Nytteverdi av ingeniørgeologiske undersøkelser ved driving av tunnelene på Nordøyvegen

Abstract

I perioden 2019-2022 bygges Fv. 659 Nordøyvegen for å gi fastlandsforbindelse til Nordøyane i Ålesund kommune. Som en del av prosjektet bygges tre undersjøiske tunneler; Haramsfjordtunnelen, Nogvafjordtunnelen og Fjørtoftfjordtunnelen. I denne masteroppgaven har formålet vært å vurdere nytteverdien av de ingeniørgeologiske undersøkelsene som benyttes under tunneldrivingen.

Undersøkelsene som utføres under driving er systematisk sonderboring m/MWD, kjerneboring foran stuff ved bergoverdekning mindre enn 40 m og/eller seismisk hastighet mindre enn eller lik 3000 m/s, og systematisk kartlegging på stuff med eventuell prøvetaking. Deformasjonsmålinger har til nå ikke blitt benyttet. For å begrense oppgaven, er det valgt å fokusere på sju utvalgte partier i tunnelene. I disse partiene er det gjennomgått hvilke ingeniørgeologiske undersøkelser som er utført både før og under driving, med tilhørende resultater og tolkninger. Kjerneboring er utført foran stuff i fem av de sju partiene, og har hatt stor verdi for drivingen. Vanskelighetsgraden til bergmassen kan bestemmes før den ankommer stuff, driving gjennom eventuelle svakhetssoner kan planlegges, og metoden kan forutse når det kan forventes bedre bergmasse etter en dårlig sone. Resultater fra kjerneboring, systematisk sonderboring og tunnelkartlegging har verifisert og utfylt hverandre. Måling av innlekkasje i sonder- og kjernehull har gitt riktige forventinger av vannforholdene foran stuff. Tolket hardhet fra MWD-data har gitt indikasjoner på både dårlig bergmasse og ny bergart foran stuff, men disse borparametertolkningene er relativt lite benyttet av kontrollingeniørene ved Nordøyvegen under driving. I sleppemateriale fra Fjørtoftfjordtunnelen har det ved laboratorietester blitt påvist montmorillonitt, meget stor fri svelling og høyt svelletrykk, så mulighet for svelleproblematikk kan ikke utelukkes. Bergart i Haramsfjordtunnelen som ikke var forventet fra forundersøkelsene har ved petrografisk analyse blitt vurdert til å være en delvis eklogittisert olivingabbro med koronatekstur. Olivingabbroen har relativt høyt innhold av mikrogranater. Dette forklarer den ekstreme slitasjen som den medførte under boring, samt ekstreme borbarhetsindekser.

Diagrammer med fordeling av Q-verdier fra ulike undersøkelser i de utvalgte partiene har blitt presentert. Kjerneboringens Q-verdier svinger rundt de kartlagte Q-verdiene, og anses å gjenspeile variasjonen i bergmassekvalitet innad i tunnelprofilet. Om lave Q-verdier fra kjerneboring vil påvirke tunnelens totalstabilitet avhenger av hvordan de minst gunstige forholdene i kjernene forekommer i hele tunnelprofilet. Mulige forklaringer på dårlig korrelasjon mellom seismisk hastighet Vp og kartlagt Q-verdi har blitt diskutert. Det kan være feil antatt fallvinkel på svakhetssoner, usikker geologi som medfører feiltolkning av seismikken, eller at korrelasjonsformelen fra Vp til Q-verdi ikke er gjeldende for bergmassen. Usikkerheten knyttet til seismikken langs Nordøyvegen vitner om at ingeniørgeologiske undersøkelser i drivefasen har høy nytteverdi. De har bidratt til bedre forutsigbarhet, spesielt i partier der forundersøkelser ikke har stemt med de virkelige forholdene.

Between 2019-2022, the Fv. 659 Nordøy road connection is being built to give Nordøyane in Ålesund municipality a connection to the mainland. As part of this project, three subsea tunnels are being built; the Haramsfjord, the Nogvafjord and the Fjørtoftfjord tunnel. The objective of this master thesis has been to assess the utility value of the engineering geological investigations during tunnel excavation.

The investigations performed during excavation are systematic percussive probe drilling with MWD, core drilling ahead of tunnel face when rock cover is less than 40 m and/or seismic velocity is less than or equal to 3000 m/s, and systematic tunnel mapping including collecting samples for laboratory testing if necessary. Deformation monitoring has not yet been carried out. To limit the scope of the thesis, seven sections of the tunnels are selected and analysed. Both pre-investigations and engineering geological investigations during excavation are evaluated, with associated results and interpretations. Core drilling in front of the tunnel face is performed in five of the seven sections and have had great value during excavation. The difficulty of the rock mass can be determined in advance of reaching the tunnel face, excavation through weakness zones may be planned, and the investigation can predict when rock mass of better quality will occur after a zone of poor conditions. The results from core drilling, percussive probe drilling and tunnel mapping have verified and completed each other. Measurements of water leakage from the core and probe drill holes have given correct information of the water conditions ahead of face. Interpreted hardness from MWD have indicated both poor rock mass and new rock type ahead of face. However, these drill parameter interpretations are seldom used by the control engineers along the Nordøy road connection during excavation. Analysis of filling material from joints in the Fjørtoftfjord tunnel have shown that montmorillonite occurs, with very high free swelling and high swelling pressure. Instability because of swelling cannot be excluded. Unexpected rock type in the Haramsfjord tunnel is by petrographic analysis assessed to be a partly eclogitized olivine gabbro with corona texture. The olivine gabbro has a relatively high content of micro garnets, which explains the extremely high wear experienced during drilling as well as extreme drillability indexes.

Diagrams with Q-values from different investigations have been presented. Q-values from core drilling fluctuate around the mapped Q-values and are regarded to reflect the variation of rock mass quality within the tunnel profile. Whether low Q-values from core drilling will affect the total stability of the tunnel depends on how the less favourable conditions of the cores appear in the entire profile. Possible explanations of bad correlation between seismic velocity Vp and Q-value have been discussed. It can be due to wrongly assumed dip of weakness zones, unknown geology which leads to wrong interpretation of the seismic data, or the correlation formula between Vp and Q-value may be wrong. Uncertainty related to the seismic interpretations along the Nordøy road connection shows that engineering geological investigations during excavation have high utility value. These investigations have contributed to better predictability, especially when the pre-investigations were wrong.