Stabilitetsvurdering av en bergskjæring langs utbyggingsprosjektet E39 Betna - Hestnes
Abstract
Denne masteroppgaven er relatert til utbyggingen av Europaveg 39 Betna-Hestnes, og er skrevet i samarbeid med Statens vegvesen, som er byggherre på prosjektet. Oppgaven omhandler stabilitetsvurdering av bergskjæringer, og spesifikt undersøkes bergskjæring Haltbakken B25 som et case-studie. Skjæringen er én av mange bergskjæringer som skal etableres langs strekningen, og er forventet å bli omtrent 30 meter høy. Stabilitetsvurderingen i denne oppgaven gjøres uten innsyn av eventuelle stabilitetsvurderinger gjort av byggherre eller prosjekterende konsulent Sweco Norge AS. Statens vegvesen har utlevert prosjekteringsrapport og konkurransegrunnlag, samt plantegninger og innsyn i tverrfaglig 3D-modell for å innhente nødvendig informasjon om utforming og orientering av bergskjæringen. For å etablere viktige inputparametere er det utført feltkartlegging og laboratorieundersøkelser. Andre nødvendige parametere er identifisert gjennom litteratursøk og detaljerte beregninger for å vurdere den overordnede stabiliteten til bergskjæringen.
For å identifisere potensielle utglidningsmekanismerer det utført kinematisk analyse ved hjelp av programvaren Dips fra Rocscience Inc, som viste plan utglidning langs foliasjonsplanet som mest kritisk for stabiliteten av bergskjæring Haltbakken B25. Deretter ble det gjennomført en helhetlig vurdering av inngangsparametere som er nødvendig for stabilitetsvurdering ved hjelp av RS2 og RocPlane fra Rocscience Inc, som viste at parameterne Joint Roughness Coeffisient (JRC), svakhetsplanets fallvinkel og vanntrykk har stor betydning for stabiliteten av bergskjæringer. Etter at nødvendige inputparametere er vurdert utføres en detaljert stabilitetsvurdering.
Stabilitetsvurderingen ble utført for tre ulike tverrsnittprofiler (profil AA', BB' og CC' ved henholdsvis profilnummer 9670, 9650 og 9630) langs bergskjæring Haltbakken B25. Alle tre profilene er prosjektert med 3 paller, men skjæringene ved de ulike profilene har noe varierende orientering og høyde. I RS2 ble stabilitetsvurderingen utført ved å se på endringen av maksimum deformasjon med og uten bolter. Modelleringen viste 11.8 til 33.8 cm deformasjon uten sikring, samt god effekt ved installering av fullt innstøpte bolter. Q-slope metoden beregner maksimum helningsvinkel for bergskjæringen, og indikerte en maksimum helningsvinkel mellom 57 til 61 grader Prosjektert total helningsvinkelen ligger omtrent på dette intervallet, og varierer mellom 59 til 61 grader. Likevektsanalysen ble utført ved å analysere potensielt ustabile blokker av ulike størrelser langs foliasjonsplanet, og viste sikkerhetsfaktor (SF) som varierte fra 0.4 til 0.5 uten sikring. Effektiviteten av sikringstiltak ble vurdert ved å bestemme den nødvendige boltekraften som må til for at blokkene skal anses som stabil (SF > 1). Hovedfunn i denne oppgaven er at alle stabilitetsvurderingsmetodene gir tilfredsstillende resultater og kan til en viss grad korreleres med hverandre, selv om hver metode har sine styrker og svakheter. This MSc thesis is related to the European Route E39 Road Project <<E39 Betna-Hestnes>> where expansion work is ongoing and is written in cooperation with Statens Vegvesen (Norwegian Public Roads Administration). This thesis deals with stability assessment of rock cut slope, specifically examining the rock cut slope at Haltbakken B25 as a case study. It is noted here that this slope is one of several to be excavated along the stretch and has maximum height of about 30 meters. The stability assessment is carried out independently of any stability assessments performed by Statens Vegvesen or the consulting firm Sweco Norge AS. Statens Vegvesen provided the design report, design basis, as well as site plans and access to a multidisciplinary 3D model to obtain necessary information regarding the configuration and orientation of the rock cut slope. In order to obtain important input parameters, field mapping and laboratory assessment of rock samples is employed. Other necessary parameters have been identified through literature search and detailed calculations to assess overall stability of the rock cut slope.
To begin with, a kinematic analysis using Dips software from Rocscience Inc. was exploited to identify potential failure mode, which revealed that a planar failure along the foliation plane would be the most critical for the stability of the rock cut slope Haltbakken B25. Subsequently, an overall assessment and establishment of input parameters needed for stability assessment using RS2 and RocPlane software was carried out. It is emphasized here that the parameters such as the dip angle of the weakness plane, Joint Roughness Coefficient (JRC) and pore-water pressure are the most significant factors influencing the stability of a rock cut slope. After establishing necessary input variables, a detailed stability assessment was performed.
The stability assessment was carried out for three different cross-section profiles; i.e. profile AA', BB', and CC'; corresponding to profile number 9670, 9650, and 9630. All profiles were designed with three benches, although the orientations and heights of the rock cuts vary slightly. In RS2, the stability assessment was conducted by examining the change in maximum displacement with and without rock bolts. The modelling showed a displacement ranging from 11.8 to 33.8 cm without reinforcement, with significant improvement upon the installation of fully grouted bolts. The Q-slope method calculates the maximum slope angle for the rock cut slope and indicated a maximum slope angle between 57 to 61 degrees for the three profiles. The designed total slope angle for the cut slope falls almost within this range and has a slope angle to the upper limit that vary from 59 to 61 degrees. The limit equilibrium analysis was performed by analysing potentially unstable blocks of different sizes along the foliation plane, which revealed factor of safety (SF) varying from 0.4 to 0.5 without rock bolts. The effectiveness of stabilization measures was assessed by determining the required bolt force for a block to be considered stable (SF > 1). The main finding of this thesis is that all stability assessment methods give satisfactory results and can be correlated to each other even though each method has its strength and weaknesses.