TEKNISK RAPPORT
Temperaturflöden i järnvägstunnlar – Glödberget
Anna Andrén
Lars-Olof Dahlström
ISSN: 1402-1536 ISBN 978-91-7439-318-7Luleå tekniska universitet 2011
Institutionen för Samhällsbyggnad och naturresurser Avdelningen för Geoteknologi
Division of Geotechnology
Department of Civil, Mining and Environmental Engineering Luleå University of Technology
SE - 971 87 Luleå
Teknisk Rapport
Temperaturflöden i järnvägstunnlar – Glödberget
Anna Andrén
Lars-Olof Dahlström
Tryck: Universitetstryckeriet, Luleå ISSN: 1402-1536
ABSTRACT
During the winter ice is causing major problems in several of the Swedish Transport administrations railway tunnels. Freezing water is forming icicles and pillars that can fall down at track, and grow so large that they intrude on the clearance gauge. Lighting equipment and cables can be broken because of the ice load and tracks can become cowered with ice Periodic freezing can cause frost shattering and this process can cause fall-outs of rock and shotcrete. In order to maintain safety and prevent traffic disruption, many tunnels requiring extensive maintenance. In order to reduce maintenance of the tunnels, improved knowledge about frost penetration and the effects of ice pressure on the load-bearing capacity of the tunnel is required.
2002 the University of Gävle and KTH performed a model study to determine the temperature conditions in tunnels. To verify the model study field measurements are carried out in
collaboration between the Transport Administration and Luleå University of Technology. This technical report describes the tests conducted so far in the Glödberget tunnel at Nyåker, 80 km south-west of Umeå. Measurements show that the developed models underestimate the frost penetration. Although the tunnel is 1680 meters long, the frost penetrates the entire length of the tunnel even if the temperature outside the tunnel is just a few degrees below zero.
A contributing factor to why the field measurements and model do not conform can be that the model study is based on a completely uninsulated tunnel. In the Glödberget tunnel a large part of the walls and roof are covered the frost insulated drains. The function of the frost insulated drains is to prevent the cold tunnel air from reaching a leakage point and causing water to turn into ice. However, the insulation does not only prevent the cold air from
reaching the rock, but also prevents the heat from the rock mass from entering the tunnel and warming up the cold tunnel air. Consequently, the frost penetrates further into the tunnel than it would do if the heat from the rock mass were allowed to warm up the outside air on its way into the tunnel. The amount of frost insulated drains and how much of the tunnel walls and roof that are covered are thereby affecting the length of the frost penetration.
Temperature measurements has been carried out down into the ballast bed. To eliminate the risks with freezing drainage water, the drainage pipes are located at a depth of 2 m under the level of the rails. Measurements show that the temperature does not penetrate as far down as earlier feared and the depth of the pipes in the middle parts of the tunnel could be made shallower, with respect to risk of frost.
Temperature measurements behind a frost insulated drain in the middle of the track tunnel, has shown that drains are able to smooth out the temperature changes that occur in the tunnel air. But when the temperature is negative for a longer period, the temperature behind the drain drops below 0 C. Then the drainage ability is reduced due to icing and it can cause frost damage to the drain.
Measurements of air temperature in the adjacent service tunnel shows how frost penetration is affected by air movement. The service tunnel is closed with gates at both ends. When the air
in a tunnel is not exposed to movement, it is heated by geothermal heat and adopt the same temperature as the rock. Rock temperatures usually coincide with the average annual
temperature applicable to the area where the tunnel is located. For the Glödberget tunnel there is a very good agreement between the average annual temperature for the area and the
measurements performed in the service tunnel.
Keywords: frost penetration, ice pressure, frost shattering, temperature measurement, maintenance, railway tunnel.
SAMMANFATTNING
Under vinterhalvåret orsakar is stora problem i flera av Trafikverkets järnvägstunnlar. Vatten som fryser bildar istappar och svallis som kan fall 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 medför att berg och sprutbetong i tak och väggar kan lossna och falla ner. För att upprätthålla säkerheten och förhindra trafikstörningar kräver många tunnlar omfattande underhållsinsatser. För att kunna reducera underhållet i tunnlarna, krävs förbättrad kunskap kring köldinträngning och
effekterna av istryck på det bärande huvudsystemet.
2002 utförde Högskolan i Gävle och KTH en modellstudie för att bestämma temperatur-förhållanden i tunnlar. För att verifiera modellstudien genomförs nu mätningar i fält och projektet utförs i ett samarbete mellan Trafikverket och Luleå Tekniska Universitet. Denna Tekniska rapport redovisar de mätningar som hittills utförts i Glödbergstunneln vid Nyåker som ligger 8 mil sydväst om Umeå. Mätningarna visar att framtagna modeller underskattar köldinträngningen. Trots att tunneln är 1680 m lång, sker köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln.
En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer kan vara att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta. De frostisolerande dränernas funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör för kylan att tränga längre in i tunneln än vad den skulle ha gjort i fall bergvärmen gavs möjlighet att värma upp den kalla uteluften på dess väg in längs tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, täckningsgraden, påverkar därmed köldinträngningens längd.
Mätningar av temperaturer har utförts ned i ballasten. Glödbergstunneln har en undersprängning på 2 m under RUK, med motiveringen att ledningar för exempelvis
dräneringsvatten ska vara förlagda på frostfritt djup. Mätningarna visar att temperaturen inte tränger så långt ned som man tidigare befarat och undersprängning i de mittersta delarna av tunneln hade kunnat göras mindre, med avseende på frostrisken.
Temperaturmätningarna bakom en frostisolerad drän i mitten av spårtunneln, har visat att dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen. Men då temperaturen är negativ under en längre period kryper även temperaturen bakom dränen under 0 C och då förhindras dräneringsmöjligheten på grund av isbildning och det kan orsaka frostsprängning av dränen.
Mätningar av lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln visar tydligt hur
köldinträngningen påverkas av luftrörelser. Servicetunneln är stängd med portar mot både ute- och tunnelluft. När luften i en tunnel inte utsätts för rörelse, värms den upp av bergvärmen och antar samma temperatur som berget har. Bergtemperaturen brukar oftast sammanfalla
men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen. För Glödbergstunneln stämmer detta mycket bra överens med de utförda mätningarna i servicetunneln.
Sökord: köldinträngning, istryck, frostsprängning, temperaturmätning, underhåll, järnvägstunnel.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 INLEDNING ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Tidigare modellstudie ... 2 1.3 Syfte ... 3 2 FÄLTFÖRSÖK ... 4 2.1 Genomförande ... 4 2.2 Tunnelobjekt ... 4 2.3 Placering av mätutrustning ... 5 2.4 Installation av mätutrustning ... 8 2.4.1 Förberedelser ... 8 2.4.2 Installation av temperaturgivare ... 82.4.3 Installation av temperaturgivare i ballast ... 10
2.4.4 Installation av klimatstation ... 11
2.4.5 Installation av vindmätare och lufttryck i spårtunneln ... 12
3 RESULTAT ... 13
3.1 Temperaturmätningar längs tunneln ... 13
3.1.1 Temperaturmätningar sedan start ... 13
3.1.2 Lufttemperaturer i tunnelns längdsektion ... 15
3.2 Bergtemperaturer ... 15
3.3 Temperaturer bakom drän ... 20
3.4 Temperaturer i servicetunneln ... 22
3.5 Temperaturer i ballast ... 24
3.6 Vindhastighet i och utanför tunneln ... 27
3.7 Vindriktning utanför tunneln ... 28
3.8 Mätningar vid tågpassage ... 29
4 ANALYS OCH DISKUSSION ... 32
4.1 Jämförelse med modellstudie ... 32
4.2 Inverkan av dräner ... 34
4.3 Köldinträngning bakom frostisolerad drän ... 37
4.4 Temperatur i servicetunneln ... 38
4.5 Köldnedträngning i ballast ... 38
4.6 Vindhastighet i spårtunnel ... 39
4.7 Fortsatt forskning ... 41
BILAGA 1 ÅRSMEDELTEMPERATUR ... 43
1
Inledning
1.1 Bakgrund
Trafikverket äger och har ansvar för ett stort antal tunnlar och ytterligare stora tunnelprojekt byggs och planeras inom de närmsta 10 till 15 åren. Ett stort underhållsproblem i bergtunnlar, på våra breddgrader, är isbildning under vinterhalvåret. För att förhindra trafikstörningar och säkerställa trafikering under vintern krävs normalt omfattande underhållsinsatser. Bristfälligt underhåll medför isbildning i tak, väggar och på installationer. Isbildning som kan orsaka skador på såväl fordon som installationer. Återkommande frysperioder och isbildning kan orsaka stabilitetsproblem med eventuella ras och blocknedfall som följd. Borttagande av isen är både ett kostsamt och riskfyllt arbete. En exakt kostnad för detta underhåll finns inte
eftersom kostnader för bortagande av isen inte redovisas specifikt utan vanligen slås ihop med kostnader för snöröjning.
På senare år har Trafikverket märkt en ökning av inrapporterade nedfall av berg och sprutbetong i sina järnvägstunnlar. I och med detta startades en rad forskningsprojekt kring problemen med vattenläckage och isbildning i tunnlar. Denna rapport beskriver ett av de delprojekt som ingår i Trafikverkets forskningsprogram kring ämnet ”Tätning och frostsäkring i tunnlar”.
Orsaken till problemet är det vatten som finns i den omgivande bergmassan diskontinuiteter och som rinner/droppar in i tunneln. Vatten som fryser och inte bara bildar isformationer i tak, väggar och på installationer utan även successivt bidrar till nedbrytning av det bärande
huvudsystemet (bergmassan och förstärkningen).
Om inläckaget kan reduceras och/eller vattnet förhindras från att frysa medför det stora kostnadsbesparingar, färre trafikstörningar och bibehållen säkerhet. Huvudsakligen tätas tunneln med injektering, dels för att klara miljökrav men också för att uppfylla ställda
funktionskrav avseende inläckage som finns redovisade i såväl BV Tunnel som Tunnel 2005 . Miljökravet hanteras idag normalt relativt enkelt med injektering. Dessvärre är det generellt mycket svårt och kostsamt att injektera bergmassan så tät så att funktionskraven uppfylls. I de områden där man, trots injektering, inte lyckats uppfylla funktionskraven installeras lokalt vanligen ett vatten- och frostsäkringssystem för att förhindra dropp och isbildning i
trafikutrymmet. Frostsäkringssystemet består av ett isolerande tätmembran som skall leda ner vattnet till dränsystemet i bankroppen och ledas bort. Detta system har visat sig inte alltid uppfylla sitt syfte, utan kan i sig utgöra en risk för trafikstörningar och säker framdrift. Dränerna sätter- eller fryser igen, och börjar läcka.
Det finns givna regler i BV Tunnel och Tunnel 2005 hur under vilka förutsättningar isoleringen skall dimensioneras. Nedkylningen av tunnelluften sker genom att den kalla uteluften tränger in i tunneln och tunneln exponeras för en viss köldmängd beroende på tunnelns geografiska läge (klimatzon). Förutom utetemperaturen och vindförhållanden kontrolleras köldinträngningen av tunnelns längd och lutning. Lutningen orsakar ett luftflöde genom tunneln som kraftigt påverkar köldinträngningen (skorstenseffekt). Dels ökas
omsättningen av kall luft och dels minskar värmeövergångstalet i skiktet luft/berg, och köldinträngningen ökar markant.
I ett tidigare projekt ”Köldinträngning i järnvägstunnlar” (Sandberg m.fl., 2002) vars syfte var att utveckla en enkel metod för att identifiera köldinträngning i tunnlar visade man i
modellförsök att den klart dominerande mekanismen för köldinträngning i tunnlar är det termiska luftflödet.
1.2 Tidigare modellstudie
Banverket (numera Trafikverket) inledde 1999 ett forskningsprojekt ”Köldinträngning i järnvägstunnlar” tillsammans med Högskolan i Gävle och KTH (Sandberg m.fl., 2002). Syftet med projektet var att finna en praktisk och enkel metod för att identifiera de tunnelavsnitt där lufttemperaturen varaktigt är under 0 C.
Köldinträngning i en tunnel sker på grund av att tunnelluften sätts i rörelse. Luftrörelserna i tunneln skapas i huvudsak av tre orsaker:
Termiskt genererade luftflöden: Berget har en annan temperatur än uteluftens temperatur och värmer upp tunnelluften. Tunnelluften blir varmare och lättare än uteluften och på så sätt uppstår en tryckskillnad som genererar ett luftflöde
(skorstenseffekten). Luftflödet är beroende av tunnelns längd, tunnelsektionens höjd samt höjdskillnaderna mellan tunnelmynningarna, det vill säga tunnelns lutning. Tåg som körs genom tunneln: Är bland annat beroende av tunnelns längd och
utformning, tågsättets längd och hastighet, friktion mellan luft och tunnelvägg samt tågets area i förhållande till tunnelns area.
Vind som skapar en tryckskillnad mellan tunnelmynningarna: Uppstår genom att vinden utövar en kraft på tunnelluften och genererar en tryckskillnad mellan
tunnelmynningarna. Ett övertryck skapas vid den mynning som utsätts för vind och ett undertryck uppstår om den andra tunnelmynningen ligger i lä.
Slutrapporten för projektet visade att den dominerande orsaken till köldinträngning i de flesta tunnlar är det ständigt pågående termiskt genererade luftflödet. Vid korta tunnlar däremot, där höjdskillnaden mellan tunnelmynningarna är relativt liten, är det vinden som genererar den dominerande luftströmningen genom tunneln. Här kan hela tunneln bli exponerad för samma temperaturförhållanden som utanför tunneln. Luftflöden på grund av tågtrafik visade sig ha liten inverkan på köldinträngningen.
I Figur 1.1a visas temperaturfördelningen längs en tunnel. Sträckan för köldinträngningen (X0) beror bland annat av lufttemperaturen utanför tunneln (T0) och bergets temperatur (TB). I
slutrapporten presenteras ett flertal diagram som visar hur sträckan för köldinträngningen varierar. I Figur 1.1b visas ett exempel på dessa diagram som gäller för den lägre belägna tunnelmynningen för en lutande tunnel.
a) b)
Figur 1.1 a) Temperaturfördelning längs en tunnel (Sandberg m.fl., 2002)
b) Köldinträngning vid den lägre belägna tunnelmynningen för en lutande tunnel (Sandberg m.fl., 2002)
1.3 Syfte
Flera projekt genom Trafikverket och BeFo:s1 försorg pågår med det övergripande syftet att kartlägga behovet av underhåll i gamla, nya och framtida bergtunnlar. Detta görs för att utveckla tekniker och metoder för att minska och effektivisera underhållet och därmed förhindra trafikstörningar, minska skador på fordon och installationer etc. som frysning och nedisning orsakar.
En del i det arbete som krävs för att i slutändan kunna minska nödvändigt underhåll orsakat av nedisning och sönderfrysning, är att erhålla kunskap och data för stöd vid dimensionering av det bärande huvudsystemet, dräner och andra installationer i samband med både
underhåll/renovering och nyproduktion av tunnlar.
Detta projekt syftar bland annat till att genom temperaturmätning i tunnlar verifiera den temperaturmodell som tidigare framtagits i laboratorieskala samt analysera de verkliga temperaturförhållandena längs tunneln. Därmed fås trovärdig information för att kunna bestämma temperaturförhållanden som underlag för dimensionering av dränsystem och det bärande huvudsystemet ur ett underhållsperspektiv.
1 BeFo – Stiftelsen Bergteknisk Forskning
200 300 400 -25 -20 -15 -10 -5 0 T =+3°CB T =+5°CB T =+8°CB X [ m ] 0 Utomhustemperatur T [°C]0 500 600
2
Fältförsök
2.1 Genomförande
Projektet har genomförts som en fältundersökning där temperaturer, lufthastigheter och lufttryck har mätts i och utanför tunneln längs givna mätsektioner. Mätningar registreras var 10:e minut och lagras i logger som regelbundet laddas ned manuellt via nätet till Trafikverket. Mätresultat har redovisats regelbundet i statusrapporter. För de mätstationer som sitter i spårtunneln kan en programslinga aktiveras, som loggar mätvärden varje/varannan sekund. De värden som lagras är lufttemperatur, vindhastighet och lufttryck. Mätvärdena används för att studera vad som händer i tunnelluften när ett tåg passerar genom tunneln.
Utformningen och konfigurationen av mätsystemet har utvecklats utifrån möjligheten att studera effekten av de olika fenomen som huvudsakligen tros påverka temperaturflöden i en bergtunnel, luftflöden orsakade av:
tunnelns utformning (lutning) tåg som körs genom tunneln
vind och vindriktning utanför tunneln.
2.2 Tunnelobjekt
För att öka förståelsen och för att validera de modeller som tagits fram, utförs nu fullskaleförsök genom fältmätningar i några befintliga järnvägstunnlar. På våren 2006 installerades det första mätsystemet i Åsatunneln, 5 mil söder om Göteborg, och under slutet av år 2006 installerades det andra mätsystemet i Glödbergstunneln vid Nyåker, 8 mil sydväst om Umeå.
Mätningarna i Glödberget inleddes 2007-02-24 och denna rapport behandlar endast Glödbergstunneln (Figur 2.1a). Resultaten från mätningarna i Åsatunneln redovisas i en separat statusrapport (Andrén, 2008).
a) b)
Figur 2.1 a) Den södra mynningen vid Glödbergstunneln
b) Karta över järnvägsnätet mellan Örnsköldsvik och Umeå med Glödbergstunneln vid Nyåker markerad
Glödbergstunneln är en enkelspårstunnel med längden 1680 m som ligger nära Nyåker, 8 mil sydväst om Umeå (Figur 2.1b) på bandel 129. Södra mynningen ligger på sektion km
816+160 och norra mynningen ligger på km 817+840. Tunneln lutar från den södra
mynningen ned mot den norra mynningen och höjdskillnaden är 21 m, vilket ger en lutning på 12,5 ‰. Tunneln består av betongtunnel mellan km 816+160 till km 816+220. Därefter är det bergtunnel fram till km 817+570 och tunneln avslutas med betongtunnel mellan km 817+570 till km 817+840. Tunnelns höjd är 7,2 m ovan RUK och bredden är 8 m.
2.3 Placering av mätutrustning
Den mätutrustning som finns installerad i Glödbergtunneln mäter luft-, yt- och
bergtemperaturer, vindhastigheter samt lufttryck. Lufttemperatur mäts ca 10-20 cm från tunnelväggen, yttemperatur sitter installerad på tunnelväggen och bergtemperatur sitter installerad i borrhål som i Glödberget finns på två djup, 10 respektive 50 cm (Figur 2.2).
Figur 2.2 Placering av temperaturgivare på och i tunnelvägg
10-20 cm 10 cm
En klimatstation finns uppsatt strax utanför tunnelns södra mynning. Där mäts lufttemperatur, vindhastighet, vindriktning och luftfuktighet.
I spårtunneln sitter luft- och yttemperaturgivare installerade i nio sektioner längs
tunnelsträckningen. Bergtemperatur mäts i fyra sektioner längs tunneln, vindhastighet mäts i tre sektioner och lufttryck mäts i två sektioner. I Glödberget görs även temperaturmätning ned i ballasten på 0,5 m, 1 m och 2 m djup i två sektioner, temperaturmätning bakom en
frostisolerad dränmatta samt mätning av luft- och yttemperatur i den intilliggande
servicetunneln. Instrument och placering i tunneln är sammanställd i Tabell 2.1, Tabell 2.2 och Figur 2.3.
Tabell 2.1 Placering av temperaturgivare för luft-, yt- och bergtemperatur
Sektion Luft Yta 10 och 50 cm
in i berg I ballast Södra mätstationen 50 m in från söder 816 X X 100 m in från söder 816 X X 200 m in från söder 816 X X X 300 m in från söder 816 X X X X Mittersta mätstationen Servicetunnel 816 X X Bakom drän 816 99 X Tunnelmitt 840 m 817 X X X X Norra mätstationen 300 m in från norr 817 54 X X X 200 m in från norr 817 64 X X 100 m in från norr 817 74 X X 50 m in från norr 817 79 X X
Tabell 2.2 Placering av mätare för tryck och vindhastighet
Sektion Vindhastighet Tryck
10 m in från söder 816 170 X
150 m in från söder 816 310 X
Mitten av tunneln 817 000 X
150 m in från norr 817 690 X
2.4 Installation av mätutrustning
2.4.1 Förberedelser
Den 5 december 2006 började PEAB förbereda för installation av de temperaturgivare som skulle placeras i berg. Två borrhål (10 respektive 50 cm djupt) borrades i fyra sektioner i tunneln enligt Tabell 2.1. I sektion km 816+985 skedde borrning genom sprutbetong och dränmatta, för montering av temperaturgivare bakom en isolerad dräneringsmatta. PEAB ansvarade även för grundläggning av fundament och montering av en 10 m hög fackverksmast för en klimatstation. Fundamentet och masten installerades den 7 december 2006 (Figur 2.4).
Figur 2.4 Mast för klimatstation vid södra mynningen
2.4.2 Installation av temperaturgivare
Samtliga temperaturgivare installerades av Banverket Produktion Tele i Vännäs.
Temperaturgivarna för luft-, yt- och bergtemperatur placerades i sektioner enligt Tabell 2.1. I Figur 2.5 visas hur temperaturgivarna är monterade på bergväggen samt på handledaren. Handledare sitter ca 1,2 m över gångbanans yta och ca 20 cm ut från tunnelväggen.
Figur 2.5 Montering av temperaturgivare (km 816+460). Givare är installerade på handledare (ca 20 cm från bergytan, på bergytan och 10 cm respektive 50 cm in i berget)
Temperaturgivare installerades även bakom en frostisolerad dränmatta i sektion km 816+990. Detta gjordes för att kontrollera temperaturskillnaden mellan luften i spårtunneln och luft uppvärmd av bergvärmen bakom en drän (Figur 2.6a). För att få ytterligare information avseende luftrörelsernas inverkan på temperaturen, så utfördes temperaturmätning av yt- och lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln (Figur 2.6b). Ingången till servicetunneln ligger på sektion km 816+960 och servicetunneln har stängda portar i båda ändar. Detta leder till att luftrörelserna i servicetunneln är blockerade till skillnad från luftrörelserna i
spårtunneln.
Yttemperatur Bergtemperatur 10
Lufttemperatur
Bergtemperatur 50 cm
a) b)
Figur 2.6 a) Montering av temperaturgivare bakom drän (km 816+990)
b) Montering av temperaturgivare i servicetunnel med ingång från mitten av spårtunneln
2.4.3 Installation av temperaturgivare i ballast
Installation av temperaturgivare i ballast utfördes den 12 december 2006. Ansvarig för monteringen av temperaturgivarna ned i ballasten var Banverket Projektering i Luleå. Temperaturgivarna monterades i två mätsektioner km 816+460 (300 m in från södra mynningen) och km 816+995 (i mitten av tunneln) enligt Tabell 2.1 och installerades på nivåerna 0,5 m, 1 m och 2 m djup under RUK. Dessa givare placerades i spårmitt, för att på bästa sätt klara eventuella spårjusteringar.
Borrning i ballasten skedde med borrbandvagn (Geotech 604D årsmodell 2000 med foderrör ODEX 90 mm) ned till nivån 2 m under RUK. Därefter sänktes temperaturgivarna ned i foderröret (Figur 2.7) och röret fylldes med filtersand. Efter installationen drogs foderröret upp och montering av kablar i skyddsrör skedde på sliper, under räl och genom kabelränna på högersida, för att sedan anslutas till mätskåpen på tunnelns högra vägg (Figur 2.8).
Figur 2.7 Borrning i spårmitt (km 816+460) samt nedsänkning av temperaturgivare
Figur 2.8 Genomföring kabelränna vid km 816+995 – fotograferat från norr mot
söder
2.4.4 Installation av klimatstation
På den mast som finns monterad utanför den södra tunnelmynningen finns en klimatstation installerad. Här mäts vindhastighet, vindriktning, lufttemperatur och luftfuktighet.
Vindhastighet och vindriktning mäts i mastens topp, som är belägen 10 m ovanför markytan. Lufttemperatur och luftfuktighet mäts ca 1,5 m ovan markyta och utrustningen sitter monterad i ett strålningsskydd, som skyddar mot direkt solstrålning och nederbörd (Figur 2.9).
a b
Figur 2.9 a) Mätare för vindhastighet och vindriktning
b) Mätare för temperatur och luftfuktighet
2.4.5 Installation av vindmätare och lufttryck i spårtunneln
Vindhastigheten mäts i tre sektioner längs spårtunneln enligt Tabell 3.2. Vindmätarna är placerade på en stålställning ca 2,5 m över RÖK och sitter ca 30 cm ut från tunnelväggen (Figur 2.10).
Det finns fyra mätskåp installerade vid Glödbergstunneln (Figur 2.11) . Ett för varje mätstation inne i spårtunneln och ett i teknikhuset utanför södra mynningen, som sköter mätvärdena från masten. I det norra och södra skåpet i spårtunneln sitter även en tryckmätare monterad.
Figur 2.11 Mätskåp i tunneln (km 816+310)
3
Resultat
Mätningarna startades 2007-02-24. De flesta diagram i denna rapport redovisar mätningar mellan datumen 2007-10-01 till 2008-06-01 samt 2008-10-01 till 2009-06-01, för att framförallt analysera och redovisa hela vinterperioder. Mätningarna pågår fortfarande och vissa övergripande diagram visar mätresultat som sträcker sig förbi de ovanstående mätperioderna.
3.1 Temperaturmätningar längs tunneln
3.1.1 Temperaturmätningar sedan start
Temperaturer har mätts i nio sektioner in längs tunneln (Tabell 2.1) och nedan redovisas utvalda mätserier från mätdatabasen under perioden 2007-02-24 till 2010-02-24. I Figur 3.1 visas lufttemperaturmätningarna och i Figur 3.2 visas mätresultat av yttemperatur. De enskilda mätserierna är svåra att urskilja i diagrammen, men de ger en bild av hur temperaturen varierat över åren. De visar att temperaturerna var lägre under vintern
2008/2009 än 2007/2008 samt att det var längre perioder med varaktig temperatur under 0 C. Vintern 2009/2010 visar ännu lägre temperaturer.
Figur 3.1 Lufttemperaturer i Glödbergtunneln från 2007-02-24 till 2010-02-24 Lufttemperatur längs tunneln -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 07 -02 -24 07 -04 -24 07 -06 -24 07 -08 -24 07 -10 -24 07 -12 -24 08 -02 -24 08 -04 -24 08 -06 -24 08 -08 -24 08 -10 -24 08 -12 -24 09 -02 -24 09 -04 -24 09 -06 -24 09 -08 -24 09 -10 -24 09 -12 -24 10 -02 -24 Datum Dy g n sm ed el te m p e ra tu r
Temperatur utanför tunneln Lufttemp 50 m in km 816+210 Lufttemp 100 m in km 816+264 Lufttemp 200 m in km 816+364 Lufttemp 300 m in km 816+458 Lufttemp mitten 840 m in km 816+995 Lufttemp 300 m in km 817+540 Lufttemp 200 m in km 817+640 Lufttemp 100 m in km 817+740 Lufttemp 50 m in km 817+790 Yttemperatur längs tunneln -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 07-0 2 -2 4 07-0 5 -2 4 07-0 8 -2 4 07-1 1 -2 4 08-0 2 -2 4 08-0 5 -2 4 08-0 8 -2 4 08-1 1 -2 4 09-0 2 -2 4 09-0 5 -2 4 09-0 8 -2 4 09-1 1 -2 4 10-0 2 -2 4 Datum Dygns m e delt emper a tur
Temperatur utanför tunneln Yttemp 50 m in km 816+210 Yttemp 100 m in km 816+264 Yttemp 200 m in km 816+364 Yttemp 300 m in km 816+458 Yttemp mitt km 816+995 Yttemp 300 m in km 817+540 Yttemp 200 m in km 817+640 Yttemp 100 m in km 817+740 Yttemp 50 m in km 817+790
3.1.2 Lufttemperaturer i tunnelns längdsektion
I Figur 3.3 visas lufttemperaturen vid de olika mätstationerna in längs tunneln under några dagar i mars 2009. Till vänster ligger den södra tunnelmynningen och till höger ligger den norra mynningen. Tunnelns längd är 1680 m lång och finns angiven på x-axeln. Den
temperatur som anges vid de båda mynningarna är den temperatur som har mätts vid masten utanför den södra mynningen.
Figur 3.3 Lufttemperatur in längs Glödbergtunneln under några dagar i mars 2009
De hittills utförda mätningarna visar att kylan tränger längre in i tunnlarna än tidigare antaganden. I Figur 3.3 visar mätningarna att trots att tunneln är 1680 m lång, sker en köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln. Kylan tränger in längre från den lägre belägna mynningen som är den norra. Norra mynningen ligger 21 m lägre än den södra mynningen och den av bergmassan uppvärmda tunnelluften stiger uppåt mot den södra tunnelmynningen (vänster sida i diagrammet).
3.2 Bergtemperaturer
Bergtemperatur har mätts i fyra sektioner längs tunneln. I efterföljande diagram visas luft-, yt- och bergtemperaturer (10 cm respektive 50 cm in i berget) för de fyra sektionerna vid de två vinterperioderna 2007/2008 och 2008/2009.
Vid sektion 200 m in från södra mynningen visar troligtvis temperaturgivaren vid 50 cm in i berget ca 5 C fel, men då givaren är ingjuten kan inte kalibrering ske i efterhand. En manuell
Lufttemperatur längs Glödbergstunneln -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Antal meter in längs tunneln (södra mynningen till vänster)
Dy gnsmedel te m pe rat u r 2009-03-20 2009-03-21 2009-03-22 2009-03-23 2009-03-24 2009-03-25 2009-03-26
justering har gjorts genom att addera 5 C till samtliga mätvärden för den aktuella
temperaturgivaren. I Figur 3.4 och Figur 3.5 visas de justerade mätvärdena för denna givare. I vissa figurer visar mätningarna avbrott i mätserierna och orsaken är oftast problem i loggern och kommunikationen med Trafikverket. Mätdata saknas vid den södra mätstationen mellan följande datum, 2008-04-09 till 2008-05-08, 2009-05-08 till 2009-05-27. För den mittersta mätstationen saknas mätdata för perioden 2009-04-24 till 2009-05-17. För den norra mätstationen saknas mätdata för perioden 2009-05-08 till 2009-05-23.
Temperaturmätningarna visar att berget fryses ned relativt snabbt även vid 50 cm in i berget vid relativt små temperatursänkningar av tunnelluften. På motsvarande sätt tinar även bergmassan upp snabbt när temperaturen höjs över 0 C.
Figur 3.4 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 200 m in från södra mynningen under
perioden 2007-10-01 till 2008-06-01 – OBS justerad bergtemperatur vid 50 cm
Temperaturer in i berg vid 200 m in från södra mynningen
-10 -5 0 5 10 15 07 -1 0-01 07 -1 1-01 07 -1 2-01 08 -0 1-01 08 -0 2-01 08 -0 3-01 08 -0 4-01 08 -0 5-01 08 -0 6-01 Datum Dy g n sm e d el te m p e rat u r Lufttemp 200 m in km 816+364 Yttemp 200 m in km 816+364
Figur 3.5 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 200 m in från södra mynningen under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01 – OBS justerad bergtemperatur vid 50 cm
Figur 3.6 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 300 m in från södra mynningen under
perioden 2007-10-01 till 2008-06-01
Temperaturer in i berg vid 200 m in från södra mynningen 2008/2009
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 08 -1 0 -01 08 -1 1 -01 08 -1 2 -01 09 -0 1 -01 09 -0 2 -01 09 -0 3 -01 09 -0 4 -01 09 -0 5 -01 09 -0 6 -01 Datum D y gnsm e de lte m pe ra tur Lufttemp 200 m in km 816+364 Yttemp 200 m in km 816+364
Bergtemp 10 cm, 200 m in km 816+364 Justerad Bergtemp 50 cm, 200 m in km 816+364
Temperaturer in i berg vid 300 m in från södra mynningen
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 07-10-01 07-11-01 07-12-01 08-01-01 08-02-01 08-03-01 08-04-01 08-05-01 08-06-01 Datum D y g n sme de lt emp erat u r Lufttemp 300 m in km 816+458 Yttemp 300 m in km 816+458 Bergtemp 10 cm, 300 m in km 816+458 Bergtemp 50 cm, 300 m in km 816+458
Figur 3.7 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 300 m in från södra mynningen under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01
Temperaturer in i berg vid 300 m in från södra mynningen 2008/2009
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 08- 10-01 08- 11-01 08- 12-01 09- 01-01 09- 02-01 09- 03-01 09- 04-01 09- 05-01 09- 06-01 Datum D y g n sm ed elt e m p er at u r Lufttemp 300 m in km 816+458 Yttemp 300 m in km 816+458 Bergtemp 10 cm, 300 m in km 816+458 Bergtemp 50 cm, 300 m in km 816+458
Temperaturer in i berg vid mittersta mätstationen
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 07-10 -0 1 07-11 -0 1 07-12 -0 1 08-01 -0 1 08-02 -0 1 08-03 -0 1 08-04 -0 1 08-05 -0 1 08-06 -0 1 Datum Dy g n s mede lt empe rat ur
Figur 3.9 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid mitten av tunneln under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01
I Figur 3.10 visar mätningarna ett avbrott i mätserien för yttemperaturen kring mitten av februari. Orsaken var ett kabelbrott, vilket inte uppmärksammades i tid. Ny kabel installerades i mitten av december 2008.
Figur 3.10 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 300 m in från norra mynningen under perioden 2007-10-01 till 2008-06-01
Temperaturer in i berg vid mittersta mätstationen 2008/2009
-12 -8 -4 0 4 8 12 08 -1 0 -01 08 -1 1 -01 08 -1 2 -01 09 -0 1 -01 09 -0 2 -01 09 -0 3 -01 09 -0 4 -01 09 -0 5 -01 09 -0 6 -01 Datum D y gnsmede lt emper a tu r
Lufttemp mitt km 816+995 Yttemp mitt km 816+995 Bergtemp 10 cm, mitt km 816+995 Bergtemp 50 cm, mitt km 816+995
Temperaturer in i berg vid 300 m in från norra mynningen
-15 -10 -5 0 5 10 0 7 -1 0-01 0 7 -1 1-01 0 7 -1 2-01 0 8 -0 1-01 0 8 -0 2-01 0 8 -0 3-01 0 8 -0 4-01 0 8 -0 5-01 0 8 -0 6-01 Datum Dy gns mede lt emp e ra tur Lufttemp 300 m in km 817+540 Yttemp 300 m in km 817+540 Bergtemp 10 cm, 300 m in km 817+540 Bergtemp 50 cm, 300 m in km 817+540
Figur 3.11 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 300 m in från norra mynningen under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01
3.3 Temperaturer bakom drän
I mitten av spårtunneln finns en temperaturgivare installerad bakom en frostisolerad drän. Dränen består av dubbla PE-mattor och har en total tjocklek på 140 mm. Dränen är sprutad med tre lager sprutbetong med en total tjocklek på 80 mm. I Figur 3.12 jämförs temperaturen bakom dränen dels med lufttemperaturer utanför tunneln, dels med lufttemperaturen i mitten av spårtunneln. Mätningarna visar att den isolerade dränen klarar av att jämna ut de
temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen och att området bakom dränen är ofruset under vintern 2007/2008. Dock sjunker temperaturen ständigt bakom dränen under hela köldperiodens längd. Det är osäkert ifall dränen klarar av att hålla temperaturen över fryspunkten när temperaturen i tunnelluften är negativ under en längre sammanhållande tidsperiod.
Temperaturer in i berg vid 300 m in från norra mynningen 2008/2009
-20 -15 -10 -5 0 5 10 08 -1 0-01 08 -1 1-01 08 -1 2-01 09 -0 1-01 09 -0 2-01 09 -0 3-01 09 -0 4-01 09 -0 5-01 09 -0 6-01 Datum Dy gn sm ed el te m p erat u r Lufttemp 300 m in km 817+540 Yttemp 300 m in km 817+540 Bergtemp 10 cm, 300 m in km 817+540 Bergtemp 50 cm, 300 m in km 817+540
Figur 3.12 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 2007-10-01 till 2008-06-01
I Figur 3.13 visas de inledande mätningarna som startades i februari 2007. Temperaturen bakom dränen började registreras 2007-02-24 och låg då under 0 C. Mätningarna av
lufttemperaturen utanför tunneln påbörjades 20070222 och visar att temperaturen låg under -22 C. Utetemperaturen hade då varit relativt låg under en längre period, vilket lett till att temperaturen bakom dränen sjunkit under 0 C.
Figur 3.13 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och tunnelluftens temperatur under perioden 2007-02-22 till 2007-06-01
Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergtunneln
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 07 -10-01 07 -11-01 07 -12-01 08 -01-01 08 -02-01 08 -03-01 08 -04-01 08 -05-01 08 -06-01 Datum Lu ft te m p e ratu r ( d yg nsm e del )
Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitten 840 m in km 816+995 Temp bakom drän mitt km 816+985
Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergtunneln
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 07 -02-22 07 -03-01 07 -03-08 07 -03-15 07 -03-22 07 -03-29 07 -04-05 07 -04-12 07 -04-19 07 -04-26 07 -05-03 07 -05-10 07 -05-17 07 -05-24 07 -05-31 Datum Luf tt e m pe ra tu r ( d y gns m e de l)
Under vinterperioden 2008/2009 var temperaturen bakom dränen vid ett fåtal dagar under 0 C. Denna situation uppstod i slutet av februari 2008, då temperaturen i tunneln under en längre tidsperiod legat under 0 C, se Figur 3.14.
Figur 3.14 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och tunnelluftens temperatur under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01
3.4 Temperaturer i servicetunneln
I mitten av spårtunneln finns en ingång till den intilliggande servicetunneln och ca 10 m in i servicetunneln finns temperaturgivare för luft- och yttemperatur installerade. Servicetunneln är stängd med portar mot både ute- och tunnelluft, vilket leder till att luften i servicetunneln inte utsätts för rörelser på samma sätt som luften i spårtunneln. Mätningarna visar att temperaturen i servicetunneln nästan inte alls varierar över året, utan ligger kring 2-3 C oavsett temperatur utanför tunneln. Detta motsvarar bergets normaltemperatur och det sammanfaller oftast men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen. Enligt SMHI:s årsmedeltemperaturkarta (se Bilaga 1) ligger årsmedel mellan 2-3 C i det område där tunneln är lokaliserad, vilket stämmer bra överens med de utförda
mätningarna.
Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergtunneln 2008/2009
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 8 -10-01 0 8 -11-01 0 8 -12-01 0 9 -01-01 0 9 -02-01 0 9 -03-01 0 9 -04-01 0 9 -05-01 0 9 -06-01 Datum Luft te m pe ra tu r (dygn s medel )
Figur 3.15 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med
uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 2007-10-01 till 2008-06-01
Figur 3.16 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med
uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 2007-10-01 till 2008-06-01
Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 07- 10-01 07- 11-01 07- 12-01 08- 01-01 08- 02-01 08- 03-01 08- 04-01 08- 05-01 08- 06-01 Datum L u ftte mp e ra tu r (d y g n s me d e l)
Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitten 840 m in km 816+995 Lufttemp servicetunnel mitt km 816+960
Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln 2008/2009
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 08- 10-01 08- 11-01 08- 12-01 09- 01-01 09- 02-01 09- 03-01 09- 04-01 09- 05-01 09- 06-01 Datum L u ft te mp er a tur (d yg ns me de l)
I Figur 3.17 visas tydligt hur temperaturen konstant ligger kring 2-3 C trots att vinterperioderna blir kallare och kallare vartefter mätningen fortgår.
Figur 3.17 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med
uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under hela mätperioden 2007-02-24 till 2010-02-24
3.5 Temperaturer i ballast
Temperaturer har mätts ned i ballasten i två sektioner i spårtunneln, dels 300 m in från den södra mynningen och dels i mitten av tunneln. I Figur 3.18 och Figur 3.19 visas hur
temperaturen på 2 m djup är relativt opåverkad av utetemperaturen samt lufttemperaturen vid 300 m in från mynningen, medan temperaturen på 0,5 m och 1 m djup tydligare följer
temperatursvängningarna i lufttemperaturen. Temperaturen vid dessa nivåer är ibland under 0 C.
I Figur 3.20 är samtliga temperaturkurvor i ballasten relativt opåverkade av svängningarna i lufttemperaturen ovanför ballasten och ingen av givarna visar under 0 C trots att
lufttemperaturen i mitten av tunneln ibland går ned mot -4 C.
I Figur 3.21 visar givaren på 0,5 m djup att temperaturen är under 0 C för en längre tidsperiod, men på 1,0 m djup är temperaturen aldrig under 0 C.
Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 7 -02-24 0 7 -05-24 0 7 -08-24 0 7 -11-24 0 8 -02-24 0 8 -05-24 0 8 -08-24 0 8 -11-24 0 9 -02-24 0 9 -05-24 0 9 -08-24 0 9 -11-24 1 0 -02-24 Datum Luf tt empe ra tu r ( d ygns mede l)
Figur 3.18 Temperatur i ballasten 300 m in från södra mynningen i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen vid aktuell sektion under perioden 2007-10-01 till 2008-06-01
Figur 3.19 Temperatur i ballasten 300 m in från södra mynningen i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen vid aktuell sektion under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01
Temperatur ned i ballasten 300 m in från södra mynningen i Glödbergstunneln
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 07- 10-01 07- 11-01 07- 12-01 08- 01-01 08- 02-01 08- 03-01 08- 04-01 08- 05-01 08- 06-01 Datum Te mp er atur (dy gns me del )
Temperatur utanför tunneln Lufttemp 300 m in km 816+458 Temp i ballast 0,5 m, 300 m in km 816+458 Temp i ballast 1,0 m, 300 m in km 816+458 Temp i ballast 2,0 m, 300 m in km 816+458
Temperatur ned i ballasten 300 m in från södra mynningen i Glödbergstunneln 2008/2009
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01 Datum Temperatu r ( d ygn s m e d e l)
Temperatur utanför tunneln Lufttemp 300 m in km 816+458 Temp i ballast 0,5 m, 300 m in km 816+458 Temp i ballast 1,0 m, 300 m in km 816+458 Temp i ballast 2,0 m, 300 m in km 816+458
Figur 3.20 Temperatur i ballasten i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 2007-10-01 till 2008-06-01
Figur 3.21 Temperatur i ballasten i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens
Temperatur ned i ballasten i mitten av Glödbergstunneln
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 07 -1 0-01 07 -1 1-01 07 -1 2-01 08 -0 1-01 08 -0 2-01 08 -0 3-01 08 -0 4-01 08 -0 5-01 08 -0 6-01 Datum Te mpe rat ur (dy gns mede l)
Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitten 840 m in km 816+995 Temp i ballast 0,5 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 1,0 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 2,0 m, mitt km 816+995
Temperatur ned i ballasten i mitten av Glödbergstunneln 2008/2009
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 08- 10-01 08- 11-01 08- 12-01 09- 01-01 09- 02-01 09- 03-01 09- 04-01 09- 05-01 09- 06-01 Datum T e mp er at u r ( d ygn s medel )
Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Temp i ballast 0,5 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 1,0 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 2,0 m, mitt km 816+995
3.6 Vindhastighet i och utanför tunneln
I Figur 3.22 och Figur 3.23 visas vindhastigheten i och utanför tunneln. I början av mätperioden saknas mätvärden från den södra vindmätaren i tunneln. Det berodde på ett kabelbrott som inte uppmärksammades i tid. Mätresultaten mellan den 04-09 till 2008-10-29 har justerats i nedanstående diagram, på grund av att det mätprogram som laddades ned under den perioden gav felaktiga värden. Justeringen bestod i att mätvärden dividerades med 2, då det felande mätprogrammet gav ökade värden med en faktor 2.
Mätningarna visar att toppar och dalar för de olika mätserierna följer varandra till viss del, men att vindhastigheten utanför tunneln inte nämnvärt påverkar vindhastigheten i tunneln. Vindhastigheten är lägre i den mittersta delen av tunneln (grön kurva), än vid mynningarna och den högsta vindhastigheten uppstår vid den södra mätstationen (rosa kurva). Att det är högst vindhastighet vid den södra mätstationen kan bero på att den ligger vid den högre belägna mynningen. Hit stiger den varma luften vilket orsakar mer luftrörelser än i den lägre belägna mynningen (blå kurva).
Figur 3.22 Vindhastighet i och utanför tunneln under perioden 2007-02-22 till 2008-10-29 (vindhastighet justerad från 2008-04-09 till 2008-11-29)
Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln
0 1 2 3 4 5 6 7 8 07-02-22 07-04-22 07-06-22 07-08-22 07-10-22 07-12-22 08-02-22 08-04-22 08-06-22 08-08-22 08-10-22 Datum V indh asti ghe t m /s
Figur 3.23 Vindhastighet i och utanför tunneln under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01 (vindhastighet justerad fram till 2008-11-29)
3.7 Vindriktning utanför tunneln
I Figur 3.24 visas dominerande vindriktningar vid Glödbergtunneln: De utgörs dels av sydliga vindar som ligger mellan 160-180, dels nordvästliga mellan 280-320.
Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln 2008/2009
0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 08 -1 0-0 1 08 -1 1-0 1 08 -1 2-0 1 09 -0 1-0 1 09 -0 2-0 1 09 -0 3-0 1 09 -0 4-0 1 09 -0 5-0 1 09 -0 6-0 1 Datum V indha stighe t m/ s
Vindhastighet utanför tunneln Vindhastighet söder km 816+170 Vindhastighet mitt km 817+000 Vindhastighet norr km 817+830
Dominerande vindriktning Glödberget
360 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330340 350 Dominerande vindriktning Tunnelns sträckning
I diagrammet finns även tunnelns sträckning i förhållande till norr inritad.
Tunnelmynningarna ligger 43 och 223 från norr och då dominerande vindriktning inte ligger i tunnelns sträckning så påverkas inte luftrörelserna i tunnelluften till någon större del av vinden. Vid de få tillfällen då vindriktningen sammanfaller med någon av
tunnelmynningarnas riktning, fås en liten ökning av vindhastigheten vid mätstationen för aktuell mynning. Men det ger inte någon påverkan genom hela tunneln.
3.8 Mätningar vid tågpassage
För de mätstationer som sitter i spårtunneln kan en programslinga aktiveras, som loggar mätvärden varje/var tredje sekund. De värden som lagras är lufttemperatur, vindhastighet och lufttryck. Programslingan startas manuellt från Trafikverket och används för att studera vad som händer i tunnelluften när ett tåg passerar genom tunneln. Nedan redovisas den mätserie från 2010-01-28. Under mätserien passerade fyra tåg, enligt Tabell 3.1.
Tabell 3.1 Tåg i Glödbergstunneln 2010-01-28
Kl Tågnr Tågslag Riktning Vikt Längd
ca 08:00 9126 Godståg Norrgående 913 t 570 m ca 08:35 43730 Godståg Norrgående 682 t 610 m ca 09:00 9115 Godståg Södergående 2502 t 378 m ca 09:30 43010 Godståg Norrgående 790 t 295 m
I Figur 3.25 visas mätstationernas ungefärliga placering i tunnel samt vilken riktning tågpassage sker i tunneln vid norr- respektive södergående tåg. Figuren visar även att den södra mynningen är den högt belägna mynningen och därför stiger den uppvärmda tunnelluften mot söder.
Figur 3.25 Mätstationernas placering och riktningsangivelse för söder- respektive norrgående tåg
Den tredje tågpassagen i tunneln (ca 09:00) skiljer sig från de andra då detta tåg är
södergående istället för norrgående. Detta tåg var även mycket tyngre än de andra och hade troligtvis lägre hastighet, därav uppstod mindre störning på vindlaster och tryck (se Figur 3.26, Figur 3.27 och Figur 3.28).
Figur 3.26 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Södra mätstationen 2010-01-28
Vid den södra mätstationen sänks temperaturen vid tågpassage för de norrgående tågen, medan det för det södergående tåget nästan inte sker någon temperaturförändring alls (Figur 3.26). Faktum är att tunnelluften vid den södra delen av tunneln är varmare än både uteluften och tunnelluften i den norra änden (jämför ”normaltemperaturen” ca - 5 C i Figur 3.26 med ca - 12 C i Figur 3.27), eftersom den södra tunnelmynningen ligger högre än den norra mynningen och den varma luften stiger uppåt på grund av ”skorstenseffekten”. Orsaken till temperatursänkningen vid de norrgående tågen är att de drar med sig kall uteluft när de kör in i den södra tunnelmynningen. För de södergående tågen hinner den kalla uteluften från norr blanda sig med den varmare tunnelluften längs hela tunneln. Så när tåget passerar den södra mätstationen, strax innan tåget passerar ut ur tunneln, är lufttemperaturen relativt nära tunnelluftens temperatur.
Södra stationen Glödberget 2010-01-28
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 07 :4 6: 00 08 :0 1: 00 08 :1 6: 00 08 :3 1: 00 08 :4 6: 00 09 :0 1: 00 09 :1 6: 00 09 :3 1: 00 Tid Te m p e ratu r ( C ) / Vi n d h a s tig h e t ( m /s ) 930 940 950 960 970 980 990 Luf ttr yc k (h P a )
Lufttemp 50 m in km 816+210 Lufttemp 100 m in km 816+264 Lufttemp 200 m in km 816+364 Lufttemp 300 m in km 816+458 Vindhastighet km 816+170 Lufttryck
Figur 3.27 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Norra mätstationen 2010-01-28
Vid den norra mätstationen höjs istället temperaturen vid tågpassage, speciellt för de norrgående tågen. Det beror på att den varma tunnelluften som finns i tunnelns södra del trycks framför de norrgående tågen och ökar därmed temperaturen tillfälligt i tunnelns norra delar.
Det sker även en ökning av lufttemperaturen vid den mittersta mätstationen, men den är inte lika markant som vid den norra mätstationen (Figur 3.28). Här sker troligtvis en omrörning av tunnelluften i mätsektionen vid tågpassagen, vilket leder till ökade temperaturer.
Norra stationen Glödberget 2010-01-28
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 07 :4 6: 00 08 :0 1: 00 08 :1 6: 00 08 :3 1: 00 08 :4 6: 00 09 :0 1: 00 09 :1 6: 00 09 :3 1: 00 Tid Te m p e ratu r ( C ) / Vi n d h a s tig h e t ( m /s ) 930 940 950 960 970 980 990 Luf ttr yc k (h P a )
Lufttemp 50 m in km 817+790 Lufttemp 100 m in km 817+740 Lufttemp 200 m in km 817+640 Lufttemp 300 m in km 817+540 Vindhastighet km 817+830 Lufttryck
Figur 3.28 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Mittersta mätstationen 2010-01-28
4
Analys och diskussion
4.1 Jämförelse med modellstudie
De hittills utförda mätningarna visar att kylan tränger längre in i tunnlarna än tidigare
antaganden. Mätningarna visar att trots att tunneln är 1680 m lång, sker köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln (Figur 4.1).
Mittersta stationen Glödberget 2010-01-28
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 07 :4 6: 00 08 :0 1: 00 08 :1 6: 00 08 :3 1: 00 08 :4 6: 00 09 :0 1: 00 09 :1 6: 00 09 :3 1: 00 Tid Te m p e ratu r ( C ) / Vi n d h a s tig h e t ( m /s )
Lufttemp mitt km 816+995 Vindhastighet km 816+995
Figur 4.1 Lufttemperatur in längs Glödbergtunneln i fem på varandra kalla dagar i mars 2008
Tunnelluften är varmast i den del av tunneln som ligger vid den högre belägna
tunnelmynningen. Det kan förklaras med ”skorstenseffekten” där den varma luften stiger uppåt. Detta har även visats i modellstudien (Sandberg m.fl., 2002) och i Figur 4.2 visas luftflödet för den tunnelkategori som motsvarar situationen i Glödberget, det vill säga Klass III där ΔH > 2H. ΔH är tunnelns totala höjdskillnad och H är tunnelsektionens höjd. I Glödbergets är ΔH = 21 m och H = 7,2 m.
Figur 4.2 Luftströmningsmönster för Klass III Fall D (Sandberg m.fl., 2002)
För att göra en enkel jämförelse med den tidigare utförda modellstudien så plockas den lägsta utetemperaturen från temperaturkurvan i Figur 4.1. Vid utetemperaturen -11 C och en bergtemperatur på +3 C (årsmedeltemperaturen för område där Glödbergstunneln ligger – se Bilaga 1) visar de streckade linjerna i Figur 4.3 att enligt modellstudien ska nollisotermen ligga på ca 490 m in från den lägre belägna tunnelmynningen för en lutande tunnel. I fältmätning visas dock att tunneln har negativa temperaturer i hela sin längd (Figur 4.1).
Lufttemperatur längs Glödbergstunneln - fem dagar med negativ temperatur
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Antal meter in längs tunneln (södra mynningen till vänster)
Dygnsme delt e mp er at ur 2008-03-01 2008-03-02 2008-03-03 2008-03-04 2008-03-05
Figur 4.3 Köldinträngning i Glödbergstunneln (modifierad från Sandberg m.fl., 2002)
En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer kan vara att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta, vilket kan vara en bidragande orsak till den längre
köldinträngningen. De frostisolerande dränernas funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör att kylan kan tränga längre in i tunneln än vad den skulle ha gjort i fall bergvärmen gavs möjlighet att värma upp den kalla uteluften på dess väg in längs tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, den så kallade täckningsgraden, påverkar sannolikt köldinträngningens längd.
4.2 Inverkan av dräner
Enligt BV Tunnel skall den lägsta temperaturen vid konstruktionens sida mot trafikutrymmet bestämmas med följande förutsättningar;
Tunnel med längd ≤ 1000 m skall dimensioneras för köldmängd med återkomsttid på 50 år.
Vid tunnel med en längd > 1000 m skall tunneldelar som är belägna på större avstånd än 500 m från tunnelöppning dimensioneras för medelköldmängd. Övriga tunneldelar skall dimensioneras för köldmängd med en återkomsttid på 50 år.
Temperaturdata för medelköldmängd och köldmängd med en återkomsttid på 50 år framgår av Tabell 4.1 och Bilaga 2.
200
300
400
-25
-20
-15
-10
-5
0
T =+3°C
BT =+5°C
BT =+8°C
BX
[
m
]
0Utomhustemperatur T [°C]
0500
600
Aktuella mätvärden från Figur 4.1 och Bilaga 1Tabell 4.1 Temperaturdata, enligt BV Tunnel
KLIMATZON 1 2 3 4 5 6
Nedkylnings- resp. uppvärmningstid (dagar) 10 15 20 30 25 30
Köldperiodens totala längd (dagar) 40 60 80 90 100 90
Lägsta temperatur vid köldmängd med
återkomsttid 50 år (C) -15 -15 -15 -16 -18 -22
Lägsta temperatur vid medelköldmängd (C) -6 -8 -9 -10 -12 -15
BV Tunnel anger att ovanstående förutsättningar skall tillämpas såvida inte riktigare värden kan påvisas i utredning. I utredningen skall beaktas att lufttemperaturen inuti tunneln påverkas av faktorer som läge, längd, lutning, höjdskillnad mellan tunnelmynningar och
ventilationsförhållanden samt de geografiska och meterologiska förhållandena. Den högsta temperaturen vid konstruktionens sida mot trafikutrymmet förutsätts vara +20 C oberoende av tunnelns geografiska läge. Antagande om temperaturer i omgivande jord och berg skall anges i dimensioneringsunderlaget.
Om man utgår från de givna förutsättningarna vid dimensionering enligt ovan och resultatet från den modellstudie som tidigare utförts (Sandberg m.fl., 2002) skulle resulterande köldinträngning för Glödbergstunneln bli enligt följande;
Lägsta temperaturvärdet för 50 år i klimatzon 4, -16C (enligt Tabell 4.1) Bergtemperatur: +3 C (enligt Bilaga 1)
Dessa förutsättningar medför, för att inte tillåta frysning, att den södra ändan isoleras från mynningen 200 m (säkerhetsavstånd, enligt Sandberg m.fl., 2002) och den norra ändan från mynningen och ca 550 meter in i tunneln, se Figur 1.1b.
Modellen är framtagen med syftet att identifiera tunnelavsnitt där lufttemperaturen varaktigt är under fryspunkten. I de tunnelavsnitt som under en länge varaktighet befinner sig under fryspunkten kan isolerande dräner behöva installeras för att förhindra isbildning. Vad man dessvärre inte tar hänsyn till i modellen är att isoleringen inte bara förhindrar berget att frysa men också berget att avge värme till tunneln. Konsekvensen av detta blir att kylan tillåts tränga betydligt längre in i tunneln.
I Glödberget är totalt ca 70 % av tunnelns tak och väggar klädda med 140 mm tjocka isolerande dräner. Dränerna är sedan täckta med ca 80 mm sprutbetong. Dränerna längs den 1680 meter långa tunneln är fördelade enligt;
Södra tredjedelen 20 % Mellersta tredjedelen 48 % Norra tredjedelen 2 %
Den lägre belägna norra tunnelmynningen och den norra tredjedelen av tunneln har mer eller mindre inga isolerade dräner installerats, varför detta avsnitt av tunneln är jämförbart med den
tidigare framtagna modellen. Enligt modellen skulle fryspunkten tränga in ca 490 meter vid en utetemperatur av -11 C, (se Figur 4.3), men enligt fältmätningen vid samma längdmätning i tunneln är lufttemperaturen ca -3 C, (se Figur 4.1). Modellen verkar överskatta
temperaturen med några grader.
Vindhastigheten som uppstår på grund av ”skorstenseffekten” i tunneln har en stor inverkan på köldinträngningen och i jämförelsen mellan fält och modell används fallet för en lutande tunnel som genererar störst vindhastighet (höjdskillnaden mellan tunnelmynningarna är >2H där H är tunnelsektionens höjd). I modellförsöken redovisar (Sandberg m.fl.) framtagna vindhastigeter för olika tunnellutningar och temperaturskillnader mellan berg och uteluft (T) som funktion av tunnellängd. För en tunnel med 10 ‰ lutning, T 16 C är vindhastigheten ca 1-1,2 m/s. Mätt vindhastighet, tio meter in från den norra mynningen i tunneln (vid samma T och med lutningen 12,5 ‰), varierar mellan ca 0,5 till 1,5 m/s (Figur 4.6 blå kurva), vilket stämmer bra överens med de vindhastigheter som redovisas i modellförsöksrapporten.
För att studera effekten av isolering i jämförelse med en icke isolerad tunnel har en enkel endimensionell effektbehovsberäkning, motsvarande värmeavgivningen, utförts för en tunnel med bredden 8 m och höjden 8 meter. Taket har en radie på 4 m. Effektbehovet är beräknat utifrån fasta lufttemperaturer i tunneln. Betong och isolering har förutsatt vara torra. Material och de termiska egenskaper som motsvarar de i Glödbergstunneln redovisas i Tabell 4.2. Den isolerade dränen har förenklats och har kontakt med berget över hela sin yta, alltså ingen konvektion. Resultatet redovisas i Figur 4.4. Det är tydligt att skillnaden i värmeavgivningen ökar med lägre temperatur. Minskning av värmeavgivningen från berget är ca 25 % när tunneln är isolerad.
Tabell 4.2 Termiska egenskaper
Material Termisk konduktivitet, λ
[W/mK] Tjocklek [m] Värmeövergångsmotstånd, α[m2K/W] L
Isolering 0,042 0,14
Sprutbetong 1,7 0,08
Luft 9,7
P = U × A × ΔT där P = Effektbehovet, i detta fall värmeavgivning
U = Värmegenomgångstal [W/m2K]
A = Omslutningsytornas area
ΔT = (Tberg – Tluft)
1/U= 1/αL + Ʃ d1/ λ1 + d2/ λ2 där αL = Värmeövergångstal [m2K/W]
λ1, λ2 = Termisk konduktivitet [ W/mK] isolering resp.
sprutbetong
Figur 4.4 Resultat från en förenklad effektbehovsberäkning motsvarande skillnad i värmeavgivning från berget till tunneln med isolering och utan isolering Detta medför naturligtvis att den framtagna modellen (Sandberg m.fl., 2002) inte är direkt relevant för isolerade eller delvis isolerade tunnlar. Kylan tränger betydligt mycket längre in i tunneln och i fallet Glödberget, genom hela tunnelns längd. För att bedöma köldinträngningen måste man ta hänsyn till täckningsgraden, det vill säga hur stora ytor av tunnelväggarna som är isolerade. Dessutom måste man ta hänsyn till isoleringens lokalisering i tunneln.
4.3 Köldinträngning bakom frostisolerad drän
Figur 3.12 visar temperaturen bakom den frostisolerade dränen i mitten av tunneln och hur den påverkas av lufttemperaturen i spårtunneln. Mätningarna visar att temperaturen bakom dränen håller sig över 0 C under vinterperioden 2007/2008 och att dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften. Det innebär att vattnet kan dräneras bort på ett korrekt sätt. Men temperaturen bakom dränen sjunker ständigt under hela köldperiodens längd. Det är oroväckande ur dränerings- och frostsprängningssynpunkt.
Under vinterperioden 2007/2008 var aldrig temperaturen i tunnelluften negativ under en längre sammanhållande tidsperiod. Då temperaturen bakom dränen sjunker ju längre köldperioden pågår, så är det osäkert ifall den frostisolerade dränen klarar av att hålla
temperaturen över fryspunkten om en sådan situation skulle uppstå. En indikation på en sådan situation visas i Figur 3.13 från de inledande mätningarna i februari 2007. Temperaturen bakom dränen låg vid den tidpunkten under 0 C, då temperaturer utanför tunneln hade legat under -20 C under en längre period.
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 -20 -15 -10 -5 0 Effekt [W] Lufttemperatur i tunneln [°C]
Värmeavgivning per meter tunnel, 8m x 8m
Effekt med isolering [W] Effekt utan isolering [W] Effektskillnad [W]
Under vinterperioden 2008/2009 var temperaturen i tunnelluften vid ett flertal tillfällen under 0 C och i slutet av februari 2008 hade tunnelluften negativa grader under en längre
tidsperiod, se Figur 3.14. Det gjorde att temperaturen bakom dränen vid ett fåtal dagar låg under 0 C. Med temperaturer under 0 C bakom dräner förhindras dräneringsmöjligheten på grund av isbildning och det kan orsaka frostsprängning av dränen.
4.4 Temperatur i servicetunneln
De mätningar av luft- och yttemperatur som har utförts i den intilliggande servicetunneln visar att när luften i en tunnel inte utsätts för rörelse, värms den upp av bergvärmen och antar samma temperatur som berget har. Bergtemperaturen brukar oftast sammanfalla men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen. SMHI har kartor som visar årsmedeltemperaturen över Sverige. För zonen kring Glödbergstunneln är
årsmedeltemperaturen mellan 2-3 C (se Bilaga 1), vilket stämmer mycket bra överens med de utförda mätningarna i servicetunneln. Lufttemperaturen i servicetunneln ligger hela året och pendlar runt 2-3 C trots att vinterperioderna blir kallare och kallare vartefter mätningen fortgår. I Figur 4.5 visas temperaturer för hela mätserien från 2007-02-24 till 2010-02-24.
Figur 4.5 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med
uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under hela mätperioden 2007-02-24 till 2010-02-24
4.5 Köldnedträngning i ballast
Mätningarna i ballasten visar att temperaturen inte tränger så långt ned, som man tidigare
Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 7 -02-24 0 7 -05-24 0 7 -08-24 0 7 -11-24 0 8 -02-24 0 8 -05-24 0 8 -08-24 0 8 -11-24 0 9 -02-24 0 9 -05-24 0 9 -08-24 0 9 -11-24 1 0 -02-24 Datum Luft tempe ra tu r (dygns mede l)
ledningar för exempelvis dräneringsvatten ska vara förlagda på frostfritt djup. Samma frostfria djup som gäller i mark utanför tunneln, har även använts för frostfritt läge i hela tunnelns längd.
I Figur 3.18 och Figur 3.19 visas att temperaturen endast korta perioder understiger 0 C på nivån 1,0 m under RUK vid 300 m in från södra tunnelmynningen och i mitten av tunneln är temperaturen aldrig under 0 C på nivån 1,0 m under RUK (Figur 3.20 och Figur 3.21). Det betyder att i mitten av tunneln kan bortdränering av vatten ske i en frostfri miljö även med en mindre undersprängning. Men det är inte bara att minska undersprängningens djup. Tunnelns lutning har stor betydelse för dräneringen och om lutningen på tunnelns botten ändras, på grund av ändrade undersprängningsdjup, så förändras givetvis dräneringsmöjligheterna. Om detta projekts resultat finns tillgängligt vid planering av nya tunnlar, kan
undersprängningsdjup och tunnelutformning optimeras för bästa möjliga lösning.
4.6 Vindhastighet i spårtunnel
Mätningarna av vindhastighet i och utanför tunneln visar att vindhastigheten utanför tunneln inte nämnvärt påverkar vindhastigheten i tunneln. Vid den mittersta mätstationen är
vindhastigheten lägre än vid mynningarna.
En jämförelse med mätningarna i Åsatunneln (Andrén, 2008) visar att vindhastigheten är mycket högre i Åsatunnelns mittersta mätstation än i motsvarande station vid
Glödbergstunneln, jämför de gröna kurvorna i Figur 4.6 och Figur 4.7. En orsak kan vara att Åsatunnelns mittersta mätstation ligger i en svacka, vilket orsakar att luft både kommer ned till svackan (kall luft som sjunker) och lämnar svackan (uppvärmd luft som stiger mot
mynningarna). I Glödberget har tunneln en konstant lutning, vilket ger upphov till ett konstant flöde i tunnelns mittersta delar.
Vindhastigheten är högre i Glödbergets mynningar än i de mittersta delarna, vilket tyder på ökade luftrörelser kring mynningarna. I Figur 4.2, som visar luftrörelser för Klass III, visas att en ökad luftrörelse sker i den högre belägna mynningen, som i Glödbergstunnelns fall är den södra mynningen. I Figur 4.6 ligger den rosa kurvan, som representerar den södra mynningen, något över den blå kurvan, som representerar den norra mynningen.
