En programmiljö har utvecklats för effektiv simulering av ett större antal tunnlar inklusive automat- iserad resultatbearbetning med avseende på temperatur och köldmängd. EQUAs IDA Tunnel-modell har försetts med möjlighet att beräkna frysning av vatten i tunnelväggen. Ett klimatscenario har fram- tagits som motsvarar Trafikverkets föreskriva köldmängd och som dessutom innehåller en historiskt extrem köldknäpp.
Den uppsättning typtunnlar som Trafikverket föreslagit har simulerats utan isolering. De kompletta resultaten redovisas i form av ett interaktivt räkneark som ger god möjlighet att studera nyckelresul- taten.
Resultaten visar att samtliga tunnlar behöver isoleras för att undvika frysning bakom betongliningen. Graden av erforderlig isolering varierar starkt med avseende på bl.a. lutning, trafikering och tunnel- geometri.
Tyvärr kan inte de befintliga resultaten användas för direkt dimensionering av de planerade tunnlarna, eftersom själva isoleringen i hög grad påverkar temperaturen i tunneln. Detta betyder att isoleringen i varje enskild tunnel behöver dimensioneras med hjälp av en modell. Den framtagna programmiljön kan väsentligt underlätta detta.
Även i oisolerade tunnlar är temperaturfördelningen komplex och vi rekommenderar att den metod för kravställning avseende temperaturpåverkan som föreskrivs av Krav Tunnelbyggande (Trafikverket, 2016), ersätts med att varje enskild tunnel ska modelleras för att säkerställa hållfasthet samt minska miljöpåverkan och kostnad.
De beräknade maximala temperaturskillnaderna över betongliningen överstiger vad som baserat på tidigare studier var förväntat.
Som nästa steg i studien föreslår vi en vidare undersökning av hur temperaturskillnaden över betong- liningen varierar med avseende på ett större antal uppmätta klimatår. Den hittills utvalda köldknäppen utgör ett exempel på ett förekommande väderfenomen, men som dimensioneringsunderlag behöver en statistisk studie genomföras.
En ytterligare möjlighet är att ta fram en algoritm för optimering av tunnelisoleringen, dvs. en auto- matisk metod för att minimera isoleringskostnaden givet kriterier för acceptabel ismängd bakom och temperaturskillnad över betongliningen.
Referenser
Carlos Gil Berrocal, Ingemar Löfgren, och Karin Lundgren. Assessment of cast-in-situ FRC linings for high-speed railway tunnels with respect to fatigue and cracking. Technical report, Department of Architecture and Civil Engineering, Chalmers, 2018.
Anders Fredriksson. Analys av dränerad betonglining för dubbelspårstunnel. Technical report, 2018. Mikael Sima. Inverkan av tunnel på gångtider, Underlag för gångtidssimuleringar. Technical report,
2018.
Trafikverket. Krav Tunnelbyggande. Technical report, Trafikverket, 2016. TDOK 2016:0231.
Trafikverket. Teknisk systemstandard för En ny generation järnväg, version 4.1, revision A. Technical report, Trafikverket, 2019. TRV 2019/40102.
Bilaga A. Beräkningsresultat
Samtliga simuleringsresultat i form av nyckeltal och bilder, finns tillgängliga digitalt och återfinns på följande adress:
Bilaga B. Validering av IDA Tunnel mot mätningar i Glödbergs– och
Åsatunneln
G:\Projekt\VTI\Dokument\Rapport\Glödberget_Åsa\Slutrapport_Jämförelse_mätningar_beräkningar_v4.docx 1 (12)
Temperaturer i hö ghastighetsbanörnas
tunnlar
Jämförelse mellan mätningar och beräkningar i befintliga tunnlar.
För Trafikverket Hans Johnsson, EQUA maj 2019
Ver. Datum Förändringar/Beskrivning 1 2018-05-09
2 2018-05-23 Mindre justeringar efter synpunkter från Trafikverket, PS
3 2019-05-15 Uppdaterade simuleringsresultat med längre sim-tid. Nu bättre resultat., NW
Interngranskad av: Per Sahlin, EQUA
Innehåll
Innehåll ... 2
Bakgrund ... 3
Indata för beräkningarna... 3
Indata specifika för Åsatunneln ... 4
Indata specifika för Glödbergstunneln ... 4
Resultat... 4 Åsatunneln ... 4 Glödbergstunneln ... 5 Slutsatser av jämförelserna ... 6 Fortsatta mätningar... 6 Övriga beräkningar ... 6 Referenser ... 7
Bilaga 1. Åsatunneln i mitten. Mätningar respektive beräkningar ... 8
G:\Projekt\VTI\Dokument\Rapport\Glödberget_Åsa\Slutrapport_Jämförelse_mätningar_beräkningar_v4.docx 3 (12)
Bakgrund
I denna rapport har förutsättningarna för att beräkningsmässigt hantera temperaturpåverkan i tunnlarna i de nya höghastighetsbanorna studerats genom jämförelser mellan mätningar och beräkningar för två befintliga tunnlar.
Fältmätningar av bl.a. temperatur har under ett flertal år gjorts i Åsatunneln och Glödbergstunneln under ledning av Anna Andén, Trafikverket. Dessa mätningar har jämförts med beräkningsmodeller gjorda med programvaran IDA Tunnel som är en 1-D simuleringsmodell för analys av bl.a. luftrörelser och klimat i järnvägs- och biltunnlar. IDA Tunnel är utvecklat av EQUA Simulation AB.
Avsikten med jämförelserna är att validera IDA Tunnel som verktyg för att beräkna frysning m.m. för de nya tunnlarna som planeras för den nya höghastighetsbanan samt att identifiera områden där modellen behöver förbättras och utvidgas.
Indata för beräkningarna
Vindtryckskoefficienter för portaler. Denna koefficient är en funktion av terängen vid mynningen och vindens infallsvinkel mot tunnelmynningen. Vindtrycket som i simuleringen appliceras vid tunnelmynningen är således vindtryckskoefficienten multiplicerad med vindens stagnationstryck. De valda värdena är inte specifika för de aktuella tunnlarna. De är erfarenhetsmässigt representativa. Om vindpåverkan har en stor inverkan på resultaten, måste CFD-beräkningar göras för strömningen utanför mynningarna.
Givna indata till tunnelmodellen beträffande vindtryckskoefficienter vid tunnelmynning.
Indata specifika för Åsatunneln Frontarea tåg: 9,4 m2 CD-värde tåg: 0,5 Friktionstal tåg: 0,012 Omkrets tåg: 13 m Tåglängd: 320 m Tunnellängd: 1850 m Höjdskillnad mynningar: 1 m Tåghastighet: 180 km/tim
Tågintervall enligt TRV: 6:00 – 24:00: 30 min vardera riktning 0:00 – 6:00: 60 min vardera riktning
Klimatdata från närliggande SMHI stationer har använts. De visade god överenstämmelse med mätningarna utanför tunneln.
Indata specifika för Glödbergstunneln
Tunneln trafikerades mest av godståg under mätningarna.
Frontarea tåg: 12 m2 CD-värde tåg: 0,8 Friktionstal tåg: 0,02 Omkrets tåg: 20 m Tåglängd: 400 m Tåghastighet: 100 km/tim Tunnellängd: 1680 m Höjdskillnad: 21 m
Tågintervall enligt TRV: 0:00 – 24:00: 110 min vardera riktning
Klimatdata från närliggande SMHI stationer har använts när det gäller vind och vindriktning. För utetemperaturen användes de mätta temperaturerna utanför tunneln. Dessa temperaturer var speciellt under de mycket kalla perioderna lägre än de uppmätta temperaturerna i Umeå där närmaste SMHI mätstation finns. Förklaringen är att tunneln ligger längre in i landet och på högre höjd än Umeå.
Resultat
Resultaten från jämförelserna mellan mätningar och beräkningar redovisas enligt följande i Bilaga 1 och Bilaga 2.
Åsatunneln vintrarna 2010-2011 t.o.m. 2014-2015 i Bilaga 1. Glödbergstunneln vintrarna 2012-2013 t.o.m. 2015-2016 i Bilaga 2.
Åsatunneln
Beträffande Åsatunneln visar beräkningarna en god överensstämmelse med mätningarna när det gäller bergtemperaturen på ytan och 10 cm in i berget. En något större avvikelse kan noteras för
G:\Projekt\VTI\Dokument\Rapport\Glödberget_Åsa\Slutrapport_Jämförelse_mätningar_beräkningar_v4.docx 5 (12)
Vid köldknäppar finns en tendens att mätningarna i Åsatunneln visar en lägre temperatur än beräkningarna. Uppmätta berg- och yttemperaturen tenderar i flera fall vid köldknäppar att falla snabbare och till en lägre temperatur jämfört med beräkningarna. Avvikelser i medelvärden under lite längre perioder är dock liten. Det är oklart vad dessa avvikelser beror på. Lokala variationer i sprutbetongens tjocklek kan vara en orsak. Alltså att tjockleken vid mätpunkten inte överensstämmer med den i beräkningen
Glödbergstunneln
I Glödbergstunneln är de beräknade temperaturerna ofta några grader lägre än de uppmätta. Det är en anmärkningsvärd diskrepans. Det finns flera tänkbara orsaker till avvikelsen beträffande bergtemperaturerna. Isbildning kan ha stor inverkan på temperaturen,både på grund av att isen isolerar och att den bromsar nedkylningen i berget om det finns vatten i sprickor. Isbildning är inte modellerat i den aktuella modellen. Isolerande dräner påverkar också tunneltemperaturen. Den troligaste orsaken till avvikelserna är dock att grundvattenströmningen in mot tunneln generellt har en värmande effekt under vintern.
Rapportering från utförda temperaturmätningar [1] beskriver hur Glödbergstunneln delvis är klädd med isolerande dräner och att den har en ovanligt tjock spårbädd för att skydda dräneringsrör från frysning. I samma rapport noteras även hur bergtemperaturen under vissa perioder inte följer lufttemperaturen. Figuren nedan visar ett snitt ur mätdata från rapporten [1] där utomhustemperaturen stiger, men bergtemperaturen samtidigt sjunker. Denna anomali tillsammans med behovet av överdimensionerad dränering antyder är att Glödbergstunneln har ett stort vattenflöde.
Utsnitt från en mätdataserie från Glödbergstunneln vid en position 300 m in i tunneln. Kurvorna visar temperaturer; Mörkblå: Utomhus, Ljusblå: 50 cm in i tunnelväggen.
Stora grundvattenflöden i och kring tunnlar kan ha en stor inverkan på tunneltemperaturen. Det är komplicerat att kartlägga dessa flöden och ta rätt hänsyn till dem i modellen. Inget försök att göra detta har gjorts i den aktuella studien. Det bör i sammanhanget noteras att grundvattenflöden alltid värmer en tunnel under perioder då stora frysrisker föreligger, dvs. modellen ger konsekvent en underskattning av tunneltemperaturen. Man riskerar alltså inte att underdimensionera frysskydd pga. detta fenomen.
Slutsatser av jämförelserna
Generellt visar de redovisade jämförelserna mellan mätningar och beräkningar på en god överenstämmelse. Det finns en mängd orsaker som kan förklara avvikelser så man ska inte förvänta sig en exakt överenstämmelse.
Glödbergstunneln har en kraftig lutning som ger stora självdragsluftflöden och utetemperaturen var vid mätningarna periodvis mycket låg med lägsta temperaturer runt -35 °C. Ett visst procentuellt fel när det gäller mätning och beräkning blir större i antal grader ju lägre utetemperaturen blir.
Åsatunneln är av skälen ovan kanske mer representativ för höghastighetsbanorna när det gäller avvikelserna mellan mätningar och beräkningar. Det kommer förmodligen att finnas tunnlar på höghastighetsbanonorna med en lutning som är större än Glödbergstunneln, men Åsatunneln ligger i en klimatzon som bättre överensstämmer med de zoner höghastighetsbanorna passerar. De stora vattenflöden som uppstår i Glödbergstunneln har stor inverkan på tunnelklimat och bergtemperatur, eftersom vatten i rörelse är en mycket effektiv värmebärare. Utförda simuleringar tar inte hänsyn till detta värmeflöde, vilket bidrar till skillnaden mellan uppmätta och simulerade temperaturer i Glödbergstunneln. Konstruktioner med betonglining kommer någont minska grundvattnets inverkan på tunnelklimatet, särskillt om liningen isoleras från berget.
Ur frysningssynpunkt en bit in i berget har enstaka ”spikar” i temperaturkurvorna inte så stor betydelse utan det är medeltemperaturen under tiden frysning kan ske som är viktig. Dessa skillnader i medeltemperaturer för berget i mätningarna och beräkningarna är typiskt normalt inte större än 1 °C för Åsatunneln. Det borde vara en tillräcklig noggrannhet med tanke på det fortsatta arbetet med beräkningarna för de nya tunnlarna i höghastighetsbanorna men självklart finns det utrymme för förbättringar av både mätningar och beräkningar. Den viktigaste bristen beträffande mätningar är dock att mätningar i tunnlar med enkelriktad trafik saknas.
I både Åsa- och Glödbergstunneln finns sprutbetong av varierande tjocklek och isolerade dräner. Detta påverkar beräkningsnoggrannheten negativt. För höghastighetsbanorna blir väggkonstruktionerna mera väldefinierade eftersom isolerade dräner inte finns samt att betongens tjocklek kommer att vara mer väldefinierad. För alla tunnlarna gäller dock att det finns ballastfyllning under spåren som inte kan beräkningsmässigt hanteras på ett bra sätt med den endimensioinella simuleringsmetod som används i IDA Tunnel. Inverkan av spårbädden på resultaten bedöms som liten, men inte obefintlig.
Fortsatta mätningar
Temperaturmätningar från någon tunnel med enkelriktad trafik saknas. Det är önskvärt att mätningar görs även för någon sådan tunnel. En lämplig tunnel skulle kunna vara Hallandsåstunneln. Frostberäkningar har tidigare gjorts för denna tunnel med IDA Tunnel vilket underlättar något.
I ett första skede kanske det skulle handla om att medverka som beräkningsstöd i planeringen av de fortsatta mätningarna.
G:\Projekt\VTI\Dokument\Rapport\Glödberget_Åsa\Slutrapport_Jämförelse_mätningar_beräkningar_v4.docx 7 (12)
istappar och ispelare som kan falla ned i spår samt växa till sådan storlek att de inkräktar på det ”fria rummet” som tågen kräver för att passera genom tunneln. Belysningsarmaturer och kablar bryts sönder på grund av islast och spåren blir isbelagda på grund av takdropp och svallisbildning. Återkommande frysperioder kan medföra frostsprängning av berg och sprutbetong i tak och väggar som kan lossna och falla ner. För att upprätthålla säkerheten och förhindra trafikstörningar kräver många tunnlar omfattande underhållsinsatser.”
Man kan tänka sig att införa ett system med kalibrerade tunnelmodeller för kritiska tunnlar som simuleras i realtid under vintern med avseende på uppmätta och prognosticerade väderdata. Resultaten från dessa simuleringar skulle kunna ligga till grund för preventiva snarare än reaktiva praktiska åtgärder i tunnlarna. Beräkning av fukt i tunnlar vid härdning av betong är en annan frågeställning som framförts. I princip kan de i projektet framtagna modellerna användas för att skapa realistiska randvillkor för en modell av fukten i betongliningen.
Referenser
Anna Andrén, Temperaturflöden i järnvägstunnlar - Glödbergstunneln. Statusrapport 2016, 2017-02-14, Publikationsnummer: 2017:065, ISBN: 978-91-7725-060-9