Analyse av effekten forbolter har på tunneldeformasjon - En casestudie av Gullbergtunnelen

Abstract

Hvordan kan man optimalisere tunneldriving på en bærekraftig måte? Dette er et spørsmål som står sentralt i utviklingen av tunneldrift i Norge i dag. Det er spesielt et fokus på å redusere bruk av stål og betong i tillegg til å effektivisere driveprosessene. Mange tiltak er allerede presentert, men et tiltak som er lite diskutert i litteratur og studier ligger i effekten som forbolter har på tunnelstabiliteten i svakhetssoner. Ved dimensjonering av tung sikring tas det ikke hensyn til installerte forbolter fordi de anses som midlertidig arbeidssikring. Dette kan ofte føre til at den permanente sikringen overdimensjoneres. Denne masteroppgaven har undersøkt hvilken effekt forbolter har på tunneldeformasjon, og diskutert muligheten for at tung sikring kan reduseres ved å inkludere forbolter som permanent sikring.

Forbolting er en essensiell sikringsmetode ved tunneldriving i svakhetssoner fordi det armerer bergmassen rundt konturen. Metoden innebærer å bore og installere bolter på stuff, i en bue rundt salven. I masteroppgaven er det brukt numerisk modellering for å analysere deformasjon i tunnel med og uten forbolter. Modelleringen er utført i RS2 fra Roc Science, som baserer seg på elementmetoden eller Finite Element Method (FEM).

En utvalgt salve fra Gullbergtunnelen har gitt grunnlag for inngangsparameterne til modelleringen. Grunnet manglende lab-tester er det benyttet empiriske og analytiske metoder ved beregning av inngangsparameterne, og det er derfor knyttet usikkerhet til verdiene. Salven er typisk for norsk berggrunn og består av en massiv amfibolitt og en kryssende svakhetssone av forvitret glimmerskifer. Det er utført forbolting og tung sikring i form av doble armerte sprøytebetongbuer. På en av buene er det tatt konvergensmålinger som har vist en deformasjon på 9 mm i svakhetssonen og 2 mm i amfibolitten. Modellen i RS2 simulerer det målte tverrsnittet og er kalibrert mot konvergensmålingene.

Sammensetningen av de to bergmassene har generelt ført til lite deformasjon i tunnelen, grunnet den massive amfibolitten som støtter opp svakhetssonen. Resultatene fra modelleringen har vist at deformasjonen uten forbolter er 3.6% større enn med forbolter, og det er konkludert med at forbolter har større effekt i forbindelse med overberg fra sprengning enn det har på deformasjon. Dette er på bakgrunn av en nyere studie, og erfaringer fra Gullbergtunnelen. Det som har hatt størst effekt på deformasjonen er den armerte sprøytebetongbuen, som alene har halvert deformasjonen i tunnelen.

Ved å sammenligne resultatene fra RS2 med relevant litteratur og erfaringer fra Gullbergtunnelen, tyder det på at det forekommer tilfeller hvor tung sikring overdimensjoneres etter at forbolter er installert. Ved hjelp av videre arbeid, er det mulig å danne et grunnlag som kan bidra til at forbolter blir tatt mer hensyn til ved permanent sikring.

How can tunneling be optimized in a sustainable manner? This question is central to today's development of tunneling in Norway. There is a particular focus on reducing the use of steel and concrete and to make tunneling more time-and money-efficient. Many measures have already been presented, but one measure that is rarely discussed in literature and studies is the effect of spiling on tunnel stability in weaknesszones. When designing heavy support systems, installed spiling is not taken into account because it is considered as temporary support. This can often lead to over-dimensioning of the permanent support. This master's thesis has examined the effect of spiling on tunnel deformation and discussed the possibility of reducing heavy support by including spiling as permanent support.

Spiling is an essential support method when tunneling through weaknesszones, because it reinforces the rock mass surrounding the tunnel. The method involves drilling and installing bolts at the tunnel face as an arc around the blast area. Numerical modeling has been used to analyze tunnel deformation with and without spiling bolts. The modeling is carried out in RS2 from Roc Science, which is based on the finite element method (FEM).

A selected tunnelsection from the Gullberg Tunnel has provided the basis for the RS2 input parameters. Due to the lack of lab tests, empirical and analytical methods have been used to calculate the input parameters, leading to some uncertainty in the values. The tunnelsection represents typical Norwegian bedrock conditions, consisting of massive amphibolite intersected by a weaknesszone of weathered mica schist. Spiling and heavy support in the form of double reinforced ribs of shotcrete have been carried out. Convergence measurements on one of the ribs have shown deformation of 9 mm in the weaknesszone and 2 mm in the amphibolite. The RS2 model simulates the measured crosssection and is calibrated against the convergence measurements.

The composition of the two rockmasses has generally resulted in little deformation in the tunnel, due to the amphibolite supporting the weaknesszone. The modeling results have shown that the deformation without spiling is 3.6% greater than with spiling, concluding that spiling bolts have a greater impact on overbreak related to blasting than on deformation. This conclusion is based on a recent study and experiences from the Gullberg Tunnel. The reinforced shotcrete arch has had the most significant effect on the deformation, reducing the deformation by 50%.

By comparing the RS2 results with relevant literature and experiences from the Gullberg Tunnel, it appears that there are instances where heavy support is over-dimensioned after spiling bolts are installed. With further work, it is therefore possible to establish a basis that can help ensure spiling is given more consideration in permanent support.