Bergstyrkingar í Norðfjarðargöngum. Samanburður uppsettra styrkinga við Q-kerfið ásamt tölulegri greiningu

Abstract

Veggöng eru dýr mannvirki. Gera má ráð fyrir að hver kílómetri í jarðgöngum kosti um 1,2 milljarða króna. Sá einstaki þáttur sem hvað ófyrirsjáanlegust áhrif hefur á kostnað við gangagerð er jarðfræði viðkomandi svæðis sem ræður hvað mestu um verkframvindu og umfang bergstyrkinga. Berggæði eru því afar þýðingarmikil þegar kostnaður við jarðgangagröft er annars vegar. Við mat á umfangi bergstyrkinga bæði á undirbúnings- og framkvæmdatíma er stuðst við sk. berggæðamatskerfi. Kerfin byggja á því að gefa bergi einkunn út frá eiginleikum þess og tengja einkunnina við áætlaða styrkingarþörf. Á Íslandi hefur norska Q-kerfið verið notað í öllum veggangaframkvæmdum frá árinu 1980. Í Norðfjarðargöngum er ætlast til þess að bergstyrkingar séu útfærðar í samræmi við Q-kerfið.Að jafnaði eru bergstyrkingar í íslenskum göngum ekki teknar út m.t.t. þess hversu vel þær samræmast Q-kerfinu jafnvel þótt ætlast sé til þess að kerfið sé haft til hliðsjónar við val á styrkingum. Markmið þessa verkefnis er að kanna hvort styrkingar í Norðfjarðargöngum falli að ákvæðum Q-kerfisins. Auk þess er með líkanreikningum reynt að leggja mat á þá þætti sem mest áhrif hafa á bergfærslur og öryggi styrkinga.Í þessum tilgangi eru tekin fyrir fjögur jarðfræðilega ólík svæði í göngunum og bergstyrkingar hannaðar í samræmi við Q-kerfið miðað við Q-mat verktaka. Hannaðar styrkingar eru bornar saman við uppsett magn styrkinga á sömu svæðum. Með líkanreikningum er hegðun bergmassa í tveimur gangaþversniðum könnuð miðað við ákveðið magn styrkinga. Áhrif álagsdreifingar og mismunandi eiginleika bergs á niðurstöður líkanreikninga eru einnig skoðuð.Bergstyrkingar í Norðfjarðargöngum eru að mestu í samræmi við Q-kerfið að undanskildum þeim svæðum sem kalla á notkun sprautusteypuboga. Þar eru notaðir færri bergboltar en Q-kerfið kveður á um en fjöldi sprautusteypuboga fer umtalsvert fram úr viðmiðum og umframmagn sprautusteypu er verulegt.Líkanreikningar sýna að bergfærslur eru mestar neðan við lagmót þar sem veikari jarðlög síga inn í gangaþversniðin. Eiginleikar veikra jarðlaga virðast hafa meiri áhrif á niðurstöður líkanreikninga en eiginleikar sterkari jarðlaga. Einásaþrýstistyrkur basaltkarga skiptir þannig meira máli en einásaþrýstistyrkur og fjaðurstuðull þóleiít-basalts, bæði fyrir bergfærslur og fjölda hniginna eininga. Útþenslustuðull í þunnu, veiku setlagi hefur mikil áhrif á heildarbergfærslur en virðist hafa lítil áhrif á hnig styrkinga. Lítil breyting á GSI-gildum hefur áberandi mikil áhrif á bergfærslur en hlutfallslega minni áhrif á hnig bergs og styrkinga. Álagsdreifing fyrir og eftir uppsetningu styrkinga hefur lítil áhrif á heildarbergfærslur en mikil áhrif á öryggi styrkinga.

Rock reinforcement in Norðfjarðargöng tunnel should be in accordance with the Q-system.During construction no track is kept of how well these conditions are met. It is thereforenot known whether the installed reinforcement agrees with the outline of the Q-system.The aim of this research project is to test if the reinforcement in Norðfjarðargöng tunnel is in line with the Q-system. Through finite element modelling a rock displacement analysis is carried out along with an estimation of reinforcement safety.A reinforcement design in line with the Q-system is carried out for four geologically different areas in the tunnel, based on Q-values from the contractor. The designed amount of rock support is compared with the installed support for the same areas. Finite elementmodelling is used for estimating rock stability around two tunnel cross sections given afixed amount of support. The effects of load splitting and different rock mass propertiesare explored.The thesis covers the importance and purpose of Norðfjarðargöng tunnel as well asdescribing its main dimensions. An outline of the geology of Iceland is given, focusing onEast-Iceland and the construction area between Eskifjörður and Norðfjörður. Theimportance of rock mass properties in tunnelling is highlighted and rock massclassification systems used for reinforcement design are introduced. The main emphasis ison the Q-system that has been adapted to Icelandic conditions.Rock stresses and strains are discussed along with the changes in a given stress fieldfollowing tunnel construction. Rock reinforcement strategies that aim to stabilize rockmass around an opening are introduced with special emphasis on support methodsdescribed in the Q-system and most frequently used in Icelandic tunnels. The rock-supportinteraction is discussed as well as methods for estimating support safety.Finite element modelling is described and the RS2 software used for modelling in theresearch is introduced. The main input parameters of the software are discussed along with its material theories. Methods for determining input parameters are described as well as the premises for the research work.The rock reinforcement in Norðfjarðargöng tunnel is in accordance with the Q-system apart from areas where the use of lattice girders is needed. In lattice girder areas fewerrockbolts are used but the number of lattice girders is higher than recommended by the Qsystem and the use of shotcrete far exceeds recommendations.Finite element modelling shows that the highest rock displacement occurs below rockmass boundaries where weaker rock converges into the tunnel. Weak rock properties seem to have more influence on model results than properties of stronger rock. Thus, theuniaxial compressive strength (UCS) of scoriaceous basalt has higher impact onconvergence and reinforcement safety than UCS and Young‘s modulus of tholeiite-basalt.Dilatancy of a thin, weak sedimentary layer has high impact on total displacement but seems to have less impact on support yield. Small changes in GSI-values have highinfluence on total displacement but relatively low on rock and support yield.Judging from ground reaction curves (GRC) the reinforement should be fully activated before internal support pressure has dropped around 70%. Given that the reinforcement in Norðfjarðargöng tunnel can tolerate up to 12,5 mm rock displacement, the support will suffer too much displacement in most models with 80-20 load split. If the totaldisplacement exceeds 92 mm (2% of the tunnel radius) more need for support can be expected. This is true for one model of blasting round F377 and all models of round 554.Total displacement is barely affected by rock reinforcement.Support analysis for three models of each round reveals that tensile stress in rockboltsincreases with lower GSI-values but decreases as UCS of scoriaceous basalt is increased.The probability of compression failure in shotcrete elements is increased by lowering GSIvalues but decreased by increasing UCS of scoriaceous basalt.If the rock reinforcement in round F377 is designed in accordance with the Q-system, the wall support cannot be considered safe as rockbolts yield closest to the tunnel surface and factors of safety against compressive failure in shotcrete elements are frequently below 1,4. If the rock reinforcement in round 554 is designed according to the Q-system neitherrockbolts nor shotcrete can be considered safe, given a factor of safety of 1,4.