Bergmasseklassifisering som verktøy for fastsetting av permanent bergsikring - Begrensninger basert på studier av Hestnestunnelen og Fàmjinstunnelen.

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker om, og i hvilken grad Q-systemet egner seg som metode for å bestemme permanent bergsikring i to spesifikke tunneltilfeller, Hestnestun-nelen i Norge og Famjinstunnelen på Færøyene. For å vurdere dette er det er utført felt-arbeid relatert til sprekkeegenskaper, vurderinger av utført kartlegging og sikringsinstalla-sjon på anleggene, laboratorieundersøkelser for å fastsette bergmekaniske egenskapene til bergmateriale, likevektsanalyser samt numeriske beregninger for de to tilfellene. Deler av begge tunnelanleggene kan betegnes som grunne anlegg. Den sørligste delen av Hestnestunnelen har et parti med svært lav overdekning i forhold til tunneldiameteren, som kan gi lav innspenning og blokknedfall. Situasjonen i Famjinstunnelen er preget en svakhetssone som følger tunnelprofilet i et lengre strekk. Denne sonen overfører ikke bergspenninger fra omkringliggende bergmasse. Liten avstand mellom denne sonen og henget, i kombinasjon med en ugunstig sprekkeorientering og lave horisontalspenninger, forårsaket sterkt redusert stabilitet av bergmassen i flere partier. I situasjoner tilsvarende de som er studert i denne masteroppgaven, kan det være et behov for et større fakta-grunnlag for å fatte beslutninger om permanent sikring. Oppgaven har vurdert om, og hvordan supplerende undersøkelser som likevektsanalyser og numeriske beregninger kan benyttes for å bestemme permanent sikring i de to diskuterte tilfellene. De benyttede sikringsvurderingene gjennomført av entreprenør på den aktuelle strek-ningen på den sørligste delen av Hestnestunnelen anses som utilstrekkelige. Behovet for armerte sprøytebetongbuer ble ikke basert på grundige analyser av bergmassens respons på åpning av et bergrom, men bestemt basert kun på den geologiske forrapporten. Øns-ket om å sikre i henhold til Q-verdi førte til at denne ble justert for å tilsvare sikring med enkeltarmerte sprøytebetongbuer. Dette førte til en konservativ sikring som, ifølge denne oppgavens resultater, viste seg å mest sannsynlig være unødvendig. Bergmassen kunne blitt tilstrekkelig sikret med bolter, plassert i nøkkelblokker som vil være avgjørende for å opprettholde en bueeffekt og stabilitet i tunnelen. Famjinstunnelen ble først sikret etter kartlagte Q-verdien og systemets anbefalinger. Etter flere nesten-ras og ras ble det vurdert at sikringsanbefalingene var mangelfulle. Forsøk på å oppnå en mer presis sikringsanbefaling ble gjort ved å justere SRF-verdien for å få en Q-verdi som gav en mer realistisk bergsikring. Samtidig ble det også utarbeidet et sikringskonsept med en mer konservativ minimumssikring. Etter at jevnlige sonderboringer ble inkludert som en del av forundersøkelsene på stuff, ble beslutningsgrunnlaget for bergsikring mer presist, fordi avstand til det svake vulkansk-klastiske laget kunne estimeres. Resultatene frembrakt i denne masteren tyder på at Q-systemet alene ikke var egnet for å vurdere stabiliteten og behovet for bergsikring i denne tunnelen. Oppgaven antyder at Q-systemet har betydelige begrensninger, spesielt knyttet til SRF-verdien. Begrensingene er relatert til systemet evne til å tilstrekkelig fange opp den faktiske bergspenningssituasjonen i tunnelene. I både Hestnes- og Famjinstunnelen kunne mer fullstendige geologiske undersøkelser, som blant annet inkluderte sprekkeorientering og tetthet, samt bruk av likevektsanalyser og numeriske simuleringer, ha gitt mer presise sikringsanbefalinger. Dette peker på behovet for å supplere Q-systemet med ytterligere vurderinger for å sikre en trygg og kostnadseffektiv tunnelutbygging.

This master thesis examines the suitability of the Q-system as a method for determining permanent rock support in two specific tunnel cases under construction, the Hestnes rail-road tunnel in Norway, and the road tunnel in the Faroe Islands. To assess this, fieldwork related to fracture properties, evaluations of mapping and reinforcement recommenda-tions done by engineering geologists at the sites, laboratory investigations to determine the mechanical properties of the rock material, equilibrium analyses, and numerical calcu-lations for the two cases were conducted. Parts of both tunnel projects have properties that give them characteristics of a being shallow tunnels. The southernmost part of the Hestnes Tunnel has an area with very low overburden relative to the tunnel diameter, which can result in low confinement and block falls. The situation in the Famjin Tunnel is characterized by a weakness zone that follows the tunnel profile. This zone does not transfer rock stresses from the surrounding rock mass. The short distance between this zone and the roof, combined with an unfavourable fracture orientation and low horizontal stresses, caused significantly reduced stability of the rock mass in several sections of the tunnel. In situations, like those studied in this the-sis, there may be a need for more comprehensive data to make more accurate decisions regarding permanent rock support. The thesis has evaluated whether, and how, supple-mentary investigations such as equilibrium analyses and numerical calculations can be used to determine permanent support in the two discussed cases. The support evaluations conducted by the contractor at the southern portion in the Hest-nes Tunnel is considered insufficient. The need for the executed support with single-reinforced shotcrete ribs (RRS), was not based on thorough analyses of the rock mass’ response to the opening of an underground cavity but determined based on the geological report. The goal was to support according to the Q-value. This led to adjustments to ob-tain a fictive Q-value to correspond to support with RRS. This resulted in the installed sup-port being conservative. According to the results in this thesis, this level of support likely not necessary. The rock mass could have been adequately supported with bolts placed in key blocks, which are crucial for maintaining an arch effect in the rock mass and stability in the tunnel. In the Famjin Tunnel, initial tunnel support was installed according to the mapped Q-value and the systems’ reinforcement recommendations. After several semi-collapses and col-lapses, it was determined that the support recommendations were insufficient. Attempts to achieve more accurate support recommendations were made by adjusting the SRF val-ue to obtain a Q-value that provided a more realistic rock support. A more conservative minimum support was developed after a major collapse event in the tunnel. After percus-sive probe drilling above the tunnel roof was included as part of the investigations, the rock support recommendations were more precise, as the distance to the weak zone with the volcaniclastic rock could be determined. The results from this thesis suggest that the Q-system alone was insufficient for assessment of the stability and rock support needs in this tunnel. This thesis suggests that the Q-system has significant limitations, particularly related to the SRF value. These limitations are associated with the system's ability to adequately address the actual rock stress situation in the tunnels. In both tunnels, more comprehen-sive geological investigations, including orientation and density of joints, as well as the use of equilibrium analyses and numerical simulations, could have provided more precise sup-port recommendations. This highlights the need to supplement the Q-system with addition-al assessments to ensure safe and cost-effective tunnel construction.