Diskussion

6.1.

Angående stor temperaturdifferens över liningen

Ur tabell 4 i kapitel 4 framgår att maximal temperaturdifferens över liningen, ∆T , uppgår till 14◦_C för långa, lutande tunnlar. Andra konfigurationer, som återfinns i Excel-databasen visar ännu större ∆T. Jämfört med data från den hållfasthetsanalys som utförts åt Trafikverket av Chalmers (Berrocal et al., 2018), är dessa värden på ∆T mycket höga. Orsaken är att ∆T är resultatet av en transient luft- temperatur och föreliggande analys baseras på verkliga klimatdata, som innehåller hastiga vädersväng- ningar, medan studien av Chalmers bygger på en statistiskt framtagen temperaturhistoria. Den senare har mycket långsam förändring av utomhustemperaturen, och tunnelväggen har då gott om tid på sig att anpassa sig till klimatet. För att ∆T ska kunna analyseras krävs enligt vår mening realistiska klimat- data. De höga värdena på ∆T i simuleringarna uppkommer under den kallaste perioden i mars (se figur 1).

6.2.

Dimensionering av isolering

Exemplen i stycke 5.1 visar att köldmängden ökar med ökad isolering i en tunnel. Därmed blir den metodik som traditionellt tillämpas för dimensionering av frostskydd i utomhusanläggningar proble- matisk i tunnelsammanhang. ”Belastningen” (köldmängden) är inte längre oberoende av ”åtgärden” (isoleringen).

Antag att man beslutar sig för att isolering endast är nödvändig där KM överstiger 250 graddagar i en oisolerad tunnel. Resultaten från simuleringarna av oisolerad tunnel i figur 10 antyder då att tunnelns första 2 500 m behöver isoleras, räknat från den lägre, södra mynningen och att resterande del av tun- neln kan vara oisolerad. En sådan isolering kan då resultera i att köldmängden i den oisolerade delen av tunneln ökar till över 400 graddagar.

En slutsats av detta resonemang är att dimensioneringen av isolering måste ske iterativt, där tunneln successivt förses med isolering baserad på resultat från den förra iterationen med målet att gränsvärden för KM och ∆T inte överskrids.

På grund av köldmängdens koppling till isoleringsgrad är det opraktiskt att alls utgå ifrån köldmängd som dimensioneringsförutsättning. Ett bättre alternativ är att utgå ifrån en storhet som mäts bakom isoleringen. Nära till hands är då att att optimera isoleringen direkt med avseende på isbildning bakom liningen och temperaturdifferens över liningen. Ökad isolering kommer alltid att sänka såväl ismängd som ∆T , eftersom isolering minskar värmeflödet genom konstruktionen.

Som en parentes kan också noteras att stora delar av den helisolerade, otrafikerade tunneln har en högre köldmängd än omgivningen. Detta kan tyckas onaturligt, men beror av den något speciella definitionen av köldmängd som tillämpas av Trafikverket, där endast negativa bidrag till integralen av temperaturen inräknas. Antag till exempel att det råder 10 minusgrader i en vecka. Betongen nära tunnelmynningen av den isolerade tunneln kommer vid veckans slut att vara mycket kall. Om utomhustemperaturen sedan stiger till en grad, kommer betongen fortfarande att kyla luften i tunneln under en tid och bidra till köldmängd i tunneln, trots att ingen ökning av köldmängd sker utomhus.

Som ett avslutande exempel, helt utan tunnel, kan en period om tio dagar tänkas, där varannan dag har temperaturen +1◦_{Coch varannan –1}◦_{C. Köldmängden blir för denna period 5 graddagar, trots att} medeltemperaturen för hela perioden är 0◦_{Coch ingen signifikant frostinträngning skulle uppkomma.}

6.3.

En kommentar till rådande föreskrifter

Den metodik som i dagsläget föreskrivs i Krav Tunnelbyggande (Trafikverket, 2016) med en given köldmängd, beroende endast av tunnelns längd, är föredömligt enkel, men riskerar att leda till oönska- de konsekvenser både vad det gäller kostnadseffektivitet och säkerhet mot frostskador. I (Trafikverket, 2016), D.3.2.9 kan man läsa följande:

Den lägsta temperaturen på ytor i ett trafikutrymme ska bestämmas enligt följande där LT sätts till

[. . . ] 1 000 m för en järnvägstunnel:

• Om tunnelns längd är mindre än eller lika med LT ska tunneln dimensioneras för en köldmängd

med återkomsttiden 50 år.

• Om tunnelns längd är större än LT ska de delar som är belägna på större avstånd än LT/2från

en tunnelöppning eller tvärventilation med inluft dimensioneras för medelköldmängd. Övriga delar ska dimensioneras för köldmängd med återkomsttid 50 år.

Figur 14 visualiserar kravställningen med avseende på köldmängd och yttemperaturer för en tunnel som byggs i klimatzon 2. Den stora mängd simuleringar av typtunnlar som utförts i detta projekt visar att köldmängder och temperaturer fördelas på ett annat sätt än vad som föreskrivs. Detta blir speciellt tydligt för långa tunnlar, som inte sällan är frostfria i mitten. Simuleringarna visar också att det är nödvändigt att beakta hur tunnlarna lutar samt trafikeringsförhållanden.

Vi rekommenderar inte att denna eller någon liknande dimensioneringsmetod används för höghastig- hetsbanorna, där konsekvenserna av en suboptimal design kan bli förödande. Den gällande metoden ger heller ingen vägledning till beräkning av temperaturskillnad över betongliningen – ett fenomen som inte kan återges med hjälp av köldmängdsbegreppet.

Beräkningsresultaten i denna rapport visar tydligt att temperaturfördelning i tunnel och tunnelvägg är komplext beroende av bland annat klimat, trafik, lutning och isoleringsgrad. Därför rekommenderar vi att varje enskild tunnel simuleras och analyseras i projekteringen.

6.4.

Angående använda klimatdata

Den 700 kölddagar kalla vinter som råder under de presenterade simuleringarna och som definierats i stycke 2.1 är inte representativ för hela höghastighetsbanans sträckning – Lund har ju ett annat klimat än Stockholm. För att skapa underlag för dimensionering av tunnlar som utsätts för ett annat klimat krävs simuleringar med en representativ klimatbeskrivning, men med den verktygslåda som skapats kring IDA Tunnel i detta projekt är denna uppgift inte betungande. Däremot är kopplingen mellan utomhusklimat och tunneltemperaturer så pass komplex att en enkel skalning av resultaten inte är på- litlig.