support for profile no. 5750 and 6300 will provide sufficient support. High horizontal stresses cause spalling conditions in the tunnel roof for the tunnel at profile no. 5000, and a second layer of shotcrete should be applied to provide sufficient support. The numerical analyses suggest that the predicted rock support will be sufficient for profile no. 5000 and 5750 after lowering the tunnel line. A lowering of the tunnel line will increase the stability problems in the tunnel roof for profile no. 6300, and the estimated support will no longer be sufficient.