Kristin H. Holmøy & Nghia Q. Trinh SINTEF Byggforsk

Hanne Wiig Sagen BaneNOR

FOLLOBANEN: BERGMEKANISK OPPFØLGING

Presentasjonen omhandler:

• Follobanen i Ekebergåseen - infrastrukturprosjekt i en "Jarlsbergost"

• Kort om bakgrunnen for den bergmekaniske oppfølgingen

• Oppbygging og verifisering av en numerisk 3D-modell

• Sekvensiell modellering av nye tunneler

• Måleprogram og oppfølging

• Noen resultater

2

Bakgrunn og innledning

• Nærføring mellom Follobanen og eksisterende tunneler

• SVV Vegdirektoratet krever kontroll på stabiliteten

• Bergmekanisk oppfølging

• Oppgaveforståelse - SINTEFs kompetanse

• Gruveindustrien

• Modellering kombinert med målinger

• og analytiske beregninger og empiri

• Krevende og interessant prosjekt

3

"Jarlsbergostens" hull - Ekebergåsens tunneler

4

Kryssingsområde

5

3.74 m 3.88 m

Lengdesnitt Inngående Follobane

Kontroll på stabiliteten

• Forutsetning at totalstabiliteten i eksisterende tunneler ikke blir påvirket

negativt

• Nødvendig å analysere stabiliteten av de eksisterende tunnelene samt

hvordan de nye tunnelene påvirker de allerede eksisterende tunnelene

• En endring i spenningsnivå og eventuelle deformasjoner må oppdages tidlig

• Siden det er komplisert geometri er det valgt å lage en 3D-numerisk modell

• Spenningsmålinger (viktig in-put parameter til numerisk modell)

• Måleprogram (kontinuerlig måling av spenninger og deformasjoner)

7

SINTEF bruker en "Tripod" filosofi

8

Numerisk

analyse

Spennings-

situasjon i

bergmassen

Bergmasse-

kvalitet

Verifisering

Kontroll og kalibrering

av modellen

Modellen brukes som plan-

leggingsverktøy/prognostisering

Felt-

observasjonerMåleprogram

Input parametere

• Bergmassens mekaniske egenskaper er hentet fra laboratorietester og

geologisk kartlegging

• Geologisk kartlegging ble utført i desember 2014 i Ekebergtunnelene og

Grønliatunnelen

• Det er blitt utført 2 omganger med laboratorietester i forbindelse med

3D- og 2D-spenningsmålinger i 2011 og 2012• SINTEF, 2011: Prosjekt rapport SBF2011F0026 – "Bergspenningsmåling ved Follobanen – 3D";

• SINTEF, 2012: Prosjekt rapport SBF2012F0346 – "2-dimensjonal bergspenningsmåling";

• Ny 3D-spenningsmåling sommeren 2016• SINTEF, 2016: Prosjekt rapport SBF2016F0315 – "3-dimensjonal bergspenningsmåling – IØB pel 1890"

9

In-situ 3D-spenningsmåling

10

3D-spenningsmåling (2011)

3D numerisk modell

3D-spenningsmåling (2016)

σ1 = 9,9 MPa ± 1,9 MPa,

dip direction N248,4°/ dip 24◦ SW

σ2 = 7,5 MPa ± 1,9 MPa,

dip direction N145° / dip 27◦ SE

σ3 = 1,9 MPa ± 2,8 MPa,

dip direction N14° / dip 61◦ NE

σH=9,4 MPa, oriented N87°

σh=5,7 MPa, oriented N177°

σV=4,4 MPa

2011:

11

2D spenningsmåling 2

2D spenningsmåling 1

2D-spenningsmålinger (2012)

• 2D-spenningsmåling i vertikal pilar mellom Ekebergtunnelene og i sidevegg i pumpestasjon i Ekebergtunnelen

12

2D spenningsmåling 2

Sigma-H: azimuth 240oNSigma-H = 5 to 9 MPa

3D spenningsmåling(2011)

Sigma-1: 248oN / 24o

Sigma-1 10 MPa

Sammenligning mellom 2D- og 3D-spenningsmåling

13

(x,y)(485,45)

(x,y)(825,385)

Numerisk modell - FLAC 3D-modell

-70 m

+70 m

Numerisk modell - FLAC 3D Modell

• Dimensjoner og in-situ spenninger

14

-70 m

+70 m

Spenning Initial spenninger Nivå 0 Gradient(MPa/m)

Nivå +70

Sigma 1 (MPa) Sxx (East-West) -10 0.0275*(10/4.5) 0.0611 -5.722

Sigma 2 (MPa) Syy (North-South) -6 0.0275*(6/4.5) 0.0367 -3.433

Sigma 3 (MPa) Szz (vertical) -4.5 0.0275 -2.585

15

Initial spenninger i Ekeberg tunnelen På nivå +5 moh

Spenninger Initial spenninger Nivå 0 Gradient(MPa/m)

Nivå +70

Sigma 1 (MPa) Sxx (East-West) -10 0.0275*(10/4.5) 0.0611 -5.722

Sigma 2 (MPa) Syy (North-South) -6 0.0275*(6/4.5) 0.0367 -3.433

Sigma 3 (MPa) Szz (vertical) -4.5 0.0275 -2.585

Verifisering av initial spenninger

16

Simulering av sekvensiell driving

• Eksisterende og nye tunneler med navn som brukt i den numeriske modellen

• Informasjon om planlagt drivemetode og rekkefølge dannet et grunnlag for

inndeling i trinn

• Totalt ca. 250 trinn i en kjøring av 3D-modellen

• Det tar ca. en uke å kjøre hele modellen

LTDM-Såle

LTDM-Pilar

Ekstensometer-Såle

Ekstensometer-nisje

LTDM-Heng

Ekstensometer

LTDM i horisontalt hull;

LTDM i vertikalt-

nedadgående hull;

LTDM i vertikalt

oppadgående hull;

Måleprogram

LTDM-Heng

Feltarbeid

18

http://www....

• Spennings- og deformasjonsendringer blir

logget kontinuerlig;

• Data blir automatisk overført til en nettside

• SMS og e-poster blir sendt ut ved

forhåndsbestemte grenseverdier

Oppfølging

Samme fargekode som på trafikklys:

• Rødt nivå betyr at stabiliteten er ugunstig, og kan føre til instabilitet

i eksisterende tunneler. All tunneldriving må stoppes, og eksperter

må tilkalles umiddelbart. En inspeksjon og evaluering av

stabilitetsbildet må utføres. En plan for å forbedre stabiliteten må

utarbeides; eksempelvis ytterligere bergsikring og utvidet

stabilitetskontroll.

• Gult nivå betyr at det er i ferd med å utvikle seg en situasjon som

kan utvikle seg til instabilitet. Dette må følges opp ekstra tett med

evalueringer og møter for å avklare om det er behov for tiltak.

• Grønt nivå betyr at totalstabiliteten er god, og tunneldriving og

bergsikring kan utføres som planlagt.

Kriterier for alarmnivå

Alarmnivå

• Basert på utførte målinger og numerisk modellering

er alarmnivåene nå:

• Spenninger:

• Gult nivå – ved økning over 10 MPa

• Rødt nivå – ved økning over 20 MPa

• Deformasjoner:

• Gult nivå – ved deformasjoner over 4 mm

• Rødt nivå – ved deformasjoner over 8 mm

21

8 mm

4 mm

20 MPa(~300 micro-strain)

10 MPa(~150 micro-strain)

Ekstensometer og LTDM i pilarer over IFL

22

4.3 m dypt

fra såle

LTDM-1342- Såle

Fremdrift per uke 37 2016;

Tøyning (strain)

Spenningsutvikling pga driving i

inngående Østfoldbane (IØL)

LTDM-1342- Såle

Fremdrift per uke 42 2016;

Etter at drivingen var passert,

ble ingen endringer observert.

LTDM-1342- Såle

Fremdrift per uke 11 2017;

Spenningsutvikling pga

driving av IFL

LTDM-1342- Såle

Fremdrift per uke 26 2017;

Spenningsutviklingen starter igjen;

Spenningen i dette punktet øker

gradvis

Stor avstand og over tid

LTDM-1342- Såle

Fremdrift per uke 42 2017;

Spenningen fortsetter å øke

pga. uttak av bunnpall i IØF

Gul alarm medførte tett

oppfølging (feltobserva-

sjoner), møter og evalueringer

"Yellow" value

LTDM-1342-Floor

"Yellow" value

Fremdrift per uke 50 2017;

Spenningsutviklingen har

stoppet opp;

Resultatet stemmer godt med

forventet spenningsoppbygging

prognostisert i numerisk modell

29

Prognose vs. måling: LTDM-1342 såle

Den numeriske modellen viser en spenningsøkning til 12,5 MPa (sigma-1)

Om man regner om til tøyning: Ɛ = σ /E = 12,5 MPa / (65 000MPa – 43 900 Mpa)

192 til 285 micro-strain

Ekstensometer-1342-Såle

Fremdrift uke 11 2017;

Deformasjoner i

ekstensometer 1342;

Utviklingen starter i det

tunnelen drives direkte under

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

26.0

8.20

16

09.0

9.20

16

23.0

9.20

16

07.1

0.20

16

21.1

0.20

16

04.1

1.20

16

18.1

1.20

16

02.1

2.20

16

16.1

2.20

16

30.1

2.20

16

13.0

1.20

17

27.0

1.20

17

10.0

2.20

17

24.0

2.20

17

10.0

3.20

17

24.0

3.20

17

07.0

4.20

17

21.0

4.20

17

05.0

5.20

17

19.0

5.20

17

02.0

6.20

17

16.0

6.20

17

30.0

6.20

17

14.0

7.20

17

28.0

7.20

17

11.0

8.20

17

25.0

8.20

17

08.0

9.20

17

22.0

9.20

17

06.1

0.20

17

20.1

0.20

17

03.1

1.20

17

Dis

plac

emen

t (m

m)

Date

Displacement at 1342-Extensometer: installed above Follo2

Series1 Series2 Series3 Series4

Ekstensometer-1342-Såle

Fremdrift uke 40 2017;

Etter tunneldrivingen var

passert stoppet deformasjons-

utviklingen nesten opp.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

26.0

8.20

16

09.0

9.20

16

23.0

9.20

16

07.1

0.20

16

21.1

0.20

16

04.1

1.20

16

18.1

1.20

16

02.1

2.20

16

16.1

2.20

16

30.1

2.20

16

13.0

1.20

17

27.0

1.20

17

10.0

2.20

17

24.0

2.20

17

10.0

3.20

17

24.0

3.20

17

07.0

4.20

17

21.0

4.20

17

05.0

5.20

17

19.0

5.20

17

02.0

6.20

17

16.0

6.20

17

30.0

6.20

17

14.0

7.20

17

28.0

7.20

17

11.0

8.20

17

25.0

8.20

17

08.0

9.20

17

22.0

9.20

17

06.1

0.20

17

20.1

0.20

17

03.1

1.20

17

Dis

plac

emen

t (m

m)

Date

Displacement at 1342-Extensometer: installed above Follo2

Series1 Series2 Series3 Series4

Ekstensometer-1342-Såle

Fremdrift uke 42 2017;

Videre deformasjonsutvikling

ved uttak av bunnpall.

Deformasjonen kan kvantifiseres:• Top heading: 2 mm;• Bunnpall: 0.5 mm.

33

Prognose vs måling: Ekstensometer 1342 såle

Den numeriske modellen viser en deformasjonsutvikling på drøyt 2,5 mm

Noen små endringer siden modellen ikke tar hensyn til uttak med bunnpall

Tunneldriving og måleprogramhttp://www....

Iterasjon: modell – målinger - kalibrering

Numerisk

analyse

Spennings-

situasjon i

bergmassen

Bergmasse-

kvalitet

Verifisering

Kontroll og kalibrering

av modellen

Modellen brukes som plan-

leggingsverktøy/prognostisering

Felt-

observasjonerMåleprogram

36

Konkluderende kommentarer

• Kontrollere om modellen gir resultater som stemmer med virkeligheten

• Eventuelt kalibrere modellen slik at den gir riktige resultat for deformasjoner

og spenninger

• Kontinuerlige målinger med overføring digitalt gir god kontroll og sikkerhet

• Totalstabiliteten i Ekebergtunnelene har vært god

• Modell og målinger viser sammenfallende utvikling av deformasjoner og

spenninger

• Utvikling av spenninger kan skje over tid og på avstander større enn 1,5 * D

Teknologi for et bedre samfunn