INOM TEKNIKOMRÅDET EXAMENSARBETE
ENERGI OCH MILJÖ OCH HUVUDOMRÅDET MILJÖTEKNIK,
AVANCERAD NIVÅ, 30 HP STOCKHOLM SVERIGE 2020,
Sammanställning och analys
av inläckage i bergtunnlar
En studie av Citybanan, Norra länken och
Strängnästunneln
LINDA STRAJNAR
KTH
SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD
Sammanställning och analys av
inläckage i bergtunnlar
En studie av Citybanan, Norra länken och
Strängnästunneln
Linda Strajnar
Supervisor
Bo Olofsson
Examiner
Bo Olofsson
Supervisor at Trafikverket
Anna Roxell & Sebastian Pokorny
Degree Project in Environmental Engineering and Sustainable Infrastructure KTH Royal Institute of Technology
School of Architecture and Built Environment
Department of Sustainable Development, Environmental Science and Engineering SE-100 44 Stockholm, Sweden
ii
TRITA-ABE-MBT-207
iii
Sammanfattning
Vatten är en förutsättning för allt liv, men trots dess centrala innebörd så kan också vatten på fel plats, vid fel tid, leda till problem. Inläckande vatten i undermarksanläggningar kan leda till avsänkning av grundvattenytan och medföljande problematik. Det är därför viktigt att regelbundet mäta och kontrollera inläckaget till bergstunnlar, särskilt i byggskedet, samt att kunna prognostisera dessa.
Syftet med denna studie är att sammanställa erfarenheter av inläckage av grundvatten i de utvalda bergtunnlarna i Citybanan, Norra länken och Strängnästunneln. De uppmätta inläckagen i bygg- respektive driftskede har presenterats och jämförts med hur väl de överensstämde med de prognoser som gjorts samt villkor som beslutats.
För alla tunnlar har kvalitativa, kvantitativa och matematiska prognosmetoder använts. Villkoren har formulerats på olika sätt för tunnlarna, Norra länken har villkor om ett enda årsmedelvärde för hela tunneln, Strängnästunneln har uppdelat på två delsträckor och Citybanan har villkoret uppdelat på åtta olika delsträckor. Strängnästunneln är den enda av de utvalda bergtunnlarna som inte överstiger villkoren, under något tillfälle, under den studerade tidsperioden, dock är det ingen tunnel som haft överträdelser som lett till villkorsbrott. I Citybanan sker överträdelser av villkoren samt prognoserna i byggskedet för delsträcka 1 och arbetstunneln Torsgatan. I driftskedet sker inga överträdelser av villkor eller prognoser. I Norra länken sker en överträdelse av villkoret, vilken skett av obestämbar anledning.
Det finns ett stort behov av att utveckla prognosmetoderna som används för att prognostisera
inläckage i tunnlar. Metoderna är generella, exempelvis baseras modelleringar på kontinuum modeller där variationen i berget inte tas i beaktning. Modellernas applicerbarhet kan därför ifrågasättas. Likaså finns det stora problem med mätutrustningen i tunnlarna, mätningen kan påverkas mycket om
mätstationen placeras fel, är igensatt eller trasig osv.
En av de viktigaste slutsatserna i denna studie är att det är komplicerat att få tillgång till en stor del av den mätdata som samlas in om inläckage i bergtunnlar. Det har tidigare inte funnits bestämmelser om hur och vart detta ska sparas och informationen är därför spridd. I framtiden är det att rekommendera att insamlingen och lagringen av inläckagedata standardiseras. Detta är på god väg och sker idag med de senare infrastrukturprojekten i databasen TMO och det nya Redbex. Slutligen bör en större satsning göras på erfarenhetsåterföring projekt emellan. Inläckagedata och förenklade
sammanställningar av dessa bör finnas tillgängliga och brukas i projekteringen av nya projekt.
Nyckelord
Inläckage, Grundvatten, Bergtunnel, Prognosmetoder, Villkor, Citybanan, Norra länken och Strängnästunneln
iv
v
Abstract
Water is a prerequisite for all life, however water at the wrong place, at the wrong time, can have negative impacts. Seepages into underground constructions can result in a lowering of the
groundwater surface and following complications. Therefore, it is important to regularly measure and control the seepages into rock tunnels, especially during construction, and be able to predict the flow.
The aim of this study is to gather experiences of seepages in the elected rock tunnel in the Stockholm City Line, Northern Link and the Strängnäs tunnel. The measured seepages in the construction and running phase has been presented and compared to the predictions and terms for the seepages.
The methods applied for prediction of seepage in all the studied tunnels have been different varieties of qualitative, quantitative and mathematical methods. The terms of seepages have been formulated differently for all tunnels, the Northern Link has a single value measured as an annual average, the Strängnäs tunnel has the terms divided on two sections and the Stockholm City Line has terms for eight sections. The only tunnel in which the limits set by the court has not been exceeded, on even a singular occasion according to this study’s results, is The Strängnäs tunnel. Although no tunnel has broken the terms for seepages, even though singular measurements have been higher than the given term. In the Stockholm City Line several transgressions have been made of both the terms and predictions during the construction of the first most northern section and for the working tunnel at Torsgatan. During the running phase no transgressions were made. In the Northern Link one single transgression of the terms was made.
There is a need to develop methods of prediction for seepages in tunnels. There are many methods available however, the methods used are general, simplified and uncertain. The mathematical models used to predict the seepages in the Stockholm City Line and the Strängnäs tunnel are based on
continuum models where the variations in the rock is not considered. The applicability of the methods can therefore be questioned. There are also problems with the equipment for measurement, the measured flow can be highly affected if the measuring station is broken or poorly placed.
One of the most important conclusions of this study is that it is complicated to gain access to a large part of the data collected on seepages in rock tunnels. It has not previously been determined how and where the data on seepages should be stored and therefore, the information is scattered. In the future it is advisable to standardize the collection and storage of seepage data. This standardisation although, is used for the most recent infrastructure projects, where information is stored in TMO and Redbex. To conclude, there should be more effort put into the return of experience between projects. Seepage data and collocations of these should be available and used in the planning of new project.
vi
vii
Förord
Den här rapporten avslutar mina civilingenjörsstudier på Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Stockholm. Det är ett examensarbete om 30 högskolepoäng skriven på mastersprogrammet Miljöteknik och hållbar infrastruktur, i samarbete med avdelningen Stora projekt på Trafikverket.
Rapportens syfte föreslogs initialt av handledare på Trafikverket men har bearbetats vidare i samråd med handledare.
Jag vill börja med att rikta ett stort tack till mina handledare på Trafikverket i Solna strand, Anna Roxell och Sebastian Pokorny, för deras stöd, förslag och uppmuntran. Jag vill också tacka alla medarbetare på Trafikverket som jag har fått prata med och ställa frågor till, och ett särskilt tack till avdelningen Stora projekt för att ni gjort plats för en student.
Jag vill särskilt tacka Hana Liszka (Trafikverket), Jonas Paulson (NCC) samt Johan Spross (KTH) för att de tog sig tid att dela med sig av sin kunskap och bidra med underlag till denna rapport.
Jag vill även tacka Professor Bo Olofsson för att ha tagit sig an att vara min handledare i detta projekt.
Han har bidragit med ovärderlig kunskap, insikt och vägledning. Jag vill även tacka min lärare Robert Earon för att ha inspirerat och stöttat mig mot mitt mål att kunna arbeta med hydrogeologi.
Till sist vill jag varmt tacka mina föräldrar som stöttat mig och uppmuntrat mig i allt jag tagit mig för.
Och till min fästman, tack för att du är du och att du alltid finns där oavsett.
viii
ix
Innehållsförteckning
Sammanfattning ... iii
Abstract ... v
Förord ... vii
Teckenförklaring ... xii
Figurlista ... xiii
Tabellista ... xiv
Ekvationer ... xv
1. Inledning ... 1
1.1 Syfte och forskningsfrågor ... 1
1.2 Motivering av projektet ... 1
1.3 Disposition ... 2
2. Litteraturstudier ... 2
2.1 Grundvatten i berg ... 2
2.1.1 Hydrologiska cykeln ... 2
2.1.2 Akviferer ... 3
2.1.3 Darcys lag ... 3
2.1.4 Flödesdimensioner ... 3
2.2 Bergtunnlar ... 4
2.2.1 Från projektering till färdig bergtunnel ... 4
2.2.2 Tunneldrivningsprocessen ... 4
2.2.3 Vattenproblem vid tunneldrivning ... 5
2.3 Metoder för att beräkna inläckage ... 6
2.3.1 Kvalitativa metoder ... 6
2.3.2 Kvantitativa metoder ... 7
2.3.3 Matematiska metoder ... 7
2.4 Metoder för att mäta inläckage i tunnlar ... 8
3. Plats- och tunnelbeskrivningar ... 9
3.1 Citybanan ... 9
3.1.1 Områdets hydrogeologi och geologi ... 9
3.1.2 Områdesindelning ... 11
3.1.3 Tunnelanläggningen ... 14
3.1.4 Kontrollprogram/uppföljningar... 14
3.2 Norra länken ... 15
3.2.1 Områdets hydrogeologi och geologi ... 15
3.2.2 Områdesindelning ... 16
3.2.3 Tunnelanläggningen ... 16
3.2.4 Utredningar ... 17
3.2.5 Kontrollprogram/uppföljningar... 17
x
3.3 Strängnästunneln ... 17
3.3.2 Områdesindelning ...20
3.3.3 Tunnelanläggningen ... 21
3.3.4 Kontrollprogram/uppföljning ... 21
4. Metod... 22
4.1 Litteraturstudier ... 22
4.2 Material och data ... 22
4.3 Avgränsningar ... 22
4.4 Antaganden och begränsningar ... 22
5. Resultat ... 23
5.1 Citybanan ... 23
5.1.1 Prognosmetoder ... 23
5.1.2 Prognoser ... 27
5.1.3 Domar ... 28
5.1.4 Byggskede ... 31
5.1.5 Driftskede ... 36
5.2 Norra länken ... 38
5.2.1 Prognosmetoder och prognoser ... 38
5.2.2 Domar ... 41
5.2.3 Byggskede ... 42
5.2.4 Driftskede ... 43
5.3 Strängnäs dubbelspårsutbyggnad ... 44
5.3.2 Prognoser ... 46
5.3.3 Domar ... 46
5.3.4 Byggskede ... 46
5.3.5 Driftskede ... 48
6. Diskussion ... 50
6.1 Inläckagedata och svårigheter ... 50
6.2 Prognosmetoder och prognoserna ... 50
6.2.1 Citybanan ... 50
6.2.2 Norra länken... 50
6.2.3 Strängnästunneln ... 51
6.2.4 Prognosmetodiken ... 51
6.3 Villkor ... 51
6.4 Begränsningar med sammanställningen ... 51
6.5 Studiens representativitet ... 52
6.6 Inläckage i kontrast till grundvattennivåer ... 52
6.7 Tillgänglighet och erfarenhetsåterföring ... 52
7. Slutsatser ... 53
8. Framtida studier och rekommendationer ... 53
xi
Referenser... 54
xii
Teckenförklaring
Tecken Enhet Beskrivning
A m2 Area
bkrit m Minsta injekterbara sprickvidden
d m Tunneldiameter
dh/dL - Hydrauliska gradienten
E mm/år Avdunstning
H m Tunnelns centrumdjup under grundvattenytan
K m/s Hydraulisk konduktivitet
𝐾̅ m/s Medelvärdet av hydraulisk konduktivitet Ke m/s Effektiv hydraulisk konduktivitet
Kinj m/s Medelkonduktivitet i den tätade zonen Ks m/s Skin-zonens hydrauliska konduktivitet
P mm/år Nederbörd
q m3/s, m Specifikt flöde
qinj m3/s, m Specifikt inläckageflöde i injekterad tunnel
Q m3/s Flöde
rs m Skin-zonens radie
rt m Tunnelradie
RA mm/år Bortpumpning av vatten från berganläggning
Rs mm/år Ytvattenavrinning
Rg mm/år Grundvattenavrinning
ss m Tilläggsavsänkning på grund av skin-faktor
T m2/s Transmissivitet
t m Injekteringsskärmens tjocklek
ΔM/Δt Magasinförändring per tidsenhet
ξ - Skin-faktor
xiii
Figurlista
Figur 1. Illustration av injekteringen. Det blå området är injekteringsskärmen (Trafikverket, 2015). .... 5 Figur 2. Illustration av borrningen (Trafikverket, 2015). ... 5 Figur 3. Illustration av utlastningen (Trafikverket, 2015). ... 5 Figur 4. Tvärsnitt över tunnlar med lutande tunnelbotten och utsprängda diken. T.v. i torra
förhållanden och t.h. mycket våta förhållanden (BeFo, 2010) ... 8 Figur 5. Geologisk karta över Citybanans område, svarta strecken anger Citybanans spår (Banverket, 2007a). ... 10 Figur 6. Tolkad bergyta, svaghetszoner samt sprick- och krosszoner omkring Citybanan (Banverket, 2007a) ... 11 Figur 7. Karta över de olika sorters tunnlarna och dess läge på den nordliga sträckan (Banverket, 2007a) ... 13 Figur 8. Ritning över tvärsnittet av enkelspårtunnlarna, t.v. samt dubbelspårtunnlarna, t.h.
(Banverket, 2007b). ... 14 Figur 9. Karta över Norra länken med entreprenader (Spross, 2009). ... 16
xiv
Tabellista
Tabell 1. Lista över metoder för att prognostisera inläckage i bergtunnlar från Cesano (1999). ... 6
Tabell 2. Översikt av anläggningsdelar i Norra länken (Purac, 2011). ... 17
Tabell 3. Anger områdesindelningen för den nya Strängnästunneln (anpassad från Trafikverket, 2014d). ...20
Tabell 4. Medianinläckage enligt stokastiska modelleringen (Golder Associates AB, 2005). ... 24
Tabell 5. Bedömda inläckagevärden angivna för samtliga tunneldelar på delsträckorna angivna som årsmedelvärden (Banverket, 2007a). ... 27
Tabell 6. Bedömda inläckage till arbetstunneln Torsgatan. ... 27
Tabell 7. Bedömda inläckagevärden angivna för samtliga tunneldelar på delsträckorna angivna som årsmedelvärden (Trafikverket, 2017a). ... 28
Tabell 8. De aktuella domarna för Citybanan spårtunnel samt Torsgatan angivna i kronologisk ordning. ... 28
Tabell 9. Villkoren för inläckage i spårtunnelns delsträckor under byggskedet. ... 29
Tabell 10. Villkoren för inläckage i spårtunnels delsträckor under driftskedet. ... 29
Tabell 11. Villkoren för inläckage för de olika delsträckorna på Citybanan i byggskedet då delsträckorna 3 och 4 presenteras summerat. ... 29
Tabell 12. Villkoren för inläckage för de olika delsträckorna på Citybanan i driftskedet då delsträckorna 3 och 4 presenteras summerat. ... 30
Tabell 13. De aktuella domarna för Citybanans Södermalmsträckning angivna i kronologisk ordning.30 Tabell 14. Inläckagevillkoren på södersträckningen. ... 30
Tabell 15. Fördelningen av Inläckagevillkoren på delsträckorna A-D, ansatta som riktvärden och månadsmedelvärden (Anpassad från Trafikverket, 2017a). ... 31
Tabell 16. Prognostiserat inläckage till bergtunnlarna i Norra länken i driftskedet. ... 38
Tabell 17. Prognostiserat inläckage till betongtunnlarna i Norra länken i driftskedet. ... 39
Tabell 18. De olika tätningsklasserna för Norra länken med beskrivningar för vilka områden de gäller. ... 39
Tabell 19. Rekommenderade riktvärden för inläckage anpassad från Vägverket, 2004a. ...40
Tabell 20. De domar som presenterats för Norra länken. ... 42
Tabell 21. Sammanställda årsmedelvärden för inläckage i Norra länken år 2015 till 2017. ... 44
Tabell 22. Inläckage för olika skin samt sprickvidder med den injekterade zonens tjocklek satt som 5 meter. ... 44
Tabell 23. Inläckage för olika skin samt sprickvidder med den injekterade zonens tjocklek satt som 7 meter (Trafikverket, 2014d). ... 45
Tabell 24. Prognostiserat inläckage för de olika delsträckorna (Trafikverket, 2012a). ... 46
Tabell 25. Domen som innehåller villkoren för inläckage. ... 46
Tabell 26. Villkor för inläckage i Strängnästunneln. ... 46
xv
Ekvationer
Formel 1. Vattenbudget för det hydrogeologiska kretsloppet. ... 2
Formel 2. Förenkling av vattenbudgeten över lång tid. ... 2
Formel 3. Vattenbudget med bortpumpning av vatten från en berganläggning medtagen. ... 2
Formel 4. Darcys lag. ... 3
Formel 5. Inläckage till en oinjekterad tunnel (Gustafson, 2009). ... 7
1
1. Inledning
Vatten är en förutsättning för allt liv, men trots dess centrala innebörd så kan också vatten på fel plats, vid fel tid, leda till problem. Detta gäller vid undermarksanläggning av samhällelig infrastruktur såsom vägar, järnvägar, försörjningstunnlar, energilager med mera. Grundvatten läcker in i dessa
anläggningar både under bygg- och drifttiden och det kan leda till både dyra, men framförallt negativa, miljö- och omgivningskonsekvenser. De negativa konsekvenserna kommer av en förändrad
grundvattenyta. Problem som kan uppstå vid en sänkning av grundvattenytan är sättningar i marklager, ruttnande träpålar, sinande brunnar, torrläggning av vattendrag eller en påverkan på grundvattnets kvalité eller på omgivande ekologi (Eriksson & Stille, 2005).
För att undvika problem vid undermarkbygge är det därför idag viktigt att prioritera
grundvattenfrågor vid projektering, byggande och underhåll av alla undermarksanläggningar (Knutsson & Morfeldt, 2002). Att regelbundet mäta och kontrollera inläckaget till bergstunnlar är en viktig del i att förebygga uppkomsten av problem. Att också ha gedigen kunskap om de
hydrogeologiska förhållandena och kunna prognostisera dessa är enormt viktigt för all anläggning av undermarkkonstruktioner, speciellt i urban och annan känslig miljö (BeFo, 2012).
1.1 Syfte och forskningsfrågor
Syftet med denna rapport är att först sammanställa erfarenheter av inläckage av grundvatten i de utvalda bergtunnlarna i Citybanan, Norra länken och Strängnästunneln. Inläckagedata ska
sammanställas på ett lättöverskådligt och förståeligt vis för att förenkla nyttjandet av informationen i framtiden. Sedermera ska även jämförelser göras över hur väl prognoserna stämmer överens med det verkliga utfallet av inläckaget, både i bygg- och driftskede. Prognosmetoderna samt prognosverkan kommer därefter att analyseras. De frågeställningar som skall besvaras i projektet är:
• Vilka prognosmetoder användes för att förutse inläckage i tunnlarna?
• Vilket inläckage prognostiserades läcka in i tunnlarna under bygg- och driftskede?
• Vilka villkor fanns det på inläckage i tunnlarna i bygg- och driftskede?
• Hur stora blev de faktiska inläckage under bygg- och driftskede?
• Hur väl överensstämde det faktiska inläckaget med prognoserna och villkoren?
• Finns det några likheter eller skillnader i valen av prognosmetoder?
1.2 Motivering av projektet
Denna rapport motiveras av att det finns en avsaknad av en samlad redovisning samt uppföljning av erfarenheter av inläckage i svenska bergtunnlar. Det saknas också studier kring vilka prognosmetoder för inläckage som visat sig vara bäst tillämpbara och varför. Stiftelsen Bergteknisk Forskning (BeFo) har gjort en förstudie (BeFo, 2012) som ligger till grund för vidare studier på området. Syftet med BeFo:s studie var att identifiera, samla in och sammanställa data och information från svenska berganläggningar med fokus på prognoser och utfall vad gäller effekter på grund- och
ytvattenförhållanden till följd av grundvattenbortledning (BeFo, 2012). Dock analyserades eller presenterades inte något material i denna studie utan det angavs endast vart data finns att hitta externt från rapporten. I denna rapport kommer materialet, inklusive den data som samlas in, också att analyseras och presenteras.
I BeFo:s förstudie (2012) skrivs det också att det saknas samlade redovisningar rörande
prognosverkan, dvs. hur väl prognoser stämmer in med verkligheten, begränsningar och tillämpbarhet för olika metoder som används för att förutspå sådana effekter innan en berganläggning anläggs. Detta trots att det läggs stora summor pengar på att undersöka och utreda inför samråd och miljöprövning av berganläggningar. Att sammanställa erfarenheter om prognosverkan för bergtunnlar skulle bidra till kunskapsåterföring i framtida projekt. En erfarenhetsammanställning betyder att
verksamhetsutövare kan skapa större säkerhet i prognoser. Säkrare prognoser av inläckage skulle också bidra till att välja lämplig tätningsdesign i ett tidigt skede (BeFo, 2012). Denna avsaknad av sammanställt och tillgängligt material om inläckage i bergtunnlar ligger till grund för denna rapport.
2
1.3 Disposition
Rapporten inleds med att redogöra för den litteraturstudie som gjorts. En generell bakgrund om grundvatten i berg presenteras först. Vart grundvatten förekommer i berg, hur det flödar och vad flödet beror på förklaras. En överblick ges av tillståndsprocessen för undermarkbyggande,
tunneldrivningsprocessen samt de vattenproblem som kan uppstå. Detta följs av en presentation av de vanligaste metoderna som används för att prognostisera inläckage i bergtunnlar samt hur det är möjligt att mäta det faktiska inläckaget i tunneln.
En omfattande platsbeskrivning av de tre tunnlarnas områden presenteras därefter. Områdenas hydrologi och geologi samt områdesindelningar redovisas översiktligt. En överblick över tunnelns olika anläggningsdelar följs sedan av kontrollprogrammens utformning för att veta hur inläckaget samlas upp och mäts.
I sektion 5 presenteras resultaten för varje tunnel var för sig. De första resultaten som presenteras är vilka prognosmetoder som använts för att prognostisera inläckageflödet vilket följs av vad dessa prognoser hade för numeriska värden. Därefter presenteras de tillstånd som gavs för tunneln, alternativt tunnelns olika delar, vilket avslutas med en presentation av faktiska inläckage i bygg- respektive driftskedet jämfört med prognoserna och villkoren. Resultatet följs av en diskussion, slutsatser och rekommendationer inför framtiden samt vidare studier.
2. Litteraturstudier
I denna sektion kommer viktig teori att presenteras för att förstå hur inläckage i bergtunnlar fungerar, beräknas och mäts. Det är den teori som här presenteras som ligger till grund för att tolka resultaten av studien.
2.1 Grundvatten i berg
I detta avsnitt presenteras teorin bakom förekomsten och flödet av vatten i berg.
2.1.1 Hydrologiska cykeln
Grundvattnet som återfinns i berg har sitt ursprung från den hydrologiska cykeln, precis som allt annat vatten. Inom cykeln faller nederbörd (P) vilken delvis infiltreras i marken (Gustafson, 2009). Av det infiltrerade vattnet tas den största delen upp av växter i markvattenzonen och transpireras åter till atmosfären medan återstående del perkolerar ned till grundvattenmagasin. Vatten kan också avdunsta direkt från mark och vattenkroppar (E) (Alberts & Gustafson, 1983). Efter kortare eller längre tid sker avrinning till vattendrag och sjöar (𝑅𝑔) och en del rinner av direkt på markytan (𝑅𝑠) (Gustafson, 2009). Berggrunden utgör i normala fall det understa grundvattenmagasinet och har en begränsad omsättning av vatten (Alberts & Gustafson, 1983). Normalt är det balans i det hydrologiska
kretsloppet, vilket betyder att inflödet är detsamma som utflödet. Vattenbudgeten för systemet ställs upp enligt:
𝑃 − 𝐸 = 𝑅
𝑠+ 𝑅
𝑔+ 𝛥𝑀
𝛥𝑡
Formel 1. Vattenbudget för det hydrogeologiska kretsloppet.
För längre tidsperioder kommer magasinförändringen att bli försumbar och vattenbudgeten förenklas till:
𝑃 − 𝐸 = 𝑅
𝑠+ 𝑅
𝑔Formel 2. Förenkling av vattenbudgeten över lång tid.
Om bortpumpning av vatten från en berganläggning tillkommer i detta kretslopp så kommer ännu en avrinningsterm, RA, att tillkomma.
𝑃 − 𝐸 = 𝑅
𝑠+ 𝑅
𝑔+ 𝑅
𝐴𝛥𝑀
𝛥𝑡
Formel 3. Vattenbudget med bortpumpning av vatten från en berganläggning medtagen.
3
Då klimatet inte förändras av byggnationer i berg så kommer detta att leda till magasinförändring och i förlängningen minska både yt- och grundvattenavrinning varifrån bygget tar vatten. Detta medför en bestående grundvattensänkning (Alberts & Gustafson, 1983).
2.1.2 Akviferer
Viktigt att beakta vid byggande i berg är förekomsten av akviferer. En akvifer definieras som en geologisk formation från vilken en ansenlig mängd vatten kan utvinnas. I berg finns det tre olika sorters akviferer: porakviferer, sprickakviferer och karst (Alberts & Gustafson, 1983).
Trots de kristallina bergarternas hårdhet och motståndskraft mot vittring så förekommer brott, kross- och vittringszoner orsakade av tektoniska krafter (Knutsson & Morfeldt, 2002). En sprickzon består av en större koncentration av sprickor. Oftast anges intensitetsmått på zonerna såsom att en sprickzon ska ha en sprickfrekvens som är fem gånger högre inom zonen än utanför. Om sprickintensiteten är väldigt hög och berget är mer krossat benämns det istället för en krosszon. Dock är det en väldigt subjektiv bedömning att avgöra vad som är sprick- eller krosszoner. Det är också väldigt komplicerat att analysera dessa strukturers hydrogeologiska egenskaper (Gustafson, 2009).
I kristallina bergarter är primärporositeten normalt låg, mineralkornen passar väl in i varandra dock spricker kristallint berg lätt på grund av mineralernas mekaniska egenskaper. Dessa sprickor utgör sekundär porositet, dvs. att sprickorna har uppstått efter det att berget har kristalliserats. (Alberts &
Gustafson, 1983). Det är i dessa sprick- och krosszoner grundvattnet förekommer, utöver detta så är kristallina bergarterna i stort sett helt vattentäta (Knutsson & Morfeldt, 2002). Från hydrogeologisk synpunkt är det även viktigt att veta ifall sprickor och sprickzoner hänger ihop. Ifall sprickorna inte är sammanhängande betyder det att vatten inte kan flöda och de kan inte heller dräneras (Knutsson &
Morfeldt, 2002).
2.1.3 Darcys lag
Grundvattenströmningen i berg sker i sprickor. Flödet genom porösa och sprickiga media antas vara laminärt vilket betyder att de tröghetskrafter som vanligtvis uppstår kan försummas. Detta antagande leder till Darcys lag, en lag som ger att det specifika flödet, q, är proportionellt mot den hydrauliska gradienten (Gustafson, 2009):
𝑞 = 𝑄
𝐴 = 𝐾 ∗ 𝑑ℎ
𝑑𝐿
Formel 4. Darcys lag.
Darcys lag tillämpas på en stor del av alla grundvattenproblem (Alberts & Gustafson; 1983). Darcys lag är giltig för låga strömningshastigheter och för porösa medium (Eriksson & Stille, 2005)
2.1.4 Flödesdimensioner
För att kunna analysera bergs hydrauliska egenskaper räcker det inte endast att applicera Darcys lag, utan sprickornas geometri kommer också att påverka strömningen. Det finns två olika angreppssätt för att beräkna flöde i berg, dessa är med diskret analys eller med kontinuummodeller. Diskret analys beskriver de sprickor som finns i berget medan i kontinuummodeller så används sprickornas
genomsnittliga egenskaper över en längre sträcka som representation för bergets konduktivitet (Eriksson & Stille, 2005).
Med en diskret ansats så beräknas flödet i enskilda sprickor. Detta görs för det mesta med hjälp av datorprogram som använder finita element eller finita differensmetoder. Den grundläggande approximationen för dessa diskreta analyser är antagandet att flödet i en spricka kan liknas vid ett flöde mellan två planparallella plattor och att flödet är laminärt. Detta definierar då Transmissivitet (T) som ger ett mått på varje sprickas enskilda vattenförande förmåga (Eriksson & Stille, 2005).
Även om bergmassa inte är homogent så är det mycket vanligt att anta att det är ett kontinuum. Då går grundvattenflödet i berget att beskriva med vanliga differentialekvationer med analytiska lösningar. I ett ekvivalent kontinuum ges alla egenskaper ett effektivvärde, exempelvis ges en effektiv hydraulisk konduktivitet, Ke, som är samma i alla riktningar och punkter i berget (Gustafson, 2009). Om istället hänsyn ska tas till bergets varierande hydrauliska egenskaper kan ett stokastiskt kontinuum användas.
4
Berget delas då in i regelbundna celler som varierar efter vald lämplig statistisk fördelning (Gustafson, 2009).
För att kunna tillämpa kontinuumanalyser i tunnelsammanhang krävs det att sträckan som beaktas är tillräckligt lång. I svenska förhållanden är frekvensen av vattenförande sprickor relativt låg, ofta mindre än 1/m, vilket betyder att en sträcka på 50–100 meter krävs för att göra en representativ analys (Eriksson & Stille, 2005). Dock är det viktigt att veta att för större volymer berg så ska
förutsägelser baserade på kontinuumantaganden göras försiktigt då varje enskild sprickas egenskaper inte kan bestämmas (Gustafson, 1986).
Den hydrauliska heterogeniteten är ofta det som är huvudorsaken till misslyckade prediktioner av vattentransport- och flödesmodeller. Desto större heterogenitet desto mer varierar den hydrauliska konduktiviteten och prediktioner blir komplicerade (Cesano, Bagtzoglou & Olofsson, 2000). De parametrar som påverkar den hydrauliska konduktiviteten är: strykning och stupning,
sprickavståndet, spricklängd, sprickvidd, kornstorlek, fyllning med mineraler och skjuvhållfastheten i berget (Cesano, Bagtzoglou & Olofsson, 2000).
2.2 Bergtunnlar
I denna sektion kommer förloppet vid anläggning av bergtunnel att beskrivas samt vilka komplikationer som kan uppstå vid bygge i berg och i samband med vatten.
2.2.1 Från projektering till färdig bergtunnel
Vid bygge av tunnel ställs krav både av Miljödomstolar och beställare. Bedrivandet av vattenverksamhet, vilket inkluderar bortledande av grundvatten vid tunnelbyggnation, skall tillståndsprövas enligt 11 kap. Miljöbalken. Vid tillståndsansökan ska komplett utredningsmaterial, skyddsåtgärder och försiktighetsmått presenteras. Det är lämpligt att sökande redan vid ansökan föreslår villkor på inläckaget i tunnel med tydlig motivering i underlagsmaterialet. Detta material utgörs som mest av en geohydrologisk utredning och en miljökonsekvensbeskrivning (BeFo, 2010).
Sökande ska också kunna visa domstolen att vattenverksamheten kommer att övervakas och
kontrolleras. Detta inkluderar att visa på hur inläckagevillkoren ska mätas och efterföljas. Detta sker lämpligtvis genom att ett utkast till kontrollprogram presenteras vid tillståndsansökan (BeFo, 2010).
Inför projekteringsfasen av ett tunnelprojekt anlitar beställaren projektörer som ska se till så att alla handlingar tas fram inför byggprocessen. De handlingar som ska tas fram under projekteringsfasen är förundersökningar avseende geologiska och hydrologiska förhållanden, sammanställningsritningar, översiktsritningar, systembeskrivningar och förteckningar, detaljritningar, beräkningar och
utredningar, arbetsbeskrivningar samt kontrollplaner. I början av denna fas är det viktigt att metoden för inläckagemätningar bestäms (BeFo, 2010).
Denna fas följs sedermera av en upphandlingsfas. Entreprenörer för projektet väljs här ut och nästa fas, byggfasen, kan inledas. Av kontraktet med entreprenörer ska det framgå hur mätsystem och mätningar ska utföras. I vissa fall redovisar entreprenören en plan där det står hur det inkommande och utgående vattnet ska hanteras. Det inkluderar utformning av pumpar, hanteringen av läckande slangar och rundpumpning av vatten (BeFo, 2010).
Efter avslutat projekt ska ett erfarenhetsåterföringsmöte hållas mellan beställare och entreprenör. Vid detta möte är det viktigt att utvärdera installerade mätsystem samt de genomförda mätningarna. Detta för att vidareutveckla metoderna för mätning av inläckage (BeFo, 2010).
Viktigt att beakta är att miljölagstiftningen ändras med tiden vilket gör så att miljökraven, samt kraven på dokumentation och uppföljning, varit annorlunda för olika bergtunnlar beroende på vart i tiden de ligger (BeFo, 2012). Tillståndsprocessen har även förändrats på senare år pga. ändringar av praxis och lagstiftning. Regionala skillnader finns också i hur prognoser genomförs. I vissa långa projekterings- /uppförandeskeden så genomförs prognoserna i flera omgångar, detta gäller för Norra länken och Citybanan (BeFo, 2012).
2.2.2 Tunneldrivningsprocessen
En tunnel drivs framåt i cykler. Cykeln startar med injektering där sprickorna i berget tätas för att undvika inläckage av grundvatten. Inledningsvis borras 20 meter långa hål snett framåt in i berget
5
enligt Figur 1. I borrhålen pressas cementblandning sedan in under högt tryck. Cementen går vidare ut i sprickorna och härdar.
Figur 1. Illustration av injekteringen. Det blå området är injekteringsskärmen (Trafikverket, 2015).
Nästa steg är borrning av spränghålen. En datoriserad borrigg används för att borrhålen ska få en exakt position och längd, se Figur 2. Borrhålen laddas sedan med sprängmedel och huvudladdningen pumpas in i hålen med hjälp av laddningsfordon. Detta gör så att sprängmedlet blir explosivt.
Laddningarna kopplas ihop och detoneras enligt ett schema i rätt ordning för att sprängningen ska bli så kontrollerad och skonsam som möjligt.
Figur 2. Illustration av borrningen (Trafikverket, 2015).
Efter sprängningen ska bergmassorna schaktas ut ur tunneln, se Figur 3. Därefter knackas allt löst berg bort från tunneltak och väggar. Berget förstärks också genom att bulta. Alla dessa steg upprepas sedan igen och steg för steg drivs tunnelfronten framåt (Trafikverket, 2015).
Figur 3. Illustration av utlastningen (Trafikverket, 2015).
Det är mycket svårt att få en tät tunnel trots arbeten med förinjektering. Vissa sprickor kan ha en för liten sprickvidd för att bruket ska kunna tränga in, för att cementbruk ska kunna tränga in är gränsen angiven till 0,1 mm. Bruket kan också misslyckas med att tränga in tillräckligt långt in i sprickan för att det ska ske en överlappning vilket leder till ett glapp mellan bruket från de olika borrhålen. Den nödvändiga inträngningen kan också underskattas då sprickorna är slingrigare jämfört med
borrhålens raka väg. De vattenförande kanalerna i sprickorna kan också vara väldigt smala och därför missas med skärmborrhålen (Gustafson, 2009). Ytterligare tätningsåtgärder kan därför vara
nödvändiga.
2.2.3 Vattenproblem vid tunneldrivning
De direkta problem som uppstår vid tunneldrivning med stort inläckage är att tunneldrivningsarbetet försvåras avsevärt. Stora mängder vatten måste pumpas ut vilket leder till en grundvattensänkning kring inläckaget, och potentiellt även marksättningar (Alberts & Gustafson, 1983)
Ytterligare problematik är att sprickzoner som korsar tunneln kan vara fyllda med lösmassor som frigörs vid tunneldrivningen. Det inläckande vattnet eroderar och transporterar då lösmassorna in i tunneln. Innan åtgärder vidtagits kan tunneln ha fyllts med erosionsprodukter. Vattenförande sprickzoner kan också vara fyllda med svällande lermaterial, vilket kan orsaka blocknedfall.
6
Det finns också risk för att högt tryck kan orsaka blocknedfall eller nedfall av hela väggar. Det inläckande vattnet kan också innehålla gaser, till exempel radon, koldioxid eller metan som han vara hälsovådligt och behöva ventileras för att arbetet med tunneln ska kunna fortgå (Alberts & Gustafson;
1983).
För att undvika dessa problem är det bästa att eftersträva att bygga tunnlar i så täta bergpartier som möjligt och undvika vattenförande bergarter och krosszoner. Vid passage av sprickor är det
eftersträvansvärt att orientera så att den dominerande sprickriktningen skäres i så stor vinkel som är möjligt (Alberts & Gustafson; 1983).
Tunneldrivning ger upphov till både tekniska- och miljömässiga problem. Effekterna på miljön är att vattenmagasinet påverkas och grundvattenkemin kan förändras, både genom att föroreningar tar sig till yt- eller grundvattnet men också att det tillförs via tunneln. Vegetationen kan också direkt påverkas av en sänkning av grundvattennivån och marksättningar kan också förekomma (Cesano, 1999).
De tekniska problem som uppenbarar sig är behovet av att pumpa ut vatten, svåra konstruktionsförhållanden samt förfall av anläggningen med tiden (Cesano, 1999).
2.3 Metoder för att beräkna inläckage
Uppskattningar av inläckage i tunnlar är nödvändigt att göra för att bilda en uppfattning omhur mycket inflödet av grundvattnet måste reduceras med injektering för att kraven ska uppfyllas (Eriksson & Stille, 2005). Det är viktigt enligt Eriksson & Stille (2005) att vara medveten om att beräkningar av inläckage i tunnlar inte kan göras exakt, dock kan uppskattningar göras för att se i vilken storleksordning inläckaget blir.
Cesano (1999) delar in metoderna för att estimera inläckaget i bergtunnlar i tre kategorier: kvalitativa, kvantitativa och matematiska metoder. Se Tabell 1 för sammanfattning av metoderna.
Tabell 1. Lista över metoder för att prognostisera inläckage i bergtunnlar från Cesano (1999).
Kvalitativa metoder Kvantitativa metoder Matematiska metoder Utvärdering av existerande
material Hydrauliska tester Analytiska lösningar
Fjärranalys och
flygfototolkningar Flödeshydrografer Numeriska modeller
Berg- och sprickkartering Flödesmätare Luftburen och markbundna
geofysiska utredningar Andra kvantitativa metoder Geokemiska undersökningar
GIS
Borrhålsutredningar Spänningsmätningar
Andra kvalitativa metoder 2.3.1 Kvalitativa metoder
I den initiala fasen av planeringen av en tunnel är det viktigt att få en bild av den hydrogeologiska situationen för berget och området. En metod som är tidseffektiv och ekonomiskt gynnsam är då att samla in och utvärdera redan existerande material. Det är ofta som människan redan har interagerat med området tidigare och gjort undersökningar för andra byggnationer, dessa kan i många fall
7
återanvändas. Det existerande material kan delas in i material som är redo för ytterligare dataanalys och bearbetning, såsom pumptestresultat, transmissivitetsvärden osv. samt material som summerar utfallet av dataanalyser, såsom kartor eller vetenskapliga artiklar (Cesano, 1999).
2.3.2 Kvantitativa metoder
Kvantitativa metoder behövs som ett komplement till de kvalitativa metoderna. De kvalitativa metoderna kan i sig själva endast bestämma lokaliseringen av större diskontinuiteter och ge en indikation av flödet i sprickzoner. De kvantitativa metoderna hjälper då till att bestämma hydrauliska egenskaper och vattenflödet igenom bergmassan. Metoderna som används för att få den mer specifika punktinformationen är som nämnt i Tabell 1; hydrauliska tester, flödeshydrografer och flödesmätare (Cesano, 1999).
2.3.3 Matematiska metoder
De kvalitativa och kvantitativa metoderna kompletterar varandra och kan tillsammans ge en bra beskrivning av det hydrogeologiska systemet. Dock krävs matematiska beräkningar för att avgöra hur stort inläckaget faktiskt blir som en konsekvens av den hydrogeologiska omgivningen. Inläckage estimeras ofta med modeller som baseras på matematiska formuleringar. Modellen kan vara
konceptuell, fysisk, analytisk eller numerisk. Hur modellen förhåller sig till den verkliga situationen är högst beroende av de antaganden som gjort samt det data som finns tillgänglig. Det är dock viktigt att alltid vara medveten om att en modell inte till fullo kan spegla verkligheten (Cesano, 1999).
2.3.3.1 Analytiska lösningar
För att beräkna inläckaget till en oinjekterad tunnel går det att i första steget likna tunneln vid en horisontell brunn på djupet H. Detta ger ekvationen:
𝑞 = 2𝜋𝐾 ̅𝐻
ln [ 2𝑑
𝑟
𝑡] + 𝜉
Formel 5. Inläckage till en oinjekterad tunnel (Gustafson, 2009).
Ur denna ekvation kan skin-faktorn (𝜉) förklaras som att ifall väggen i borrhålet är igensatt med en tunn igensättningshud, skin, kommer det att ge en tilläggsavsänkning, ss, på grund av det ökade inflödesmotståndet (Gustafson, 2009). Inflödesmotståndet i tunnlar beror på
spänningskoncentrationen kring tunneln, lösta gaser och kemiska utfällningar som sätter igen sprickorna. För att hantera detta vid beräkning av inläckaget läggs en skin-faktor till i nämnaren på ekvationen. Positiva värden på skin-faktorn betyder att permeabiliteten är förminskad medan negativa värden betyder att permeabiliteten ökat.
För att beräkna inläckaget till en injekterad tunnel används en annan ekvation som tar hänsyn till den tätade zonen runtom tunneln.
𝑞
𝑖𝑛𝑗= 2𝜋𝐾 ̅𝐻
ln [ 2𝑑
𝑟
𝑡] + [ 𝐾 ̅
𝐾 ̅
𝑖𝑛𝑗− 1] 𝑙𝑛 [1 + 𝑡
𝑟
𝑡] + 𝜉
Formel 6. Inläckage till en injekterad tunnel (Gustafson, 2009) 2.3.3.2 Numeriska modeller
Enligt Gustafson (2009) finns det tre syften med att göra numeriska grundvattenmodeller. De hjälper avsevärt för att förstå och analysera hur ett system fungerar. De kan också hjälpa till att förutsäga hur ett system kommer att uppföra sig under givna former. Det finns även möjlighet att kvantifiera systemkomponenternas egenskaper (Gustafson, 2009).
Cesano (1999) påpekar att den verkliga inläckageprognosen sker innan beräkningar med analytiska eller numeriska modeller. Dessa modeller är endast numeriska resultat som baseras på
8
hydrogeologiska karaktäriseringar som gjorts tidigare. Det är dessa som styr utfallet av modelleringarna.
2.4 Metoder för att mäta inläckage i tunnlar
Den mätutrustning som finns för att mäta inläckage är främst mätvallar och pumpgropar. För att mäta det totala inflödet under byggskede leds vatten till tunnelns lågpunkt alternativt pumpgrop på vägen.
Sektionsvis mäter man istället ofta i mätdammar i vilka olika mätutrustning kan anslutas. I driftskedet mäts det totala inläckaget vanligtvis från tunnelns pumpstation. Detta är möjligt då tunnlar har separata dagvatten- och dräneringssystem. Sektionsvis mätning av inläckaget i driftskedet är inte lika vanligt men mäts då i mätvallar som mätutrustning kan anslutas till (BeFo, 2010).
De uppsamlingsanordningar som finns är vid stuff, tunnelfronten och i diken. Diken ska finnas på ena sidan mot tunnelväggen. Tunnelbotten ska luta minst 5 % mot detta dike.
Figur 4. Tvärsnitt över tunnlar med lutande tunnelbotten och utsprängda diken. T.v. i torra förhållanden och t.h. mycket våta förhållanden (BeFo, 2010)
Pumpgropar används vanligtvis på platser där vattnet inte skall rinna vidare, där det är svårt för vattnet att rinna vidare nedströms i tunneln eller där enkla flödesmätningar skall göras på rinnande vatten. Utformningen av dessa pumpgropar varierar mycket. Diametern längst upp på gropen
överskrider vanligtvis 2–3 meter och djupet varierar mellan några decimeter och 1,5 meter. Groparna konstrueras ofta i lågpunkter i bergbotten där vatten ansamlas eller i utsprängda mindre gropar eller uppdämning av det dike som går längst väggen, se Figur 4 (BeFo, 2010).
Flödet till pumpgroparna approximeras vanligtvis med hjälp av uppmätta gångtider, uppmätning av fyllnadstiden för en pumpgrop med känd volym eller genom mätning med flödesmätare. Det är många faktorer som påverkar mätosäkerheten i just pumpgropar. Några av dessa är noggrannheten i
volymbestämning av pumpgropen, kapacitetsförändring pga. slitage, noggrannhet i tidsbestämning av gångtider, noggrannhet på flödesmätare, hur bra bakventilen fungerar, osv. (BeFo, 2010).
Mätvallar är dammar som anläggs tvärs över tunneln. De används för att samla upp vatten från en sektion av tunneln. Mätvallarna är vanligtvis gjutna i betong. Från mätvallen går en ledning varpå en mätare kan anslutas alternativt som kan nyttjas för manuell mätning. Manuell mätning kan
exempelvis göras med hink och klocka. Avståndet mellan mätvallarna varierar, men vanligen är det inte mindre än 100 meter. Mätvallar ska uppfylla kriteriet att ha en höjd anpassad efter den maximala dämningsgräsen för mätanordningen. Dock får vallen inte vara högre än vad som tillåts under
driftfasen. Under bygget kan den förses med någon form av överbyggnad så att fordon kan passera över den. Mätvallarna ska också vara täta, vilket även gäller mot bergytan. Mätvallarna ska också tåla den påverkan som kan uppstå under mättiden (BeFo, 2010).
Det finns mycket kritik mot mätningar av inläckage i tunnlar. Enligt BeFo (2010) tar det lång tid att få igång mätningarna, de stör arbetet med utbrytningen, de är dyra och de innehåller stora fel i
byggskedet.
Vid mätning av vattenflöden i tunnlar finns det många faktorer som kan ha en inverkan på mätosäkerheten och mätvärdet i de fall inläckagekraven är lågt satta. Vatten kan bortföras eller tillföras via ventilationen (BeFo, 2010). Det sker också en stor vattenförbrukning under byggskedet då berget ska brytas. Vatten används till borrning, injektering, bultsättning samt avspolning av berg. Det
9
mesta av processvattnet pumpas bort men en del följer med vid utschaktningen och en liten del rinner av lastbilsflaken. Det vattnet kan då komma att nå mätsystemen för inläckage (BeFo, 2010).
Mätosäkerheter kan också uppstå på grund av läckage i ledningar, brunnar och ventiler. Det används flera olika typer av ledningar och ventiler, som även varierar på bygg- och driftskedet (BeFo, 2010).
Läckage kan även ske i mätvallarna (BeFo, 2010).
Det vatten som rinner in via tunnelmynningen kan vid skyfall eller regnperioder bli väldigt stort. För att hantera detta bör en mätvall installeras vid tunnelmynningen för att särskilja detta vatten från inläckande vatten från berget (BeFo, 2010). Det kan också ske temporära inläckage i uppborrade injekteringsskärmar och bulthål (BeFo, 2010).
Under byggtiden så mäts det inläckande vattnet med syftet att kontrollera tätningsåtgärder samt att kontrollerna att det inte överstiget tillstånd eller arbetshandlingar. I driftskede mäts inläckaget främst med syftet att kontrollera att det inte överstiger bestämda gränsvärden och tillstånd (BeFo, 2010).
3. Plats- och tunnelbeskrivningar
I denna sektion kommer de utvalda bergtunnlarna att presenteras. De tunnlar som inkluderats i projektet är Citybanan, Norra länken och spårutbyggnaden av Strängnästunneln. Allmän information, översiktlig presentation av hydrogeologi och geologi i området, information om tunnelanläggningen samt kontrollprogrammen presenteras.
3.1 Citybanan
Citybanan är en cirka 6 km lång pendeltågstunnel mellan Tomteboda och station Stockholms Södra.
Utöver huvudtunneln så ingår även två stationer: Station Odenplan och Station City, en parallell service- och räddningstunnel samt arbets- och tillfartstunnlar för att bygga och sköta driften av tunneln (Banverket, 2007a). Syftet med byggnationen av Citybanan var att utöka spårkapaciteten i Stockholm. Den mest intensiva byggperioden för Citybanan var mellan 2005–2016 (Trafikverket, 2017a). Hela sträckan invigdes den 10 juli 2017 (Trafikverket, 2018c).
Grundvattenförhållandena i Stockholm är påverkade av diverse olika dränerande anläggningar samt av en minskad grundvattenbildning på grund av hårdgjorda ytor. Vattenbalansen förändras därmed och området har generellt blivit mer känsligt för yttre påverkan (Banverket, 2007a).
Citybanan är i huvudsak anlagd genom konventionell borrning och sprängning under mark. Det finns ett fåtal undantag till detta vid ytlägen där betongkonstruktioner anlagts och vid ytliga
anläggningsdelar såsom stationsuppgångar, tillfartstunnlar med mera som byggts från markytan ner via öppna schakt inom spontkonstruktioner (Trafikverket, 2017a).
3.1.1 Områdets hydrogeologi och geologi
Längst i norr finns Norrmalms och Vasastadens bergsområden, som består av berg i dagen, berg med tunna jordlager eller smala jordfyllda sänkor i berget. Söder om detta område finns Norrmalm och Citys mer flacka och jordtäckta områden. Riddarfjärden utgör en sydlig gräns för landområdena.
Mäktigheten på jordlagren varierar stort inom området från någon enstaka meter till över 30 meter. I stora jordfyllda områden består de naturliga jordlagren av ett undre friktionsjordlager som oftast utgörs av morän. Ovan moränen är ett lager lera, med inslag av silt, avsatt. Ovanpå leran finns det lokalt även organiskt material bestående av bottensediment från Klara sjö (Banverket, 2007a).
Området präglas kraftigt av Stockholmsåsen som sträcker sig i NNV-lig riktning i den östra delen av området. Stockholmsåsen är en isälvsavlagring som består av huvudsakligen sand och grus men även stenar och block och lokala områden med lera. Åsen flankeras också av svallat material, främst silt och sand, typiskt för rullstensåsar. Åsens mäktighet varierar kring 20 och 30 meter och är avsatt i en fördjupning i berget (Banverket, 2007a). Figur 5 visar översiktligt hur geologin ser ut i området kring
10
Citybanan.
Figur 5. Geologisk karta över Citybanans område, svarta strecken anger Citybanans spår (Banverket, 2007a).
Bergytans topografi i området är även den kraftigt varierande med nivåer från +25 till mer än -30. De högsta områdena finns i Vasastadens bergsområden och de lägsta nivåerna i södra delen av City.
Bergnivåerna finns att se i Figur 6. Berggrunden inom Citybanan område består i huvudsak av kristallina bergarter, såsom gnejs av granitisk sammansättning och Stockholmsgranit (dvs. fin- till medelkornig yngre granit). Stockholmsgraniten finns i både röd och grå variant där den röda har en högre sprickfrekvens och förekommer oftare i svaghetszoner. Pegmatit och amfibolit finns också inlagrade i gnejsen och graniten, och det är även vanligt med gånger av pegmatit och diabas (Banverket, 2007a). I Figur 6 kan de största sprick- och krosszonerna i området ses. Det mest spricktäta området som känns till är det söder om Stockholm station där flera sprickzoner korsar Citybanan.
11
Figur 6. Tolkad bergyta, svaghetszoner samt sprick- och krosszoner omkring Citybanan (Banverket, 2007a) I väst och sydväst gränsar området till Klara Sjö som går i en sprickdal och i syd gränsar det till Mälaren (Riddarfjärden), i sydost till Saltsjön och i norr till Brunnsviken. (Banverket, 2007a). Längst med spårtunneln finns också nio större grundvattenmagasin (Banverket, 2007a).
3.1.2 Områdesindelning
I tillståndsprocessen så delades Citybanans sträckning in i två större delar, en nordlig och en sydlig.
Den nordliga delen går från Tomteboda till Riddarholmen och utgör cirka 4,3 km (Banverket, 2007a).
Denna del benämns som mest för spårtunneln och har i huvudsak byggts genom berg. Den nordliga delen delades in i fyra delområden, 1–4, se Bilaga I för karta. Den sydliga delen,
Södermalmsdragningen, delades också in i fyra delområden, A-D, se Bilaga II.
3.1.2.1 Nordliga delen
Delsträcka 1 är Citybanans nordligaste anläggningsdel. Längst i norr finns Tomteboda betongtråg/- tunnel om cirka 450 meter, vilken ansluter till Vasatunneln vid km 31+060. Vasatunneln är utsprängd i berg och inkluderar både spår- och servicetunnlar fram till km 31+900. En tillfartstunnel samt arbetstunneln Norra station ingår också i delsträcka 1, se Figur 7. Arbetstunneln har pluggats igen och återfylldes våren 2017. Byggnationen av delsträcka 1 startade 2007. Dock var det i juni 2009 som schakt inleddes under grundvattenytan och grundvattenbortledning inleddes. Genombrottet från arbetstunneln till huvudtunneln skedde i slutet av maj 2010. Vasatunneln sprängdes ut mellan 2010 och sommaren 2011 (Trafikverket, 2017a). Delsträcka 1 går igenom 3 mindre grundvattenmagasin (Trafikverket, 2017a).
Delsträcka 2 av Citybanan (sträcker sig från 31+900 till 33+500) inkluderar Vasa-
/Norrmalmstunneln, tillhörande servicetunnel och stationen Odenplan, inkl. två mellanplan och uppgångar mot Vanadisvägen och Odenplan, se Figur 7. Det ingår även två brandventilationsschakt vid Hälsingehöjden och Vasa real. Arbetet med drivning av vasatunneln, stationen, uppgångarna och
12
brandventilationsschakten pågick i huvudsak mellan sommaren 2010 och sommaren 2013. Drivningen av Norrmalmstunnel pågick mellan våren 2011 och tidig vinter 2012. Denna delsträcka drevs i stort i ouppsprucket berg och det var endast få passager som krävde tätningsåtgärder (Trafikverket, 2017a).
Delsträckan går igenom 4 mindre grundvattenmagasin och även Stockholmsåsen. Stockholmsåsen utgör en positiv hydraulisk rand med höga magasinkapacitet, hydrauliska kapacitet och kontakt med ytvattensystem (Trafikverket, 2017a)
Delsträcka 3 går mellan km 33+500 till km 34+500. Delsträckan omfattar morrmalms-
/Norrströmstunneln med servicetunnel, station City, med tre mellanplan, uppgångarna Vasagatan vid Vasaplan, Vasagatan syd och Klarabergsgatan, arbetstunnlar vid Torsgatan och Vattugaraget,
tillfartstunnel vid bangårdsområdet samt brandventilation vid Norra Latin och Centralplan, se Figur 7.
Delsträcka 3 är den mest komplexa bergsanläggningen på Citybanan. Delsträckan går igenom
Stockholms mest centrala delar och där finns redan flertalet befintliga berganläggningar som dränerat grundvattnet och även stora grundvattenmagasin med hög hydraulisk konduktivitet. (Trafikverket, 2017a). Arbetstunneln vid Torsgatan anlades 2008 till 2010, tillfartstunneln vid Bangården mellan 2009 och 2010, uppgången Vasaplan mellan 2009 och 2012. Pluggningen av Torsgatan börjades på hösten 2016 och tunneln fylldes igen våren 2017 (Trafikverket, 2017a). Inom delsträcka 3 finns två stora grundvattenmagasin: Västra City och Stockholmsåsen (Trafikverket, 2017a)
Delsträcka 4 sträcker sig från 34+500 till km 35+023 och omfattar södra delarna av
Norrströmstunnelns spår- och servicetunnel förbi Strömsborg och Riddarholmen, se Figur 7. Vid Riddarholmens strand övergår bergtunneln till en sänktunnel i betong som går under Söderström (Trafikverket, 2017a).
13
Figur 7. Karta över de olika sorters tunnlarna och dess läge på den nordliga sträckan (Banverket, 2007a) 3.1.2.2 Sydliga delen
Södermalmsdragningen omfattar alla anläggningsdelar belägna söder om den sänktunneln
som går under Riddarfjärden. Sträckningen går mellan Söder Mälarstrand och Södra station. Införbyggnation delades dragningen in i fyra delsträckor: A, B, C och D vilka skulle gälla vid uppföljningen av inläckaget under byggskedet (Trafikverket, 2017a). Se Bilaga II för karta över
Södermalmsdragningen och delområdesindelningen.
Delsträcka A omfattar den 200 meter långa tillfartstunneln vid Söder Mälarstrand ner till skärningen med huvudtunneln från dess mynning. Tunneln är utsprängd i Mariaberget och arbetena skedde under 2009. Det bedömdes att sträckan skulle påverkas av Riddarfjärdens ytvatten i stort sett obegränsade volymer (Trafikverket, 2017a).
Delsträcka B omfattar spår- och servicetunnel från Söderströmstunneln fram till tvärtunnel T18X på Södermalm, ca km 25+380 till km 35+460. Sträckan är ca 300 meter och berguttaget skedde under 2009. Riddarfjärden utgör likt för sträcka A även här en hydraulisk rand som kan bidra med i stort sett obegränsade ytvattenvolymer.
Delsträcka C sträcker sig från km 35+460 till 35+760 och omfattar de centrala delarna av
Södermalmstunneln. Det inkluderar spår- och servicetunnel mellan T18X och T19X. Utsprängningen påbörjades från norr i juli 2010, i februari 2011 nådde spårtunneln passagen under Maria Magdalena kyrka där bergtäckning saknas. Vid Maria Magdalena kyrka löper Stockholmsåsen som är magasin för stora grundvatttenvolymer och har hög hydraulisk konduktivitet. I februari 2011 påbörjades också drivning från syd och berguttaget fortlöpte fram till 2012 (Trafikverket, 2017a).
14
Delsträcka D omfattar de sydligaste anläggningsdelarna från km 35+760 och vidare söderut. Detta omfattar de södra delarna av spår- och servicetunneln och Fatburstunneln. Sträckan är utspräng i berg med undantag för anläggningen av en betongtunnel som anlagts i öppen schakt i Fatbursparken.
Utsprängningen av denna delsträcka pågick mellan 2011 och 2012. Arbetena i Fatbursparken fortskred dock till hösten 2015. Stockholmsåsen vid Fatbursparken bedömdes ha stor inverkan på sträckningen (Trafikverket, 2017a).
3.1.3 Tunnelanläggningen
Inom Citybanan ingår många olika sorters anläggningsdelar. Den huvudsakliga delen utgörs av huvudtunneln. Därtill finns även en parallell servicetunnel. Fyra tillfartstunnlar, flera arbetstunnlar, bland annat Norra station och Torsgatan, Station Odenplan och City med alla tillhörande delar samt infiltrationsanläggningar (Banverket, 2007a)
3.1.3.1 Teknisk beskrivning
I Citybanan är enkelspårtunnlarna utformade med en bredd om 8,5 meter och höjd om cirka 8,4 meter. Dubbelspårstunnlarna är utformade med bredden 13 meter och höjden cirka 8,8 meter. Se Figur 8.
Figur 8. Ritning över tvärsnittet av enkelspårtunnlarna, t.v. samt dubbelspårtunnlarna, t.h. (Banverket, 2007b).
Servicetunnlarna har ansatts minsta höjd samt bredd cirka 5,6 meter. Tvärtunnlarna är cirka 6 meter breda och 4 meter höga. Avståndet mellan servicetunnel och spårtunnel är normalt 10 meter men varierar mellan 9 och 20 meter (Banverket, 2007b).
Stationerna utgörs av komplexa bergrum med flera plan. Plattformsutrymmena utgörs av 225 meter långa och cirka 25 meter breda bergtunnlar (Banverket, 2007b).
3.1.3.2 Va-system
Vattnet som läcker in i Citybanan samlas upp i pumpgropen i tunnelns lågpunkt. Därifrån pumpas det vidare till reningsverket vid Stockholms Central. Det rena vattnet leds sedan ut i Norrströms i
Stockholm Vattens ledningar (Banverket, 2007e).
3.1.4 Kontrollprogram/uppföljningar
De förutsättningar som redovisades inför bygget av Citybanan var att avståndet mellan tillfälliga mätdammar i byggskedet skulle vara cirka 150 meter. Dessa mätdammar ska inte ligga närmare stuffen än 50 meter, dock ska mätdammen uppföras så snart som möjligt.
Mätningen av inläckageflöde under byggskede ska göras under den senare delen av ett produktionsuppehåll för att undvika att processvatten påverkar flödet. Mätningarna sker då i uppsamlingskärl nedströms respektive betongbarriär. I driftskedet sker permanent mätning av
inläckaget, inledningsvis sker mätningen manuellt i gemensam mätarbrunn från respektive spårtunnel samt servicetunnel. Omedelbart nedströms från mätarbrunnen har man i Citybanan reserverat plats för framtida potentiell utbyggnad till automatiskt system för flödesmätning (Banverket, 2007c).
15
3.1.4.1 Spårtunnel
I PM geohydrologi spårtunnel (2007a) planerades det att det inläckande grundvattnet till spårtunneln skulle mätas i mätdammar samt vid tunnelfronten mot tunnelstuff. Under driftskedet planerades inläckaget istället att mätas genom bortpumpat vatten i pumpanläggningar (Banverket, 2007a).
I delsträcka 1 för betongtunnel Tomteboda beräknades inläckaget fram till oktober 2011 som
differensen mellan utpumpat och tillfört vatten. Därefter baseras inläckaget på momentana mätningar i mätdammar (Trafikverket, 2012c).
I delsträcka 3 har inläckaget mätts i mätdammar och pumpgropar. Till en början beräknades inläckaget genom att processvatten och nederbörd subtraherades från uppmätt bortpumpat vatten.
Våren 2010 påbörjades mätningar av momentant flöde vid stabila förhållanden istället, på grund av en efterfrågad högre säkerhet i resultaten (Trafikverket, 2014b).
3.1.4.2 Södermalm
Under drivningen av tillfartstunneln på delsträcka A så saknades mätdamm för mätning av inläckage.
Dessa anlades när tunneln kommit i nivå med spårtunneln. Avläsning på flödesmätare visade dock på att tunneln hade ett lågt inläckage och i stort sett var torr, inläckagen skedde främst i samband med nederbörd och snösmältning (Trafikverket, 2017a).
Delsträcka B är en kort och flack del av spårtunneln där mätdammar inte kunde anläggas. Sträckan bedömdes också vid platsobservationer som mycket torr och har därför inte följts upp separat (Trafikverket, 2017a).
Inläckagemätningar har gjorts kontinuerligt och mätningarna varieras enligt beräkningar av förbrukat processvatten samt mängden utpumpat länshållningsvatten enligt installerade flödesmätare.
Differensen av detta ger det totala inläckaget (Trafikverket, 2012d).
3.1.4.3 Torsgatan
Arbetstunneln Torsgatan användes för bergarbeten under byggandet av Citybanans spårtunnel.
Byggtiden beräknades till 18–20 månader och tunneln var i drift fram till att Citybanan öppnas för trafik, varpå Torsgatan återställdes till gatumark och bergtunneln vattenfylldes. Tunneln var 570 meter i berg och cirka 130 meter tillfart i jord (Banverket, 2006a).
3.2 Norra länken
Norra länken sträcker sig från Karlberg till Värtan i Stockholm. Syftet med vägtunnelprojektet var att lösa trafikproblem såsom köbildningar och transporter av farligt gods genom staden och även för att möjliggöra byggandet av nya stadsdelar (Norra länken i korthet, 2011). Norra länken går mestadels i tunnlar och utformades med tre körfält i varje riktning samt en fil för av- och påfarter. De
förberedande arbetena startade 2006 och tunneln öppnade för trafik 2015 (Norra länken i korthet, 2011). Norra länken är den norra delen av en ofullständig ringled kring Stockholm (Spross, 2009).
Norra länkens totala sträckning är 13 kilometer, varav 9 kilometer går i bergtunnlar och 4 kilometer i betongtunnlar. Tunnlarna ligger relativt ytligt, under Lill-Jansskogen ligger tunneln endast 30 meter under markytan. I närheten till tunnlarna finns andra berganläggningar vilket inkluderar tunnelbana och tunnlar för överföring av vatten (BeFo, 2012).
3.2.1 Områdets hydrogeologi och geologi
En stor del av Norra länken ligger inom nationalstadsparken i området Ulriksdal-Haga-Brunnsviken- Djurgården. Enligt bestämmelser i miljöbalken får ny bebyggelse och anläggningar endast göras ifall det kan ske utan att det gör intrång i nationalstadsparken eller skadar landskapet på annat sätt. Detta ställde hårda krav på Norra länken vad gäller natur- och kulturmiljö (Vägverket, 2004a).
Tunneln är tills törsta del driven genom kristallint berg (Spross & Larsson, 2014). Geologin består av småbruten terräng, med växlande berglägen och dalgångar som är fyllda med friktionsjord och lera.
Tunneln är nära belägen Brunnsviken. Flertalet av de dalgångar som finns sammanfaller med sprick eller krosszoner i NV och NNV-lig riktning vilket innebär att Norra länken tvärar dessa (BeFo, 2012).
16
Bergtunnlarna inom Norra länken anlades till största delen genom bergschaktning. Tunnlarna drevs med förinjektering innan sprängning samt efterinjektering. Den sektion som belyses som svårast att täta är tunnelbotten då inläckage därifrån kan vara svårt att upptäcka (Vägverket, 2004a).
3.2.2 Områdesindelning
Norra länken är uppdelad i fem olika delområden: Norrtull, Bellevue, Roslagstull, Frescati och Värtan.
De delområdet som beaktas i denna rapport är enbart Roslagstull och en del av Frescati då det är där bergentreprenaderna är belägna samt det område som dräneras till samma VA-station. Dessa områden ligger inom nationalstadsparken och påverkas av Brunnsviken, Uggleviken och Stockholmsåsen (Vägverket, 2014a).
3.2.3 Tunnelanläggningen
Norra länken är också uppdelad i olika delprojekt, vilka i sin tur är indelade i olika entreprenader, se Figur 9. NLk3 är benämningen på bergentreprenaderna i Norra länken och inkluderar NL31-35, se Figur 9. Det är dessa delar som presenteras i resultatet av denna rapport. Övriga delar består till stor del av betongtunnlar och NLk1, området kring Norra station, är väldigt komplext att analysera.
Tunnlarna inom NLk3 är numrerade från 300–397.
Figur 9. Karta över Norra länken med entreprenader (Spross, 2009).
3.2.3.1 Va-system
Det inläckande vattnet, dränvattnet, samlas i Norra länken upp i tre anläggningar varifrån vattnet sedan pumpas vidare till antingen infiltration eller recipient. De tre anläggningarna är
pumpstationerna +26 581 och +26 181 och VA-station Roslagstull +26 381 (Trafikverket, 2016a). För placering av pumpstationerna och VA-station finns att se i Bilaga III. Bergtunnlarna inom Norra länken dräneras till VA-station 381. Detta inkluderar då NL 31–35 och delområdet 3, Roslagstull.
Området som dräneras till VA-stationen är det som är inringat i mitten i Figuren i Bilaga IIII.
Dränvattensystemets uppgift i Norra länken är att samla upp, rena, mäta flöde och pumpa vidare till infiltrationsanläggningarna. Dränvattnet samlas i dränvattenledningar som leds till
dränpumpstationer där vattnet sedan antingen går till reningsanläggning eller ut till recipient. Renat vatten med låg föroreningshalt återinfiltreras i berggrunden. Överskott av rent vatten leds till recipient via utloppspumpstationen P3 i VA-station 381. Det finns flödesmätare på pumpstationer och VA- station för att kunna registrera och följa upp flödet av inläckande grundvatten i de olika tunneldelarna, se Tabell 2 (Purac, 2011).
17
Tabell 2. Översikt av anläggningsdelar i Norra länken (Purac, 2011).
Anläggningsdel Komponent ID Område Beskrivning
181 +26 181 Norrtull Pumpstation för
avlopps- och dränvatten vid RT111
1/350
381 +26 381 Roslagstull VA-station vid RT314
1/250
581 +26 581 Värtan Pumpstation för
avlopps- och dränvatten vid RT511
0/230
3.2.4 Utredningar
Mellan 1994 och 1996 utfördes det en hydrogeologisk utredning inför bygget av Norra
länken. Dock stoppades Norra länken projektet 1997 på grund av att detaljplanen stred mot
lagstiftningen om nationalstadsparken. En ny detaljplan antogs i mars 2004 och i samband
med detta gjordes det en ny hydrogeologisk utredning. Bedömningen att en ny
hydrogeologisk utredning behövdes upprättas beror på att planerade konstruktioner
förändrats, ny information om grundvattenförhållanden finns samt att lagstiftning och
markanvändningen har förändrats sedan den första (Vägverket, 2004a).
3.2.5 Kontrollprogram/uppföljningar
Ett kontrollprogram installerades i Norra länken för att överse projektets gång under
byggtiden. I kontrollprogrammet ingick det att under konstruktion mäta det inläckande
grundvattnet till tunnlarna. Dessa mätningar skulle i sin tur jämföras med de prognoser som
hade gjorts i projekteringsskedet (Spross & Larsson, 2014). Enligt arbetshandlingarna ska
entreprenören dagligen mäta skillnaden mellan tillfört vatten till tunnlarna och det vatten som
pumpas ut, alltså det totala inläckaget av grundvatten. Mätningen ska genomföras under en
arbetsdag så att så många arbetsmoment som möjligt tas i beaktning. För att mäta inläckaget
så använde man sig i Norra länken av mätdammar och pumpar. Mätdammarna placerades
med 200 meter mellanrum och mätningar i mätdammarna genomfördes två gånger per månad.
Vid mätning får ingen aktivitet som orsakar vattenutsläpp ha skett under det senaste dygnet.
Vattenledningarna ska även av entreprenören vara besiktigade (Spross, 2009).
Minst två gånger i månaden skulle också mätningar i mätdammarna utföras. Dessa
genomfördes varannan vecka i slutet på helgen, efter det varit uppehåll av arbetet. (Spross,
2009). Mätningarna utfördes då med hink och klocka. Hinken sätts under röret i mätdammen
eller vid pumpens slangmynning. För större flöden mättes det hur mycket tiden det tog att
fylla en (NL 33 och NL 34), eller en tjugolitershink (NL 35). För de mindre flödena användes
en trelitershink med halvlitersgradering. Överskottet över halvlitern mättes också i ett mätglas
därefter för mer noggranna resultat. Mätglas användes dock inte i NL 35 (Spross, 2009).
Kontrollprogrammet för grundvatten för anläggningens driftskede startade i början av år
2015, då i huvudsak för bergtunnlarna i delen Norrtull-Värtan (Trafikverket, 2016a).
3.3 Strängnästunneln
