Implementering av sänkhammarborrning som geoteknisk undersökningsmetod
Lukas Fogelberg
Civilingenjör, Väg- och vattenbyggnad 2018
Luleå tekniska universitet
Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser
Implementering av sänkhammarborrning som geoteknisk undersökningsmetod Typ av publikation: Examensarbete, 30 högskolepoäng
Författare: Lukas Fogelberg
Utgivningsår: 2018
Utbildning: Civilingenjör Väg-och vattenbyggnad Universitet: Luleå tekniska universitet
Institution: Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser Handledare: Hans Mattsson, Luleå tekniska universitet
Extern handledare: Andreas Lundgren, WSP Sverige AB Examinator: Hans Mattsson, Luleå tekniska universitet
i
F
ÖRORDDetta examensarbete är det avslutande momentet på Civilingenjörsutbildningen Väg- och vattenbyggnad vid institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser vid Luleå tekniska universitet. Uppslaget till examensarbetet har kommit från Andreas Lundgren och Jonatan Brattberg på WSP Sverige AB i Stockholm.
Jag vill tacka mina handledare Andreas Lundgren/Jonatan Brattberg, WSP och Hans Mattsson, LTU för den hjälp jag fått under arbetets gång. Samtidigt vill jag rikta ett stort tack till min familj som stöttat mig under hela min studietid. Slutligen vill jag också tacka mina forna klasskamrater och lärare på LTU som förgyllt de senaste åren i mitt liv.
I september 2017 förlorade jag och min familj den mest underbara, roliga och framförallt omtänksamma människan som gått på denna jord, min mamma. Tack för alla dagar vi fick tillsammans. Du är oerhört saknad.
Luleå, Juni 2018 Lukas Fogelberg
ii
iii
S
AMMANFATTNINGUtvecklingen av sonderingsmetoder har pågått sedan cirka 100 år tillbaka med anledning av att det finns flera olika syften med en geoteknisk undersökning. Exempelvis kan det i ett projekt vara relevant att bedöma jordlagrens egenskaper medan det i ett annat handlar om att bestämma djupet till berg. Resultatet från de geotekniska undersökningarna mynnar ut i rekommendationer för till exempel grundläggning och stabilitet för olika typer av konstruktioner.
Examensarbetet behandlar en jämförelse av konventionell jord-bergsondering med den alltmer frekvent använda metoden sänkhammarborrning, där båda metoderna framförallt syftar till att bestämma bergöverytans läge vid geotekniska undersökningar. Jord-bergsondering består av fyra olika sonderingsklasser, Jb-1, Jb-2, Jb-3 och Jb-tot som skiljer sig främst med avseende på vilka borrparametrar som registreras vid sondering. Syftet med examensarbetet är att utforma ett underlag för att implementera sänkhammarborrning som en del i denna Jb-familj, då metoden idag saknar en egen sonderingsklass. Standarder och metodbeskrivningar för sonderingsmetoder vid geotekniska fältundersökningar är av stor betydelse för att uppnå kvalitetshöjning vid exempelvis utförandet av den specifika metoden.
Den stora skillnaden mellan metoderna är konceptet vid borrning. Vid konventionell Jb- sondering används topphammare där slagdonet sitter ovanpå stångpaketet, medan vid sänkhammarborrning sitter slagdonet precis ovanför borrkronan nere i borrhålet. Topphammaren drivs av hydraultryck medan sänkborrhammaren drivs av högtrycksvatten eller högtrycksluft som tillförs via vattenpump respektive kompressor.
Under arbetet har en korrelationsborrning med Jb-2 sondering och vattendriven sänkhammarborrning utförts i projektet TUB-A, Solna. Från denna korrelationsborrning erhölls endast en lyckad sondering, vilket medförde att fokuset med examensarbetet blev att identifiera skillnader mellan metoderna vid borrnings- och etableringsförfarandet. Från resultatet framkom att vid etablering av sänkhammarborrning krävs tillägg med extern vattenpump med arbetstryck upp till 180 bar, högstrycksslangar, extern svivelanordning, speciella borrstål och naturligtvis den vattendrivna sänkborrhammaren. I resultatdelen presenteras även för- och nackdelar mellan de olika borrprinciperna. Sänkborrhammarens fördel är framförallt vid sondering på stort djup där topphammaren förlorar sin funktion i form av förlust i slagenergi vid varje skarvtapp.
Topphammaren är å andra sidan en väletablerad metod som till exempel inte kräver någon extern utrustning, vilket också gör metoden fördelaktig ur ett kostnadsperspektiv.
För att underlätta vid metodbeskrivning för sänkborrhammaren som en egen sonderingsklass är det gynnsamt att efterlikna de sonderingsklasser som finns. I resultatet framgår att sonderingsklassen Jb-2 kan vara bäst lämpad att efterlikna.
I examensarbetets slutsats konstateras att goda förutsättningar finns för implementering av sänkhammarborrning som en egen sonderingsklass inom jord- och bergsondering, men att tillägg i utrustning och anpassningar vid parameterregistrering behöver göras. Vid redovisning kan metoden förslagsvis benämnas Jb-S, där S står för sänkborrhammare.
iv
v
A
BSTRACTThe development of sounding methods has occurred since approximately 100 years ago due to different purposes with geotechnical investigations. In one project, it can be of interest to determine the properties of the soil layers while in another project it can be relevant to determine the depth to rock. The outcome from geotechnical investigations are for example recommendations for the foundation and stability of different types of constructions.
This master’s thesis deals with a comparison between conventional Soil-Rock-sounding with the increasingly used method Down-the-Hole drilling (DTH), where both methods in geotechnical investigations primarily aim to determine the rock level beneath the ground. Soil-Rock-sounding consists of four sounding classes: Jb-1, Jb-2, Jb-3 and Jb-tot. The classes differs depending on what drill parameters are being registered during sounding. The purpose of the master’s thesis is to gather information to implement DTH as a part of the previously mentioned Jb-family, since the method today lacks its own sounding class. Standards and method descriptions for sounding methods for geotechnical field investigations are vital for obtaining quality improvement during, for instance, the execution of the specific method.
The large difference between the methods is the concept of drilling. During conventional Soil- Rock-sounding a top hammer is used where the hammer is placed above the drill pipe, whilst DTH has the hammer situated on top of the drill bit, down in the drill hole. The top hammer is powered by hydraulic pressure whilst DTH is powered by pressurized water or air applied on the hammer.
During the study a correlation drilling between Jb-2 sounding and water-powered DTH has been performed at the project TUB-A, Solna. The correlation drilling was only successful in one sounding point which implicated that the focus on the study became to identify differences between the methods during drilling and establishment. The results showed that during establishment of the DTH method it is necessary to add equipment such as an external high pressure water pump with operating pressure up to 180 bar, high-pressure hoses, external swivel device, specific drill rods and of course the water-powered down-the-hole hammer. The result covers also advantages and disadvantages between the drilling principles. The advantage with DTH is especially when sounding on great depths, where the top hammer loses its function due to loss in impact energy at every connector plug. The top hammer is on the other hand a well- established method and does not require any external equipment, for example, which also makes the method advantageous from a cost perspective.
In order to facilitate the method description for DTH as its own sounding class, it is beneficial to imitate the already existing sounding classes. The result showed that the sounding class Jb-2 might be best suited to imitate.
Conclusively the study shows that good conditions exists for implementation of DTH as its own sounding class within Soil-Rock-sounding, but that additional equipment and adaptations in parameter registration are necessary. It is suggested that the method is referred to as Jb-S, where the letter S defines DTH by its Swedish name (Sänkborrhammare).
vi
vii
I
NNEHÅLLSFÖRTECKNING1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund och problembeskrivning ... 1
1.2 Syfte och mål ... 1
1.3 Frågeställning ... 2
1.4 Metod ... 2
1.5 Avgränsningar ... 2
1.6 Disposition ... 2
2 Litteraturstudie ... 3
2.1 Geotekniska sonderingsmetoder ... 3
2.1.1 Geotekniska undersökningsmetoders utveckling ... 3
2.2 SGF metodbeskrivningar ... 5
2.3 Jord-bergsondering ... 6
2.3.1 Sonderingsklasser och mätbara parametrar ... 6
2.3.2 Utrustning ... 8
2.3.3 Utförande ... 10
2.3.4 Användningsområden och begränsningar för de olika sonderingsklasserna ... 11
2.3.5 Kalibreringsborrning ... 11
2.4 Hammarborrning ... 12
2.4.1 Energiöverföring ... 13
2.4.2 Vattendriven sänkborrhammare - Wassara... 13
2.4.4 Utrustning – WDTH ... 15
2.4.5 Luftdriven sänkborrhammare ... 18
2.4.6 För- och nackdelar luft och vattendrivet system ... 18
2.5 Borrkaxprovtagning och BIPS-tekniken ... 19
2.6 Geotekniska undersökningar med MWD-styrd sänkborrhammare ... 19
3 Resultat ... 23
3.1 Fältförsök – TUB-A, Solna ... 23
viii
3.1.1 Inledning ... 23
3.1.2 Metodval ... 23
3.1.3 Utförande vid borrning och erfarenhetsåterföring ... 24
3.2 Samband mellan borrmotstånd och vattentryck ... 27
3.3 Utvärdering av omvandling hammartryck till vattentryck ... 28
3.4 Jämförelse med befintliga sonderingsklasser ... 28
3.5 För- och nackdelar: Jb med topphammare mot sänkborrhammare ... 28
3.7 Förslag på parameterregistrering i metodbeskrivning för sänkborrhammare ... 30
3.8 Beräkningsexempel – Energiförlust på 30 m ... 31
4 Diskussion och analys ... 33
5 Slutsats ... 35
5.1 Förslag till fortsatta studier ... 35
Referenser ... 37 Bilaga 1 Redovisning av sondering med vattendriven sänkborrhammare
Bilaga 2 Redovisning av sondering med konventionell Jb-2
ix
N
OMENKLATURJord-bergsondering – Geoteknisk undersökningsmetod som framförallt används för att bestämma bergytans nivå.
Topphammare – Hammarborrning där hammaren är placerad ovan geoborrstänger.
Sänkborrhammare – Typ av hammarborrning där hammaren är placerad direkt ovan borrkronan.
SGF Metodbeskrivning – Styrande dokument som beskriver utförande, utrustning och kontroll för en viss geoteknisk metod.
MWD – En förkortning av Measuring While Drilling vilket innebär mätning av borrparametrar under borrning.
Periferihastighet – Den sträcka som en punkt längs omkretsen på borrkronan rör sig per sekund.
Borrkax – Demolerat material som spolas upp efter borrning.
x
1INLEDNING
1
1 I
NLEDNINGDetta avsnitt behandlar bakgrund, syfte och mål med examensarbetet. Genomförandet samt gjorda avgränsningar presenteras även här.
1.1 B
AKGRUND OCH PROBLEMBESKRIVNINGGeotekniska undersökningar som syftar till att erhålla information om djup till bergöveryta kopplas ofta ihop med undersökningsmetoden konventionell jord-bergsondering med topphammare. Enligt SGF Rapport 4:2012 bedöms denna metod uppfylla sin funktion att erhålla information om bergöverytans nivå då bergets överyta inte befinner sig mer än 30 m under markytan. Vid djupare sondering rekommenderas istället en annan metod och då främst sondering med sänkborrhammare. Orsaken till att jord-bergsondering förlorar sin funktion är att topphammaren mister cirka 6-10 % i slagenergi vid varje borrstålskarv för vanliga geostänger (44 mm R32-stål) vid konventionell Jb-sondering (Brattberg, 2018). I kombination med detta kan även slagenergi förloras på grund av hanteringen vid borrningsförfarandet och beroende på funktionsstatusen hos skarvtapp. På grund av den förlorade slagenergin från topphammaren riskerar mätbara borrparametrar att misstolkas vid sondering på djupa nivåer.
Detta examensarbete har utförts till följd av att det idag inte finns en egen sonderingsklass vid geotekniska undersökningar med sänkborrhammare. Utöver problematiken nämnd i stycket ovan har detta lett till att vid varje nytt utförande av sänkhammarborrning måste metoden specificeras på nytt. Risken blir då att undersökningar utförs på olika sätt vilket medför att utövaren av metoden går miste om tidigare erhållna erfarenheter och kunskaper vilket kan leda till felbedömningar av jordlagerföljder och bergöverytans läge.
1.2 S
YFTE OCH MÅLSyftet med detta examensarbete är att utforma en del av ett underlag för metodbeskrivning av Jb- sondering med sänkborrhammare vilket i ett senare skede kan leda till en ny sonderingsklass för sänkhammarborrning. Detta har påtalats i Sveriges Geotekniska Förenings (SGF) metodbeskrivning för Jb-sondering,
”Inom området geoteknisk fältgeoteknik är sonderingsborrning i berg med sänkborrhammare ett intressant utvecklingsområde som på sikt torde kunna
utgöra en egen sonderingsklass”. – SGF
Målet är att övergripligt beskriva sänkhammarborrnings utvecklingspotential och förutsättningar vid geotekniska undersökningar gentemot konventionell Jb-sondering. Resultatet av arbetet kan möjligen användas vid vidare utredning av sänkborrhammare som en geoteknisk jord- bergsonderingsmetod.
1INLEDNING
2
1.3 F
RÅGESTÄLLNINGFöljande frågeställningar kommer att försöka besvaras i examensarbetet:
Är metodbeskrivning för jord-bergsondering med sänkborrhammare genomförbar?
Vilka är fördelarna med sänkborrhammare som Jb-sonderingsmetod jämfört med konventionell topphammare?
Vad krävs för att implementera sänkhammarborrning antingen med luft eller vatten som en egen sonderingsmetod hos SGF?
Vilka utvecklingsmöjligheter finns för vattendriven sänkborrhammare som egen Jb- sonderingsmetod?
1.4 M
ETODFör att besvara frågeställningen om implementering av sänkhammarborrning som egen sonderingsklass har en litteraturstudie och analys av fältförsök genomförts. Fokus vid litteraturstudien har varit att beskriva jord-bergsondering och metoden för sänkhammarborrning och i vilka sammanhang metoderna används. Litteraturen som använts består huvudsakligen av rapporter inom fältgeoteknik. I tillägg till litteraturstudien har även personliga samtal utförts med branschspecifika personer. Vid fältförsöket har observationer gjorts om hur geoteknisk sonderingsborrning med sänkborrhammare skiljer sig mot jord-bergsondering, vilket har varit en väsentlig del för att styrka de argument som framförts i diskussionen och slutsatsen.
1.5 A
VGRÄNSNINGARFokus i arbetet ligger på att diskutera möjligheterna för geoteknisk sonderingsborrning med vatten- och luftdriven sänkborrhammare, där fokus primärt har varit på vattendriven sänkborrhammare. Initialt var tanken att en utförlig fältstudie skulle genomföras men efter viss problematik vid utförandet, vilket enbart genererade en lyckad sondering, kommer examensarbetet utöver resultatet från denna sondering enbart hålla sig på en teoretisk nivå i form av en utökad litteraturstudie.
1.6 D
ISPOSITIONExamensarbetet har följande disposition:
Kapitel 1. Inledning med frågeställningar, syfte och avgränsningar Kapitel 2. Litteraturstudie
Kapitel 3. Resultat
Kapitel 4. Diskussion och analys
Kapitel 5. Slutsats och förslag till fortsatta studier
2LITTERATURSTUDIE
3
2 L
ITTERATURSTUDIEI detta kapitel beskrivs historik kring geotekniska sonderingsmetoder, en beskrivning av de aktuella borrmetoderna samt tidigare utförd sondering med sänkborrhammare.
2.1 G
EOTEKNISKA SONDERINGSMETODERBegreppet sondering används för alla undersökningar där syftet är att erhålla information om jordlagers relativa fasthet och mäktighet. För att driva sondstängerna nedåt nyttjas tryck, vrid och slag eller en kombination av dessa. Typer av sonderingar som nyttjas är statisk- och dynamisk sondering där skillnaden mellan dessa är hur neddrivningen av sonden utförs. Vid statisk sondering drivs sonden primärt genom statisk belastning, ofta i kombination med rotation. Vid dynamisk sondering kombineras funktionerna från statisk sonderingen med tilläggsfunktionerna slag och spolning. (Bergdahl, 1984)
Vid användning av statiska sonderingsmetoder gäller att dessa har mindre nedträngningsförmåga i jorden men att dessa samtidigt ger bättre utsikter att bedöma variationer i fasthet hos lösare jordarter. (SGF, 2013) Geotekniska undersökningsmetoder som tillhör kategorin statiska är bland annat viktsondering, förkortat Vim, totaltrycksondering (TrT) och spetstrycksondering (CPT- sondering) medan de dynamiska omfattar till exempel hejarsondering (HfA), motorslagsondering (Slb) samt jord-bergsondering (Jb).
2.1.1 GEOTEKNISKA UNDERSÖKNINGSMETODERS UTVECKLING
En geoteknisk undersökning kan ha flera olika syften, varför det med tiden utvecklats fler och fler undersökningsmetoder. I allmänhet kan man idag se ett intresse i att kartlägga de geologiska förhållandena på plats i form av att utföra adekvata undersökningar i jord, berg och grundvatten.
Dessa undersökningar skapar också utrymme för att bestämma de geotekniska egenskaperna hos det aktuella mediet, vilket sedermera används för att ge rekommendationer för grundläggning och stabilitet för diverse konstruktioner.
Viktsondering var en av de första sonderingsmetoderna som användes i Sverige. Det var en metod som utvecklades 1915 av SJ:s geotekniska kommission huvudsakligen för att bedöma och undersöka risken för skred vid järnvägsbankar. Metoden kan användas både manuellt och maskinellt, även om viktsondering idag i princip uteslutande används i form av maskinellt utförande. Vid genomförandet av metoden gäller att viktsonden används som en statisk sond i lös jord när neddrivningsmotståndet är mindre än 1 kN. Vid förekomsten av ett motstånd som överskrider 1 kN ska sonden vridas med oförändrad kraft av 1 kN och antalet halvvarv för 0,2 m sjunkning noteras. Från detta förfarande fick man fram neddrivningsenheten hv/0,2 m. Metoden används för att erhålla information om jordlagerföljd samt hållfasthets- och deformationsparametrar för lösare friktionsjord. Viktsondering är den äldsta svenska
2LITTERATURSTUDIE
4
standardiserade sonderingsmetoden och gäller nu under SGF rapport 1:2013 och SS-EN ISO/TS 22476-10:2005.
Då tillämpningsområdet för viktsonderingen gäller för lösare sediment uppkom ett behov av att få tillförlitliga sonderingsresultat för fastare jordarters relativa fasthet, så som fast grus eller morän. Den dynamiska sonderingsmetoden hejarsondering utvecklades 1935 och kom att användas för att utvärdera hållfasthets- och deformationsparametrar i grövre och fastare jord samt för att bestämma fasta bottens läge. Metoden utfördes på denna tid helt manuellt men har även den utvecklats för motordriven sondering. Vid utförandet av hejarsondering överförs slagenergi från en frifallshejare till en konad cylindrisk sondspets som drivs ned i jorden. Motståndet registreras i antal slag per 0,2 m sjunkning hos sonden. Styrande dokument och standarder som gäller för hejarsondering innefattar SGF rapport 1:2013 och SS-EN ISO 22476-2. (SGF, 2013) I Figur 1 ses utrustningen vid manuellt utförande av sonderingsmetoden viktsondering.
Figur 1. Manuell viktsondering (Bergdahl, 1984).
Likvärdigt hejarsondering utvecklades även tung motorslagsondering för att bedöma fasta bottens läge och relativ fasthet i grövre jordarter. Utrustningen vid slagsondering består i all sin enkelhet av sondstänger som drivs ned i jorden med en hammare, antingen luft- eller hydrauldriven, även om den hydrauldrivna är den i särklass mest använda idag. Slagsondering, till skillnad från hejarsondering, kan inte utvärdera hållfasthets- och deformationsegenskaper i jorden, utan metoden syftar mer eller mindre enbart till att kontrollera så kallat bergfritt djup för till exempel schakter och ledningar av olika slag, utan att helt säkert veta var bergöveryta är belägen. Vid utförandet av slagsondering mäts motståndet i antal sekunder för 0,2 m sjunkning. (SGF, 2013)
2LITTERATURSTUDIE
5 Ovanstående slagsondering och hejarsondering som används vid sondering ner till ”bergfritt djup” implicerar inte någon säkerhet i att bergöveryta har nåtts vilket lett till att metoden jord- bergsondering utvecklats. Jord-bergsondering tros ha sitt ursprung i en metod som användes av Stockholms gatukontor 1947, där man slog ned ett specialkonstruerat foderrör med tryckluftsdriven sponthammare, för att sedan med handhållen borrutrustning borra sig genom röret ned i berget. Metoden utvecklades sedan till att brukas med borriggar drivna av tryckluft och det var inte förrän 1974 som SGF tog fram ett förslag till standardisering av metoden.
Förslaget innefattade en uppdelning av utrustningen i tre olika viktklasser, där man begränsade den lätta och medeltunga borrutrustningen till ett rekommenderat borrdjup av 8 respektive 15 m.
Likt tidigare standardiserade metoder så som Vim och Slb använde man även här ett mått på borrmotståndet i 200 mm intervall.
Under 1980-talet utvecklades metoden både maskinellt och vad gäller registrering av borrparametrar. Borrmaskin och hammare ersattes från luftdrivet till hydrauldrivna och parameterregistreringen övergick från analog till digital. Denna utveckling resulterade i att en metodbeskrivning togs fram i slutet av 1990-talet där metoden blev indelad i 3 olika klasser beroende på hur många parametrar som registrerades. I metoden utformades även krav på mätnoggrannhet, utförande och kontroller som resulterade i att borrutrustning såsom borrkrona och hammarens slagenergi inte behövde specificeras. Det enda som krävdes var att kalibreringsborrning utfördes så att värdet på borrsjunkningen hamnade inom ett förutbestämt intervall. (SGF, 2012)
Metoden utvecklas kontinuerligt genom att utforma kompletterande metoder till jord- och bergsondering, till exempel så kallad BIPS-loggning och borrkaxprovtagning, men även implementering av jord-bergsonderingsklassen Jb-totalsondering som under mitten av 2000- talets första decennium standardiserades i Sverige. Till skillnad från ovan nämnda viktsondering och hejarsondering finns idag ingen specifik Europeisk metodstandard för användningen av jord- bergsondering. Jord-bergsondering kommer istället att ingå i en Europeisk metodstandard för MWD (Measuring While Drilling) som är under framtagande.
2.2 SGF
METODBESKRIVNINGARSvenska Geotekniska Föreningen (SGF) är en ideell förening som generellt syftar till att främja utvecklingen inom geoteknik, både nationellt och internationellt. Ett av åtagandena som SGF har är att ge ut metodbeskrivningar för geotekniska undersökningar i både fält och i laboratorium.
Det finns ett antal olika kommittéer i föreningen som arbetar med standardiseringsfrågor och framtagandet av metodbeskrivningar.
2LITTERATURSTUDIE
6
Metodbeskrivningarnas gemensamma mål är att:
driva teknikutveckling framåt
uppnå kvalitetshöjning inom området
användas vid utbildning och kompetenshöjning
bidra till bättre ekonomi för användaren, det vill säga, att kunna användas som underlag vid upphandling vid till exempel geotekniska undersökningar.
Metodbeskrivningarna uppdateras och omarbetas löpande. Den nuvarande metodbeskrivningen för jord-bergsondering är en uppdaterad och omarbetad version av den tidigare rapporten SGF Rapport 2:99. Uppdatering och omarbetningen innefattar inarbetning av Jb-totalsondering samt ett tydliggörande av sonderingsklassen Jb-3.
2.3 J
ORD-
BERGSONDERINGJord- bergsondering (Jb-sondering) är en standardiserad geoteknisk undersökningsmetod i Sverige som nyttjas för sondering i jord och berg med hydrauldrivna borrmaskiner med borrstänger och borrkrona. Det primära användningsområdet med metoden är att erhålla information om djup till bergöveryta, men kan även i kombination med att finna djup till berg användas för bedömningar av jordlagerföljder och blockigheten i marken.
2.3.1 SONDERINGSKLASSER OCH MÄTBARA PARAMETRAR
Jord-bergsondering består idag av fyra stycken olika sonderingsklasser, Jb-1, Jb-2, Jb-3 och Jb- tot, där skillnaden mellan dessa är vilka borrparametrar som mäts och registreras vid sondering.
Mätnoggrannheten för parametrarna varierar beroende på vilken sonderingsklass som används. I nedanstående Tabell 1 redovisas en sammanställning av registrerade parametrar som ingår vid de olika sonderingsklasserna.
Tabell 1. Parametrar som mäts vid de olika klasserna.
Parametrar Enhet Sonderingsklass
Jb-1 Jb-2 Jb-3 Jb-tot
Djup m X X X X
Borrmotstånd s/0,20 m X X X X
Sjunkhastighet mm/s - X X X
Matningskraft kN - X X X
Hammartryck MPa - X X X
Tryck på vridmotor MPa - X X X
Varvtal rpm - X X X
Spoltryck MPa - - X -
Spolflöde l/min - - X -
Spolmedium - Vatten eller luft Vatten eller luft Vatten Vatten eller luft1
1Luft vid Jb-totalsondering förekommer enbart vid till exempel extrem kyla.
2LITTERATURSTUDIE
7 Vidare finns kravspecifikationer för de olika sonderingsklasserna beträffande mätnoggrannheten för varje enskild parameter, se Tabell 2. Siffrorna anger maximalt tillåtet fel i varje mätvärde för respektive parameter.
Tabell 2. Mätnoggrannhet för registrerade parametrar.
Parametrar Enhet Intervall1 Sonderingsklass
Jb-1 Jb-2 Jb-3 Jb-tot
Mätfrekvens m - 0,20 0,025 0,025 0,025
Djup mm/m Hela mätområdet 2,5 2,5 2,5 2,5
Borrmotstånd s Hela mätområdet 1 - - -
Sjunkhastighet % Hela mätområdet - 1 1 1
Matningskraft kN 0-10 kN - ±0,25 ±0,25 ±0,25
% > 10 kN - 5 5 5
Hammartryck % Hela mätområdet - 2 2 2
Tryck på vridmotor
% Hela mätområdet - 2 2 2
Varvtal rpm Hela mätområdet - 1 1 1
Spoltryck % Hela mätområdet - 2 2 2
Spolflöde % Hela mätområdet - 2 2 2
1Mätområdet redovisas i Tabell 3.
Mätning av hammartryck görs för att notera på/av-funktionen för hammarslag och för att notera om slagenergin är konstant under sondering. Borrmotståndet anger det motstånd från jord och berg som erhålls vid neddrivning av borrsträngen. Motståndet mäter den tid det tar för borrkronan att sjunka nedåt i intervall om 0,20 m. Funktionen för matningskraft används för att hålla nackadaptern i kontakt med borrsträngen och för att se till att borrkronan alltid ligger an mot hålbotten. Tryck på vridmotor anger rotationsmotståndet vid rotation av borrsträngen.
Exempel på redovisning av registrerade borrparametrar för sonderingsklasserna Jb-2 och Jb-3 presenteras i Figur 2 respektive Figur 3.
Figur 2. Sonderingsstapel med registrerade parametrar för Jb-2.
2LITTERATURSTUDIE
8
Figur 3. Sonderingsstapel med registrerade parametrar för Jb-3.
2.3.2 UTRUSTNING
Vid jord-bergsondering förutsätts ett flertal utrustningskomponenter samverka med varandra vilket således medför att metoden är relativt komplex. Utrustningsdelar som skall samverka är hydraulik, spolning, hammare, borrstål, borrkrona i kombination med ett avancerat mätsystem.
(SGF, 2012) 1. Borrigg
Vid utförandet av metoden jord-bergsondering ställs krav på den borrigg som används vid sondering. För att metoden ska kunna utföras korrekt krävs att borriggen uppfyller följande krav:
tryckkraft ≥ 50 kN
dragkraft ≥ 80 kN
vridmoment ≥ 2200 Nm
varvtal ≥ 80 varv/min
motoreffekt ≥ 42 kW
hydrauloljevolym ≥ 70 liter.
Borriggen måste väga över 2000 kg för att säkerställa att den inte rör sig i varken vertikal- eller horisontalled. Kravet på motoreffekt grundar sig i att effekten måste vara tillräcklig för att hastigheten på rotation, matning och slag i hammaren ska uppfylla det reglerade intervallet för sjunkhastighet. (SGF, 2012)
2. Hammarutrustning
Vid jord-bergsondering består utrustningen av en hammare, nackadapter, svivel och rotationsväxel. Den hydrauliskt drivna topphammaren ska tillsammans med borrkronan väljas så att sjunkhastigheten i hårt osprucket berg är mellan 3,3 – 10 mm/s och om detta översätts till borrmotstånd gäller 60 – 20s/0,2 m. Detta gäller för samtliga sonderingsklasser. Topphammaren ska uppnå en slagenergi på 2200 J och har slagfrekvens på maximalt 1100 – 1400 slag/minut. (SGF, 2012)
3. Borrkronor
Borrkronor som används vid jord-bergsondering varierar mellan skärborrkrona och stiftborrkrona beroende på syftet med undersökningen. Skärborrkronan har fördelen att den i allmänhet ger rakare hål, mer exakt upplösning av sprickor och slag i berget medan borrning med stiftborrkrona åstadkommer en högre borrsjunkningshastighet samt att kronan har en längre livslängd, vilket är fördelaktigt ur ett ekonomiskt perspektiv. (SGF,
2LITTERATURSTUDIE
9 2012) I Figur 5 ses till vänster skärborrkronor och till höger stiftborrkronor. Stiften som används kan antingen ha sfärisk eller ballistisk/semi-ballistisk form, se Figur 4. Med ballistisk form menas att stiften är spetsigare.
4. Borrstål
Dimensioner på borrstål och borrkrona är inte reglerat för någon av sonderingsklasserna, med undantag för Jb-totalsondering där kravet på dimension på stänger är 44 mm och borrkronan ska vara en 57 mm stiftborrkrona med backventil. Trots detta är dimensionerna 44 mm geostång och 57 mm borrkrona en ofta använd kombination. En anledning till detta är att differensen mellan stång och borrkronan inte får vara för liten då det finns en risk att jordfriktionen på geostången blir för omfattande samt att valt spolmedia bygger upp ett oönskat tryck i marken då spolmediet begränsas på sin väg upp ur hålet. (SGF, 2012)
5. Spolmedel
Spolmedel används för att kyla ned borrkronan och framförallt för att rensa borrhålet från borrkax. Spolmedia som används är framförallt vatten och luft, men i vissa fall kan även tillsatser i form av tung borrvätska, skum eller polymerer användas för att stabilisera borrhålet. (SGF, 2012)
Figur 5. Skärborrkronor och stiftborrkronor. (SGF, 2012)
Figur 4. Sfäriskt stift till vänster och två ballistiska stift till höger. (SGF, 2012)
2LITTERATURSTUDIE
10
6. Registreringsutrustning
Vid registrering av borrparametrar samlas data in till ett gränssnitt från så kallade givare som är monterade på sådant sätt att aktuell parameter mäts. Gränssnittet för vidare mätdata till ett datalogger-program som kontinuerligt presenterar loggningen under borrningen. I Tabell 3 redovisas de givare som normalt används vid Jb-sondering samt inom vilket intervall som mätområdet ligger. (SGF, 2012)
Tabell 3. Givare och mätområde för givare vid jord-bergsondering.
Givare Mätområde
Kraftgivare 0-50/100 kN
Djupgivare 0-50/200 pulser/cm
Rotationsgivare 0-16/60 pulser/varv
Tryckgivare för hammartryck 0-250/400 bar Tryckgivare för rotationstryck 0-250/400 bar Tryckgivare för vattentryck 0-60 bar
Flödesgivare vatten 0-100 liter/min
2.3.3 UTFÖRANDE
Jord-bergsondering utförs genom att borrstål och borrkrona förs ner i marken via slagenergi som överförs från en slaghammare, som vid topphammarborrning sitter ovanpå stångpaketet. Vid lågt motstånd pressas och roteras borrkronan med borrstål för att lyckas forcera det aktuella mediet, till exempel vid lösare sediment. Då borrkronan upplever ökat motstånd påförs även en slagenergi som överförs från topphammaren, denna på/av-funktion av slag på hammaren styrs av fältgeotekniker. Under sonderingen ska borrparametrarna matningskraft, rotationshastighet, hammartryck och spolmediatryck (Jb-3) försöka hållas konstanta i största möjliga mån. Vid sondering i berg används parameterinställningar som erhållits från kalibreringsborrning och vid sondering i jord används parameterinställningar anpassade efter jordförhållandena som råder.
Bedömning av jordförhållandena är baserade på tidigare erfarenheter vid sondering i jord. För att säkerställa bergytans nivå ska sonderingen drivas 3 eller 5 meter i förmodat berg. Orsaken till olika neddrivningsdjup i berg beror på för vilket grundläggningssyfte undersökningen är gjord.
Allmänt gället 3 meter för hus, ledningar och vägar medan 5 meters djup rekommenderas vid sondering för broar, underjordkonstruktioner och speciella huskonstruktioner. För att hålla området framför borrkronan fri från lösa fragment spolas borrhålet med antingen luft eller vatten samtidigt som kronan forcerar sig nedåt. (SGF, 2012) Spolningen ska för luft anta en minsta hastighet av 10 m/s vid borrning i berg av ”normal” karaktär, det vill säga med en densitet av ca 2,7 ton/m3. Vid vattenspolning krävs att uppåthastigheten ur hålet inte understiger 0,5 m/s. Dessa hastigheter har en avgörande betydelse för uppspolning av borrkax. Utrymmet mellan dimensionen på borrkronan och borrstången spelar en avgörande roll för spolhastigheten då en större skillnad i dimension mellan dessa kräver ett högre flöde.
2LITTERATURSTUDIE
11 2.3.4 ANVÄNDNINGSOMRÅDEN OCH BEGRÄNSNINGAR FÖR DE OLIKA SONDERINGSKLASSERNA
Från Tabell 1 ses att jord-bergsondering Jb-1 är den mest simpla sonderingsklassen, då den enbart mäter djup och borrmotstånd vid neddrivning. Enligt SGF (2012) gäller även att djupbestämningen till berg är sämre för denna klass jämfört med resterande mer utvecklade sonderingsklasser. Denna klass ska normalt inte användas då borrning sker med en fullt utrustad geoteknisk borrigg, utan då bör jord-bergsondering Jb-2 utföras. Utförandet och krav på utrustning för denna metod gäller enligt kraven och utförandet för Jb-2.
Primärt används Jb-2 sondering för att bestämma bergnivå, men kan även i speciella fall användas för att översiktligt bedöma bergets kvalité samt ge en uppfattning om hur grovkornig jorden är.
När bergnivån är nådd borras vanligtvis 3 till 5 m i berget för att utesluta att borrning skett i block alternativt rösberg, det vill säga vittrat och uppsprucket berg som ligger ovan fast bergöveryta.
Begränsningar finns gällande borrning på djupa nivåer vilket medför att den friska bergnivån kan vara svår att urskilja på grund av den tidigare påtalade energiförlusten som sker mot djupet vid användning av topphammare. Ett alternativ som påtalas i SGF:s metodbeskrivning är då att överväga sänkborrhammare. Sonderingsklassen Jb-3 svarar mot Jb-2 i utförande och parameterregistrering med undantag för att även spolmediaflöde och spolmediatryck lagts in som mätbara borrparametrar, se Tabell 1. Loggningen av spolmediatrycket används primärt för att detektera större sprickor när sonderingen övergått i berg, det vill säga resultatet av ökat eller minskat vattentryck kan visa på vattenförande sprickor. Jämfört med Jb-2 är det fördelaktigt att använda Jb-3 vid borrning i sedimentärt berg och där komplexa förhållanden råder gällande grundläggnings- och bergarbeten. Vid Jb-3 sondering kan även returvatten mätas för att identifiera om borrkax fyller och sätter igen sprickor i berget.
För den senaste implementerade metoden Jb-tot gäller även samma förutsättningar som för Jb-2 med undantag för att ett statiskt vridtrycksskede lagts till vid sonderingen. Detta statiska skede är tänkt att rationalisera jord-bergsonderingen genom att motsvara statiska sonderingsmetoder så som vikt- och mekanisk trycksondering. (SGF, 2012)
2.3.5 KALIBRERINGSBORRNING
För att de registrerade borrparametrarna ska vara tillförlitliga måste kalibreringsborrning utföras.
Kalibreringsborrning är en nyckelfaktor för utvärdering av uppmätta parametrar vid jord- bergsondering. Borrparametrar ska anpassas så att sjunkhastigheten vid sondering befinner sig inom ett bestämt intervall för att slippa specificera använd borrutrustning på detaljnivå, till exempel borrkrona och slagenergi från hammare. Det rekommenderas att kalibreringsborrning bör utföras minst var sjätte månad, eller före varje start av större projekt. (SGF, 2012)
Vid inställning av borrparametrar är syftet att anbringa minsta möjliga slitage på utrustningen och framförallt erhålla en så effektiv borrning som möjligt. För att uppnå detta väljs först det hammartryck som berget tar emot för att sedan justera varvtalet med hänsyn till vald krondiameter
2LITTERATURSTUDIE
12
och hammarfrekvens, varvtalet väljs så att stiftborrkronans periferihastighet är 10 mm/slag och skärborrkronans 12,5 mm/slag vid konventionell geoteknisk sonderingsborrning. För att erhålla en jämn och bra rotation vid borrningen ska sedan matningskraften anpassas. En tumregel är att vid högt hammartryck ska matningskraften alltid vara högre än vid lågt hammartryck. (SGF, 2012)
2.4 H
AMMARBORRNINGVid hammarborrning brukar man i huvudsak skilja på två typer av borrprinciper: borrning med topphammare och sänkborrhammare. Redan 1873 utvecklades hammarborrning med luftdrivna topphammare för produktion inom gruvdriften i Sverige och för att driva denna borrutrustning användes på denna tid, som tidigare nämnts under kapitel 2, luftdrivna borriggar för att efter ungefär ett sekel gå över till hydrauldrivna borrmaskiner. Vid denna tidsperiod anpassades även maskinerna för borrning med vatten som spolmedel. Vad gäller sänkhammarborrning initierades användningen av denna borrmetod under 1950-talet, även då med luftdrivna borriggar, och det var inte förrän 1988 som upptäckten av vattendrivna sänkborrhammare lade grunden till dagens Wassara-teknik. Ursprungligen var det Atlas Copco som hade patentet för konceptet med vattendriven sänkborrhammare, men detta patent förvärvades av G-Drill som i sin tur år 1991 kom att förvärvas av gruvdriftskoncernen Luossavaara-Kiirunavaara Aktiebolag (LKAB). G- Drill blev därmed ett dotterbolag till LKAB och kom att byta namn till Wassara år 2001. (Bruce, Lyon, & Swartling, 2013) Användningen var då primärt tänkt för kommersiellt bruk inom gruvdriften och har framförallt sin största marknad där fortfarande. I samklang med att produktivitetskraven blivit högre med avseende på att till exempel borra raka och långa hål har dessa metoder utvecklats för att nå en så hög effektivitet som möjligt vid borrning, se Figur 6.
Figur 6. Utveckling av tekniker beträffande hammarborrning. (LKAB Wassara AB, 2015)
Skillnaden på konceptet vid borrningen mellan dessa metoder är att vid topphammare sitter slagdonet ovanpå stångpaketet medan vid sänkborrhammare sitter slagdonet precis ovanför borrkronan. Denna skillnad genererar inte bara en effektivare penetration av berget utan också mindre hålavvikelse för sänkborrhammare jämfört med topphammare. Enligt Wassara (2015) uppgår hålavvikelsen till 5-10% med topphammare på stora djup, medan avvikelsen för
2LITTERATURSTUDIE
13 sänkborrhammaren är marginell. Vad gäller spolning vid de båda borrprinciperna kan såväl luft- som vattenspolning användas, men till skillnad från luft-och vattenspolning med topphammare spelar användningen av spolmedia en väsentligt större roll vid sänkhammarborrning. Vid användning av topphammare, till exempel vid jord-bergsondering, är syftet med spolmediet att spola hålet rent, medan syftet vid sänkhammarborrning är att både kontinuerligt föra ut lossade jord- och bergpartiklar för att hålla hålbotten ren samt att åstadkomma hammarverkan på slagkolven. Det finns emellertid fördelar och nackdelar med vatten- och luftdriven spolning vilket presenteras under kapitel 2.4.6.
Sänkhammarborrning används idag i fler sammanhang än vid gruvdrift. Exempel på användningsområden där sänkborrhammare används är bland annat vid brunnsborrning, foderrörsdrivning och borrning av stålrörspålar.
2.4.1 ENERGIÖVERFÖRING
Den energiöverföring som sker vid hammarborrning utgår från att en borrmaskin överför energi via borrstål och borrkrona till berget. Vid topphammarborrning är den väsentliga delen kolven som skickas fram och slår mot borrstångens nacke i form av en stötvåg. Stötvågen förflyttas längst borrstålet med en hastighet av ca 5000 m/s.
Formen på stötvågen bestäms av kolvens och borrstångens geometrier och stötvågens amplitud bestäms av anslagshastigheten. En hög amplitud medför en hög påkänning på borrstålet vilket kan resultera i kortare livslängd. För att åstadkomma en optimal stötvåg bör den vara utdragen och ha en låg och jämnt fördelad belastning för att möjliggöra en överföring av största möjliga energimängd med bibehållen livslängd på borrstålet. Principen med energiöverföring för borrning med sänkborrhammare är densamma, med skillnaden att kolven arbetar direkt på borrkronan. I nedanstående kapitel presenteras detta mer ingående.
Vid djupa hål är det nödvändigt att skarva ihop flera borrstål med tappar. Nackdelar med topphammare är att stötvågen reflekteras i varje skarv, men även att dess framfart i stålet kan medföra en friktion mellan stången och skarvtappen som i sin tur ger energiförlust genom värmeutveckling. (Sandvik Coromant och Atlas Copco, 1986)
2.4.2 VATTENDRIVEN SÄNKBORRHAMMARE -WASSARA
Traditionellt används vattendriven sänkborrhammare, WDTH (Water-powered Down-The-Hole Hammer), vid borrning i både hård berggrund och i jordmån där det vanligtvis behöver installeras foderrör för att säkert driva genom jordtäcket. Hammarens funktion är i sig väldigt enkel beträffande rörliga delar (slagkolv och sliden) i hammarkonstruktionen, se Figur 7. Detta medför att hammaren vid djupa hål och i generellt komplexa förhållanden ger ett tillförlitligt resultat och hög prestanda.
2LITTERATURSTUDIE
14
Figur 7. Schematisk bild över den vattendrivna sänkborrhammarens beståndsdelar. (LKAB Wassara AB, 2015)
Hammarborrningen bygger på att det höga vattentrycket regleras av att sliden öppnar och stänger.
Enkelt formulerat går proceduren till på så vis att i samma veva som sliden öppnar och släpper in vatten går kolven tillbaka från sitt slagläge, och då sliden stänger tvingar högtrycksvattnet kolven att slå mot borrkronan. När kolven slagit mot kronan öppnas sliden igen för att frigöra vattnet genom borrkronan för att sedan påbörja en ny cykel. (LKAB Wassara AB, 2015) När vattnet lämnar hammaren sjunker vattenflödet och vattentrycket markant, men endast till en sådan nivå att genomborrat material ändå kan spolas upp till ytan och hålet kan rengöras. Ytterligare en funktion som uppstår vid användning av högtrycksvatten som drivmedel är den hydrostatiska pelare som genereras ovanför hammaren. Denna medför att borrhålet hålls stabilt och avvärjer att genomborrat material, speciellt vid lösa formationer, faller ihop i hålet. (Bruce, Lyon, &
Swartling, 2013)
2LITTERATURSTUDIE
15 2.4.4 UTRUSTNING –WDTH
Utrustning som erfordras vid användandet av Wassara-systemet består av en rad olika komponenter som schematiskt redovisas i Figur 8.
Figur 8. Ingående komponenter vid etablering av WDTH. (LKAB Wassara AB, 2015)
Delar av komponenterna är inte alltid nödvändiga vid användandet av Wassara-systemet. De komponenter som användes vid fältförsöket TUB-A i Solna kommer att beskrivas.
1. Högtryckspump
Högtryckspumpen förser WDTH:n med ett arbetstryck på 180 bar för alla hammarstorlekar. Pumpen som Wassara tillhandahåller finns i tre olika format, WASP 80D, 100D samt 200D, beroende på vilket dimension på hammaren som används. Den högtryckspump som användes vid fältförsöket var av typen WASP 100D. Denna vattenpump genererar 360 l/min vid ett arbetstryck på 200 bar.
2LITTERATURSTUDIE
16
2. Högtrycksslang
För att klara det höga vattentryck som erhålls från pumpen till hammaren behövs en högtrycksslang. Vid fältförsöket användes en Aquasewer-slang som klarar ett arbetstryck av 250 bar.
3. System för vattenhantering
Wassara tillhandahåller ett egenproducerat system för vattenhantering som kan användas i områden som är förorenade. Skulle undersökningsområdet inte vara förorenat behövs ingen vattenhantering eftersom smörjmedel, till exempel hydraulolja, inte används i hammaren.
4. Svivel
Svivelns funktion är att transportera högtrycksvattnet från slangen till borrsträngen. Den fungerar som en brygga mellan dessa delar. Det finns två typer av svivlar, en toppmonterad och en så kallad ”In-line”-svivel. I försöket användes en toppmonterad svivel av typen WS150. På denna svivel sitter en ca 60 cm lång ”adapter” som vid sondering förs ner genom chucken på maskinen och kläms fast.
5. Borrstål
Med hänsyn till vilken typ av hammare som används väljs geoborrstål därefter. Under försöksborrningen användes borrstål med en diameter av ∅ 48 mm med en längd av 2 m.
6. Backventil
Backventilen ser till att vätskan enbart rör sig i en riktning och på så sätt säkerställer den att hammaren inte skadas eller störs av att till exempel genomborrat material återvänder från borrkronan in till hammaren. Detta är ett fenomen som kan uppstå då hammaren har stängts av, till exempel vid byte av borrstål.
7. Wassara sänkborrhammare
I nedanstående Tabell 4 redovisas de hammartyper och dess driftparametrar som erbjuds från Wassara. Hammaren som användes i fältförsöket var W50, 64 mm, för att en borrigg av typen GM 75 användes. Ingående beståndsdelar i den vattendrivna sänkborrhammaren kan ses i Figur 7.
2LITTERATURSTUDIE
17
Tabell 4. Olika hammartyper, dimensioner på krona och driftparametrar för WDTH.
Hålstorlek Hammare Vattenförbrukning(Ny Använd) Max arbetstryck
61/64 mm W50 (2”) 55-160 l/min 180 bar
82/89 mm W70 (3”) 80-270 l/min 180 bar
95/102 mm W80 (3,5”) 70-270 l/min 180 bar
115/120/127 mm W100 (4”) 130-354 l/min 180 bar
130/140/152 mm W120 (5”) 175-445 l/min 180 bar
165/178/190/203 mm Hhh
W150 (6”) 270-570 l/min 180 bar
216/254 mm W200 (8”) 470-670 l/min 150 bar
Specifikationer angående slagfrekvens på hammaren varierar en aning mellan de olika dimensionerna. För W50 specificeras en slagfrekvens om 65 Hz (3900 slag/min) vid maximalt arbetstryck (180 bar). Beroende på vilken geologisk formation som passeras kan en matningskraft inom intervallet 3-6 kN anbringas och en rotationshastighet mellan 100 - 200 rpm uppnås. Hammaren kan arbeta på ett arbetstryck ner till 60 bar och eftersom vattentrycket är proportionellt mot slagfrekvensen ger detta arbetstryck en frekvens på 1300 slag/min.
8. Borrkrona
Till skillnad från jord-bergsondering används traditionellt bara stiftborrkronor vid vattendriven sänkhammarborrning. Från Tabell 4 anges i andra kolumnen vilka dimensioner som används för respektive hammare. Generellt gäller semi-ballistisk form på stiften. Vid fältförsöket användes en 64 mm semi-ballistisk stiftborrkrona, se Figur 9.
Figur 9. Semi-ballistisk borrkrona.
2LITTERATURSTUDIE
18
2.4.5 LUFTDRIVEN SÄNKBORRHAMMARE
Till skillnad från vattendriven sänkborrhammare där LKAB Wassara har sitt patent finns det idag ett flertal olika leverantörer av luftdriven sänkborrhammare, däribland Atlas Copco och Sandvik.
Vid borrning med luftdriven sänkborrhammare överförs energin i princip på samma sätt med skillnaden att slagkolven erhåller sin stötvåg från en luftkompressor som genererar högtrycksluft istället för högtrycksvatten. Precis som för vattendriven sänkborrhammare finns ett flertal olika dimensioner på hammarverken vid luftdriven borrning.
2.4.6 FÖR- OCH NACKDELAR LUFT OCH VATTENDRIVET SYSTEM
Beroende på vilket spolmedia som används vid sänkhammarborrning finns för- och nackdelar mellan dessa typer av system. Vid geotekniska undersökningar där insamling av mätdata under drivningen är väsentlig kan ett luftdrivet system medföra att sonderingen blir onödigt grovt utförd på grund av att luft är kompressibelt, vilket innebär att luftens volym förändras vid ändrat tryck.
När den komprimerade luften lämnar hammaren kommer trycket att minska vilket leder till att volymen expanderar, detta medför vid sonderingen att lufttrycket kan bli svårt att kontrollera.
Vid användning av vatten som till skillnad från luft är inkompressibelt kan en jämnare frekvens och kontroll på tryckparametern på hammaren erhållas.
Som tidigare påtalats i litteraturstudien tappar vattnet nästan allt tryck och flödeshastighet när det lämnar kronan, detta ses som en fördel ur arbetsmiljösynpunkt då vattnet håller ett konstant flöde upp ur hålet istället för att blåsa upp med en våldsam kraft som kan ske med luftdrivet system.
(Brattberg, 2017) Hastigheten på vattnet uppåt i hålet kan vara så låg som 0,4 – 1,0 m/s medan luftspolning kan generera en uppåthastighet av 15 – 30 m/s. (Sandvik Coromant och Atlas Copco, 1986) Dammförekomsten reduceras helt vid användning av vatten som spolmedel då vattnet binder denna stoftbildning som annars är besvärlig vid användning av luftspolning.
När vatten används föra att driva hammaren behövs inga smörjmedel då vattnet i ”smörjer” och kyler ner hammare och borrkrona. Till skillnad från luftdriven sänkborrhammare medför detta att varken borrhålet eller returvattnet som för med sig avverkat material blir förorenat av olja.
Metoden för vattendriven sänkborrhammare är dock inte helt fri från miljöpåverkan då den vattenpump som används drivs av ett dieselaggregat.
Den vattendrivna sänkborrhammaren är mycket känslig för inträngande skräp från spolvattnet till hammaren. Detta blir problematiskt, speciellt på stora djup, eftersom hammaren slutar att slå och man kan bli tvungen att föra upp hela borrsträngen för att rengöra hammaren. (Brattberg, 2017) Vattenåtgången vid vattendriven sänkborrhammare är relativt stor, se Tabell 4, varför det krävs tillgång till en vattenkälla i form av sjö eller brandpost. I torra områden där vattentillgången är liten kan därmed användningen av ett vattendrivet system bli problematiskt. Även vid extrem kyla och då vatten inte får tillföras i marken kan det bli svårt att utföra sondering med vatten som spolmedel.
2LITTERATURSTUDIE
19 Exempel där det kan bli problematiskt med tillförsel av vatten i marken är vid jord med mycket högt siltinnehåll. Detta beror på att jordar med högt siltinnehåll är erosionskänsliga och flytbenägna vid vattenmättat tillstånd.
2.5 B
ORRKAXPROVTAGNING OCHBIPS-
TEKNIKENBorrkaxprovtagning är en kompletterande metod till jord-bergsondering som görs för att bland annat bestämma bergets kvalité samt för att avgöra övergången från fast friktionsjord till berg.
Foderrör är inte alltid nödvändigt vid borrkaxprovtagning, det beror helt på jordens egenskaper ovan berget.
En alternativ kompletterande metod för att få ett ”facit” om berg och bergkvalitén är att använda BIPS-loggning (Borehole Image Processing System) som går ut på att filma borrhålet och erhålla en högupplöst bild av borrhålsväggen. Från BIPS-tekniken kan geologiska tolkningar göras, bland annat bedömning av sprickighet och bergart.
Ovanstående metoder används för att undgå de relativt höga kostnader som uppstår vid användning av kärnborrning, vilket är den mest precisa metoden för att bedöma förekomsten av friskt berg. (SGF, 2012)
2.6 G
EOTEKNISKA UNDERSÖKNINGAR MEDMWD-
STYRD SÄNKBORRHAMMARE MWD (Measuring While Drilling) är en teknik som nyttjas vid datainsamling av borrparametrar under borrning, det vill säga tekniken som används vid all typ av sondering där information om geologin är av intresse. Metoden är generell och kommer att beskrivas i en ny europastandard som är under framtagande. Jord-bergsondering är en typ av MWD och kommer ingå som det i europastandarden. Metoden kan tillämpas vid både konventionella georiggar och entreprenörmaskiner. Ett användningsområde är till exempel sänkhammarborrning.Geotekniska undersökningar med MWD-styrd sänkborrhammare har utförts i ett flertal tidigare projekt i Sverige, däribland Östlig Förbindelse och Högdalsdepån utförda av WSP Sverige AB.
Nedan ges en kort beskrivning av respektive projekt.
Östlig Förbindelse
Östlig Förbindelse är ett projekt där den geotekniska undersökningen syftade till att ta reda på djupet till bergöverytan för att säkerställa djup och utformning för planerad bergtunnel längs Saltsjöpassagen. Undersökningsområdet utgjordes av ett vattendjup på 35 m följt av ett 10 m mäktigt lager lera som överlagrade 20-30 m friktionsjord med inslag av block. Bergöveryta förväntades ligga på ca 80 meters djup. Med anledning av det stora djupet till bergöveryta ansågs inte topphammare utgöra en säker drivningsmetod med tanke på förlusten i slagenergi per skarv, varför valet av vattendriven sänkborrhammare ansågs lämpligt. Eftersom den geotekniska
2LITTERATURSTUDIE
20
undersökningen utfördes på vatten användes foderrör ner till berg för att kringgå knäckning av borrstålen samt för att säkra uppspolning av borrkax för att styrka bergnivån.
Borrningen utfördes av borrentreprenören Alverdens AB, vilka hade stor erfarenhet av borrning med vattendriven sänkborrhammare. Anledningen till valet av en extern borrentreprenör var att en större maskin ansågs vara lämplig då det skulle krävas ett stort antal foderrör på grund av det stora djupet till berg. Det ansågs att konventionella georiggar kan brista i kapacitet gällande vridmoment och uppdragningsförmåga. Vid drivning av foderrör med ytterdiameter 139,7 mm användes en WDTH med ringborrkrona med diameter 146 mm ner till förmodad bergöveryta.
Bergsonderingen drevs sedermera med en 90 mm borrkrona. Övergången mellan morän och berg identifierades genom att komplettera sonderingarna med uppsamling av borrkax. Eftersom MWD-sondering inte är en etablerad sonderingsklass för jord-bergsondering anpassades metoden för att efterlikna Jb-2 sondering så långt som möjligt, främst för att det var Jb-2 som efterfrågats av beställaren. Viss modifikation av borrutrustningen var därför tvungen att göras för att lyckas med detta.
Slutförd undersökning påvisade ett gott resultat. Bergöverytan påträffades på ett djup mellan 20,2 och 65,8 meter där bergnivån kunde tolkas direkt vid tio av tolv undersökningspunkter. I en av punkterna som bergnivån inte kunde fastställas direkt var en kombination av sonderingsresultat och kaxanalys nödvändig för att bestämma bergöverytan, i den andra av de två punkterna fick sonderingen avbrytas på grund av att borrkronan inte fick fäste vid påträffat släntberg. Under borrningen användes bräckvatten vilket skulle kunna ha ställt till det vid utförandet då rekommendationer från tillverkaren av hammaren var att saltvatten inte ska användas för att minska på slitage på utrustningen. Trots detta observerades endast normalslitage på utrustningen efter undersökningen.
För att jämföra Jb-2 sondering med MWD-styrd WDTH utförde WSP Sverige AB och Alverdens AB en korrelationsborrning och kalibrering av MWD bara veckor efter utförd undersökning vid Östlig Förbindelse. Korrelationsborrningen utfördes till ett totalt djup av 7,5 m, varav 6,5 m i berg. Jb-2 sonderingen utfördes med en geoborrbandvagn av typen Geomachine 75 (GM75) och för MWD-sonderingen användes exakt samma inställningar och utrustning som vid Östlig Förbindelse. För att uppnå liknande sjunkhastighet som vid vanlig Jb-2 sondering anpassades parametrarna enligt inställningarna i Tabell 5.
2LITTERATURSTUDIE
21
Tabell 5. Anpassade borrparametrar vid korrelationsborrning.
Parameter Enhet Eftersträvat konstant
värde vid
foderrörsborrning genom jord
Värde vid bergsondering Djup
Borrmotstånd s/0,2 m 8 Min 8
Sjunkhastighet mm/s 25 Max 25
Matningstryck bar Max 50 50
Hammartryck(Wassara) bar Max 50 Max 150
Rotationstryck bar 50 50
Rotationshastighet rpm 15 30
Det berg som borrades var av god kvalité och från den konventionella Jb-2 sondering uppmättes en sjunkhastighet om 4 mm/s och för MWD-sonderingen en sjunkhastighet om 6-8 mm/s, se Figur 10. (Brattberg, 2017)
Figur 10. Korrelationsborrning mellan Jb-2 och vattendriven sänkborrhammare. (Brattberg, 2017)
2LITTERATURSTUDIE
22
I samband med korrelationsborrningen utfördes även en simulerad jämförelse av hur mängden borrstål påverkar sjunkhastigheten vid den vattendrivna sänkborrhammaren. Två separata sonderingar utfördes där ena sonderingen 15W30A utfördes med exakt samma parametrar som vid Östlig Förbindelse och den andra 15W30D utfördes med ett ökat matningstryck på 15 bar, vilket ska motsvara 60 m borrstål. Resultatet påvisade att en ökning av matningstrycket endast genererar en marginellt ökad sjunkhastighet, knappt mätbar, vilket innebär att sjunkhastigheten inte kommer förändras av en stor mängd borrstål som ökar trycket på borrkronan. (Brattberg, 2017)
Högdalsdepån
Högdalsdepån är en vagnhall för Stockholms tunnelbanetåg där vattendriven sänkborrhammare har använts vid geotekniska undersökningar för planerad utbyggnation av depån. (Stockholms läns landsting, 2016) Undersökningen var tvungen att utföras enligt sonderingsklassen Jb-1 eftersom endast en mindre borrigg (i detta fall en så kallad källarmus) fick plats mellan spår och kontaktledning. Djupet till bergöverytan låg i detta projekt mellan ca 1,0 till 11 meter under markytan, det vill säga mycket ytligare jämfört med undersökningen för Östlig Förbindelse.
(Lundgren, 2018) I kapitel 3.2 redovisas ett möjligt samband mellan borrmotstånd och sjunkhastighet från en sonderingspunkt i detta projekt.
3RESULTAT
23
3 R
ESULTATUnder detta kapitel beskrivs borrningsförfarandet med sänkborrhammare vid det aktuella fältförsöket. Utöver resultatet från fältförsöket har även iakttagelser av skillnader mellan konventionell Jb-2 sondering och sänkhammarborrning genomförts. Ett förslag på registrerade parametrar vid sänkborrhammare i en eventuell metodbeskrivning presenteras även under detta kapitel.
3.1 F
ÄLTFÖRSÖK– TUB-A, S
OLNA 3.1.1 INLEDNINGPilotförsöket var av relativt experimentell karaktär då större maskiner än den som användes ofta nyttjas vid borrning med sänkborrhammare. Idén med försöket var bland annat att försöka visa att sänkborrhammare med fördel även ska kunna användas med vanlig geoborrigg och inte bara med större typer av maskiner.
Initialt var tanken att detta examensarbete skulle bestå av en relativt omfattande fältstudie där korrelationsborrning mellan Jb-2 och vattendriven sänkborrhammare skulle utföras i samband med projektet TUB-A, vilket är ett uppdrag för ny tunnelbana mellan Arenastaden och Odenplan i Stockholm. Tyvärr uppstod problem med den externa vattenpumpen under testförsöket vilket medförde att fältstudien inte blev som planerad, vilket slutligen ledde till att enbart en jämförande sondering lyckades utföras. Pilotförsöket utfördes av WSP Sverige AB och LKAB Wassara AB under vecka 23, 2017. Trots att enbart en sondering kunde utföras har viktiga observationer gjorts gällande etablerings- och sonderingsförfarandet vid användning av vattendriven sänkborrhammare.
3.1.2 METODVAL
Vid fältförsöket var målet att med vattendriven sänkborrhammare efterlikna en Jb-2 sondering i största möjliga mån. Samma parametrar som för Jb-2 registreras med undantag från hydraultrycket på topphammaren, vilket istället ersätts av vattentrycket från den externa vattenpumpen. I dataloggningssystemet som används vid Jb-2 sondering finns inte denna parameterregistrering med. Topphammarborrning utfördes med en 57 mm borrkrona och 44 mm borrör. Försöket med sänkhammarborren loggades som Jb-2 och en 64 mm krona med tillhörande 48 mm borrör användes. Vald borrutrustning redovisas i Tabell 6.
Tabell 6. Borrutrustning.
Topphammare: Ytterdiameter Gänga Typ/anmärkning
Borrör 44 mm R32 2 m längder
Borrkrona 56 mm 56 mm Flatface Stiftkrona
WDTH:
Borrör 48 mm NC13 2 m längder
Borrkrona 64 mm 64 mm Flatface Stiftkrona
Hammare - - Wassara W50
3RESULTAT
24
3.1.3 UTFÖRANDE VID BORRNING OCH ERFARENHETSÅTERFÖRING
Vid försökstillfället användes en borrigg av typen Geomachine 75 GT (GM 75) som placerades vid avsedd plats för undersökning med vattendriven sänkborrhammare. Tillförsel av vatten erhölls från en brandpost i närområdet.
Tillhörande komponenter vid utförande av vattendriven sänkborrhammare skiljer sig främst från traditionell jord-bergsondering med avseende på det höga vattentryck som krävs. De komponenter som är i tillägg till traditionell jord-bergsondering är:
extern vattenpump med vattentryck som uppgår till minst 180 bar
högtrycksslang
extern svivelanordning
borrstål och hammare.
Vid vattendriven sänkhammarborrning är påkopplingen av högtrycksvattnet separat på grund av att det behövs en extern vattenpump som klarar ett mätområde upp till 180 bar. För etablering av den externa vattenpumpen användes en mobil lyftkran, detta var nödvändigt då vattenpumpen hade en vikt om 5 ton, Figur 14. Inkopplingen av högtrycksslangen från vattenpumpen till borrmaskinen sker genom sviveln som i sin tur fästs på chucken, se Figur 12. Kontroll för höjning och sänkning av vattentrycket kunde under försöket utföras antingen via en display på den externa vattenpumpen eller genom att använda en fjärrkontroll som var kopplad till denna, se Figur 11.
Figur 11. Inkoppling av slang till svivel. Figur 12. Fjärrkontroll för styrning av vattentryck
