Stabilitetsvurdering av Volleberg- og Bruliheitunnelen med fokus på blokkutfall og stabilitetsproblem som følgje av svelleleire

Abstract

Volleberg- og Bruliheitunnelen langs nye E39 mellom Kristiansand – Mandal er begge stadvis prega av dårleg bergmasse. I Vollebergtunnelen møtte ein på ei svakheitssona med innhald av svelleleire. Svelletrykket leira i svakheitssona gir kan enkelt kartleggast ved å sende sleppematerialet inn til analyse. Ein slik analyse gir svar på kor høgt svelletrykk leira i sleppematerialet gir, samt frisvelling og kor stor del leira utgjer av alt sleppematerialet. Det finst derimot lite informasjon om samanhengen mellom svelletrykket til rein leire og kor mykje dette svelletrykket blir når ein blandar leira ut med det resterande sleppemarialet. Dermed vil det vere vanskeleg å vite kor høgt trykk som kan byggje seg opp i ei slik svakheitssone. Svakheitssona som har blitt vurdert i Bruliheitunnelen er prega av svært låg overdekning, på det lågaste ned mot 8,6 meter. Dette vil medføre lågare innspenningar i berget, og sannsynet for blokkutfall vil auke. Det har blitt henta ut bergartsprøvar frå tunnelane som det har blitt utført ingeniørgeologiske/ bergmekaniske testar på i laboratoriet. Sleppemateriale frå dei omtalte svakheitssonene har også blitt henta ut og testa i ødometer på laboratoriet til NTNU og SINTEF. Det har både blitt gjennomført ødometertest av leira i sleppematerialet, nedknust sleppemateriale med ein kornfraksjon på mellom 20 µm og 5 mm, og leira og sleppematerialet blanda i korrekt blandingsforhold. Dette for å finne svelletrykket som leira gir i ei svakheitssone når det er blanda ut med det resterande sleppematerialet. Det har blitt gjennomført stabilitetsanalysar i UnWedge for både Vollebergtunnelen, Bruliheitunnelen og område med låg overdekning i Bruliheitunnelen. Analysen ser på korleis blokker som vil kunne danne seg i tunnelane og sannsynet for utfall av desse blokkane. For Vollebergtunnelen vil det kunne dannast lange massive spir i heng, mens for Bruliheitunnelen vil blokkdanning hovudsakleg skje i vederlaga. For området med låg overdekning i Bruliheitunnelen har det også blitt utført stabilitets-analyse av ei blokk i hengen ved hjelp av den analytiske metoden «Limit equilibrium analysis». Denne blokka vil vere svært ustabil sidan ein får ein sikkerheitsfaktoren på mindre enn 1. For svakheitssona i Vollebergtunnelen har det blitt gjennomført fleire numeriske analysar i RS2. Deriblant ein analyse med svelletrykket gitt av rein leire, og ein analyse av svelletrykket gitt av alt sleppematerialet. Der kjem det fram at det vil vere stor skilnad på kor stor deformasjon som vil oppstå i tunnelen, samt kor godt sikringen tek opp lastene. For analysen med svelletrykk tilsvarande alt sleppematerialet vil deformasjonen i tunnelen vere tolererbart og sikringa vil med god margin greie å ta opp lastene. For analysen der ein har nytta svelletrykket til rein leire vil derimot fleire av boltane gå i brot, og ein vil få stor deformasjon i tunnelen, noko som kan true stabiliteten.

Volleberg and Brulihei road tunnels along the new E39 between Kristiansand – Mandal are both locally characterized by poor rock mass. In the Volleberg tunnel, the weakness zone encountered contained swelling clay. Swelling pressure from clay in weakness zones can easily be mapped by submitting the gouge material for analysis. Such an analysis will provide answers to how high swelling pressure the clay in the gouge material gives, as well as free swelling and how much clay the gouge material contains. On the other hand, there is little information about the connection between the swelling pressure of pure clay and the swelling pressure of all the gouge material. Thus, it will be difficult to know how high the swelling pressure in such a weakness zone is. The weakness zone that has been assessed in the Brulihei tunnel is characterized by very low coverage, at the lowest down to 8,6 meters. This will lead to lower stresses in the rock mass and the probability of block failure will increase. Rock samples have been retrieved from the tunnels for which rock mechanical tests have been performed in the laboratory. The gouge material has also been retrieved from the weakness zones which have been tested in oedometers in the laboratory of NTNU and SINTEF. Oedometer tests of the clay fraction in the gouge material, crushed gouge material with a grain fraction between 20 µm and 5 mm, and clay and the gouge material mixed in correct ratio have been carried out. The aim of this prosses is to find the swelling pressure that the clay will give in a weakness zone when it is mixed with the remaining gouge material. Stability analyses have been carried out in UnWedge for both the Volleberg tunnel, the Brulihei tunnel and the area with low coverage in the Brulihei tunnel. The analysis looks at how blocks will be able to form in the tunnels and the possibility of block fall. For the Volleberg tunnel, long massive spiers will be able to form in the crown, while for the Brulihei tunnel, block formation will mainly take place in spring lines. For the area with low coverage in the Brulihei tunnel, stability analysis of a block in the roof has also been performed using the analytical method “Limit equilibrium analysis”. This block will be very unstable, with a safety factor less than 1. For the weakness zone in the Volleberg tunnel, several numerical analyses have been carried out in the program RS2. Including an analysis of the swelling pressure given by pure clay, and an analysis of the swelling pressure given by the gouge material. It appears that there will be a big difference in how much deformation that will occur in the tunnel, as well as how well the installed support handles the loading. For the analysis with swelling pressure corresponding to all the gouge material, the deformation in the tunnel will be tolerable and the rock support will be able to absorb the loading without problems. For the analysis with swelling pressure of pure clay, several of the bolts will break. This in combination with large deformation will threaten the stability.