Stability assessment of rock slope at Hommelvik along E6

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler den planlagte vegskjæringen ved Hommelvik som er en del av det pågående vegprosjektet E6 Ranheim – Værnes som er under bygging av Nye Veier. Den vil sannsynligvis bli rundt 450 m lang og opptil 60 m høy. Denne oppgaven er organisert i samarbeid med Rambøll Norge AS, som er rådgiver for prosjektet. Målet har vært å utføre en ekstern stabilitetsvurdering uten tilgang til arbeidet deres med unntak av grunnleggende datasett som ble ansett som nødvendige for å utføre vurderingen. Denne oppgaven har benyttet et tidligere vegskjæringsdesign av Rambøll Norge AS som utgangspunkt for stabilitetsvurderingen og representerer ikke det endelige designet av vegskjæringen som skal bygges. Den omtales likevel som den planlagte vegskjæringen gjennom hele oppgaven. Målet for denne masteroppgaven har vært å få en forståelse av geologien for området, og spesielt diskontinuitene (sprekkene) der. Orienteringene og egenskapene til de ulike diskontinuitetssettene har blitt evaluert basert på feltkartlegging, kjernelogging og programvaren Discontinuity Set Extractor (DSE). Halvautomatisk utvinning av diskontinuitetssett er oppnådd med DSE fra høydetaljerte punktskyer kartlagt fra studieområdet. Geologien i området er foldet og svært kompleks, noe som resulterer i flere lokale variasjoner i diskontinuitetssettene. Generelt er det fire hoveddiskontinuitetssett kartlagt, inkludert den sterkt dominerende foliasjonen. Det ble likevel registrert syv ulike diskontinuitetssett med DSE, altså noen lokale variasjoner i diskontinuitetssettene er registrert. Dette gjorde at den lokale varianten av et diskontinuitetssett kunne brukes ved stabilitetsvurdering av ulike seksjoner av vegskjæringen.

Hovedutfordringene knyttet til byggefasen av vegskjæringen har blitt diskutert sammen med dens langsiktige stabilitet. Stabilitetsvurderingen er utført ved bruk av bergmasseklassifiseringen Q-slope, kinematisk analyse basert på sprekkeorienteringsmålinger fra fire kjernene hentet fra borehull på toppen av vegskjæring som eksiterer der i dag, og numerisk modellering i RS2. Stabilitetsanalysen i RS2 har evaluert tre ulike tverrsnitt som ble valgt for å passe best mulig med det totale designet til vegskjæringen. Profil AA’ uten hyller (lengst nord), profil BB’ med tre hyller (høyeste del), og profil BB’ med to hyller (lengst sør). Den første delen i RS2 inkluderer analyser av de enkelte parameterne isolert og i kombinasjoner, for å evaluere deres effekt på stabiliteten til veiskjæringen. Dette inkluderte parametere som grunnvann, jordskjelv og de ulike diskontinuitetssettene. Sensitivitetsanalyse av de bergmekaniske og skjærfasthetsegenskapene ble ikke utført da det ble utført laboratorieundersøkelser for å bestemme disse verdiene nøyaktig. Den andre delen i RS2 inkluderte stabilitetsanalyse med en kombinasjon av de tidligere testede parameterne som ble ansett som de mest realistiske. Sikkerhetsfaktoren ble beregnet til å være 1,61 for profil AA’, 1,80 for profil BB’, og 2,33 for profil CC’. Sikkerhetsfaktor over 1,5 anses som langtidsstabil for vegskjæringer.

Oppgaven konkluderer med at anleggsfasen av vegskjæringen må gjennomføres veldig varsomt. Det er minst en knusningssone som ligger i bergmassen som omslutter den planlagte vegskjæringen. Knusningssonen har sannsynligvis en buet form som gjør den vanskelig å stabilisere og sikre. De første palluttakene for vegskjæringen vil sannsynligvis være de mest kritiske med tanke på sikkerhet og skråningsstabilitet.

This MSc thesis is related to the planned road cut at Hommelvik, which is a part of the ongoing highway project E6 Ranheim – Værnes currently under construction by Nye Veier. It will likely be around 450 m long and up to 60 m tall. This thesis has been organized in cooperation with Rambøll Norge AS, which is the consultant for the project. The goal has been to perform an external stability assessment without access to their work except for basic data sets, which were deemed necessary to perform the assessment. This thesis has utilized an early road cut design by Rambøll Norge AS in the stability assessment and does not represent the final slope configuration that will be built. However, it is referred to as the planned road cut during the thesis.

The goal for this MSc thesis has been to gain an understanding of the geology of the area, and particularly the discontinuity sets (joints) there. The orientation and characteristics of the discontinuity set have been evaluated based on field mapping, core logging, and the software Discontinuity Set Extractor (DSE). Semi-automatic extraction of discontinuity sets has been achieved with DSE from high detailed point clouds mapped from the study area. The geology in the area is folded and highly complex, resulting in several local variations in the discontinuity sets. In general, four main discontinuity sets are mapped, including the heavily dominating foliation. However, DSE registered seven discontinuity sets, thus capturing some local variations in the discontinuity sets. This meant that the local best fit variation of the discontinuity set could be used during stability assessment of different sections of the road cut. The main challenges related to the excavation phase of the road cut have been discussed, along with long-term the stability. The stability assessment has been carried out using the rock mass classification system Q-slope, kinematic analysis based on joint orientation measurements from the four core drilled boreholes at the top of the current road cut, and numerical modelling in RS2. The stability analysis in RS2 has evaluated three different cross-section profiles, set to best to fit the overall slope configuration of the planned road cut. Profile AA’ with no benches (furthest north), profile BB’ with three benches (tallest part), and profile BB’ with two benches (furthest south).

The first part in RS2 includes sensitivity analyses of the individual parameters isolated and in combinations to evaluate their effect on the stability of the road cut. The tested parameters were groundwater, earthquake, and the different discontinuity sets. Sensitivity analysis of the rock mechanical and shear strength properties was not performed as laboratory investigations were conducted in the thesis to determine these values accurately. The second part of numerical modelling in RS2 included stability measures and a combination of the earlier tested parameters deemed the most realistic. The factor of safety was calculated to be 1.61 for profile AA’, profile BB’ was 1.80, and profile CC’ was 2.33. A factor of safety of 1.5 is regarded as long-term stable for road cuts.

The thesis concludes that great care must be taken during the excavation phase of this project and as at least one crushed zone is located within the rock body surrounding the planned road cut. The possible curved geometry of the crushed zone makes it difficult to stabilize and secure. The first few stages of the excavation sequence will likely be the most critical in terms of the slope’s overall stability.