Temperaturflöden i järnvägstunnlar – Glödbergstunneln

(1)

Statusrapport 2010

(2)

2

Dokumenttitel: Temperaturflöden i järnvägstunnlar - Glödbergstunneln. Statusrapport 2010 Skapat av: Anna Andrén

Dokumentdatum: 2012-03-30 Dokumenttyp: Rapport

Publikationsnummer: 2012:095 Ärendenummer: TRV 2011/23249 Version: 0.5

Publiceringsdatum: Maj 2012 Utgivare: Trafikverket

Kontaktperson: Anna Andrén Uppdragsansvarig: Anna Andrén Tryck: Trafikverket

Distributör: Trafikverket, 781 89 Borlänge, telefon: 0771-921 921 ISBN: 978-91-7467-293-0

(3)

3

Innehåll

Sammanfattning ... 1

1 Inledning ... 3

2 Tunnelobjekt... 3

3 Mätutrustning... 3

4 Resultat ... 4

4.1 Temperaturmätningar längs tunneln... 4

4.1.1 Temperaturmätningar sedan start ... 4

4.1.2 Lufttemperaturer i tunnelns längdsektion ... 5

4.2 Bergtemperaturer ... 6

4.3 Temperaturer bakom drän ... 10

4.4 Temperaturer i servicetunneln ... 12

4.5 Temperaturer i ballast ... 13

4.6 Vindhastighet i och utanför tunneln ... 16

4.7 Vindriktning utanför tunneln ... 17

4.8 Mätningar vid tågpassage ... 17

5 Analys och diskussion ... 20

5.1 Jämförelse med modellstudie ... 20

5.2 Inverkan av dräner ... 22

5.3 Köldinträngning bakom frostisolerad drän ... 25

5.4 Temperatur i servicetunneln ... 25

5.5 Köldnedträngning i ballast ... 25

5.6 Vindhastighet i spårtunnel ... 26

Referenslista ...28

Bilaga 1 Årsmedeltemperatur ... 29

Bilaga 2 Köldmängd och klimatzoner ... 30

(4)

1

Sammanfattning

Under vinterhalvåret orsakar is stora problem i flera av Trafikverkets järnvägstunnlar.

Vatten som fryser bildar istappar och ispelare som kan falla ned i spår samt växa till sådan storlek att de inkräktar på det ”fria rummet” som tågen kräver för att passera genom tunneln. Belysningsarmaturer och kablar bryts sönder på grund av islast och spåren blir isbelagda på grund av takdropp och svallisbildning. Återkommande

frysperioder kan medföra frostsprängning av berg och sprutbetong i tak och väggar som kan lossna och falla ner. För att upprätthålla säkerheten och förhindra trafikstörningar kräver många tunnlar omfattande underhållsinsatser. För att kunna reducera

underhållet i tunnlarna, krävs förbättrad kunskap kring köldinträngning och effekterna av istryck på det bärande huvudsystemet.

2002 utförde Högskolan i Gävle och KTH en modellstudie för att bestämma temperatur- förhållanden i tunnlar. För att verifiera modellstudien genomförs nu mätningar i fält.

Denna statusrapport redovisar mätningar som utförts 2008-2010 i Glödbergstunneln vid Nyåker som ligger 8 mil sydväst om Umeå. Mätningarna visar att framtagna modeller underskattar köldinträngningen. Trots att tunneln är 1680 m lång, sker köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln.

En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer är att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta. Deras funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör för kylan att tränga längre in i tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, täckningsgraden, påverkar därmed köldinträngningens längd.

Mätningar av temperaturer har utförts ned i ballasten. Glödbergstunneln har en undersprängning på 2 m under RUK, med motiveringen att ledningar för exempelvis dräneringsvatten ska vara förlagda på frostfritt djup. Mätningarna visar att

temperaturen inte tränger så långt ned som man tidigare befarat och undersprängning i de mittersta delarna av tunneln hade kunnat göras mindre, med avseende på

frostrisken.

Temperaturmätningarna bakom en frostisolerad drän, har visat att dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen. Men då temperaturen är negativ under en längre period kryper även temperaturen bakom dränen under 0 °C och då förhindras dräneringsmöjligheten på grund av isbildning och det kan orsaka frostsprängning av dränen.

Mätningar av lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln visar tydligt hur köldinträngningen påverkas av luftrörelser. Servicetunneln är stängd med portar mot både ute- och tunnelluft. När luften i en tunnel inte utsätts för rörelse, värms den upp av bergvärmen och antar samma temperatur som berget har, vilket oftast brukar

sammanfalla men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen.

(5)

2

(6)

3

1 Inledning

Denna statusrapport är en uppföljning av rapporten ”Temperaturflöden i

järnvägstunnlar – Glödbergstunneln. Statusrapport 2008” (Andrén, 2008a) och redovisar resultaten av mätningarna utförda från hösten 2008 till våren 2010. För bakgrund, information om modellstudie och installation av mätutrustning hänvisas till den ovan nämnda rapporten.

2 Tunnelobjekt

För att öka förståelsen och för att validera den modellstudie som utfördes av Högskolan i Gävle samt KTH under 2002 (Sandberg, m.fl., 2002), utförs nu fullskaleförsök genom fältmätningar i några befintliga järnvägstunnlar. På våren 2006 installerades det första mätsystemet i Åsatunneln, 5 mil söder om Göteborg, och under slutet av år 2006 installerades det andra mätsystemet i Glödbergstunneln vid Nyåker, 8 mil sydväst om Umeå. Mätningarna i Glödberget inleddes 2007-02-24 och denna rapport behandlar främst mätningar i Glödbergstunneln under vintersäsongerna 2008/2009 och 2009/2010, för att framförallt analysera och redovisa hela vinterperioder. Resultaten från mätningarna i Åsatunneln redovisas i en separat statusrapport (Andrén, 2008b samt Andrén, 2012).

Glödbergstunneln är en enkelspårstunnel med längden 1680 m som ligger nära Nyåker, 8 mil sydväst om Umeå på bandel 129. Södra mynningen ligger på sektion km 816+160 och norra mynningen ligger på km 817+840. Tunneln lutar från den södra mynningen ned mot den norra mynningen och höjdskillnaden är 21 m, vilket ger en lutning på 12,5 ‰. Tunneln består av betongtunnel mellan km 816+160 till km 816+220. Därefter är det bergtunnel fram till km 817+570 och tunneln avslutas med betongtunnel mellan km 817+570 till km 817+840. Tunnelns höjd är 7,2 m ovan RUK och bredden är 8 m.

3 Mätutrustning

Den mätutrustning som finns installerad i Glödbergtunneln mäter luft-, yt- och bergtemperaturer, vindhastigheter samt lufttryck. Lufttemperatur mäts ca 10-20 cm från tunnelväggen, yttemperatur sitter installerad på tunnelväggen och bergtemperatur sitter installerad i borrhål som i Glödberget finns på två djup, 10 respektive 50 cm (Figur 3.1).

Figur 3.1 Placering av temperaturgivare på och i tunnelvägg

10-20 cm 10 cm

50 cm

(7)

4

I spårtunneln sitter luft- och yttemperaturgivare installerade i nio sektioner längs tunnelsträckningen. Bergtemperatur mäts i fyra sektioner, vindhastighet mäts i tre sektioner och lufttryck mäts i två sektioner. I Glödberget görs även temperaturmätning ned i ballasten på 0,5 m, 1 m och 2 m djup i två sektioner, temperaturmätning bakom en frostisolerad dränmatta samt mätning av luft- och yttemperatur i den intilliggande servicetunneln. En klimatstation finns uppsatt strax utanför tunnelns södra mynning.

Där mäts lufttemperatur, vindhastighet, vindriktning och luftfuktighet. Information om mätutrustningen och fotografier från installationen finns i rapporten ”Temperaturflöden i järnvägstunnlar – Glödbergstunneln. Statusrapport 2008” (Andrén, 2008a).

4 Resultat

I vissa figurer framöver visar mätningarna avbrott i mätserierna och orsaken är oftast problem i loggern och kommunikationen med Trafikverket. Mätdata saknas vid den södra mätstationen mellan följande datum, 2009-05-08 till 2009-05-27, 2009-10-05 till 2009-10-09, 2009-11-16 till 2009-11-19. För den mittersta mätstationen saknas mätdata för perioden 2009-04-24 till 2009-05-17. För den norra mätstationen saknas mätdata för perioden 2009-05-08 till 2009-05-23 och för datumet 2008-10-05. Även störningar på enskilda mätare kan förekomma.

4.1 Temperaturmätningar längs tunneln 4.1.1 Temperaturmätningar sedan start

Temperaturer har mätts i nio sektioner in längs tunneln och nedan redovisas utvalda mätserier från mätdatabasen under perioden 2007-02-24 till 2010-06-01. I Figur 4.1 visas lufttemperaturmätningarna och i Figur 4.2 visas mätresultat av yttemperatur. De enskilda mätserierna är svåra att urskilja i diagrammen, men de ger en bild av hur temperaturen varierat över åren. De visar att temperaturerna var lägre under vintern 2008/2009 än 2007/2008 samt att det var längre perioder med varaktig temperatur under 0 °C. Vintern 2009/2010 visar ännu lägre temperaturer.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

07-02-24 07-05-24 07-08-24 07-11-24 08-02-24 08-05-24 08-08-24 08-11-24 09-02-24 09-05-24 09-08-24 09-11-24 10-02-24 10-05-24

Dygnsmedeltemperatur

Datum Lufttemperatur längs tunneln

Temperatur utanför tunneln Lufttemp 50 m in km 816+210 Lufttemp 100 m in km 816+264 Lufttemp 200 m in km 816+364 Lufttemp 300 m in km 816+458 Lufttemp mitten 840 m in km 816+995 Lufttemp 300 m in km 817+540 Lufttemp 200 m in km 817+640 Lufttemp 100 m in km 817+740 Lufttemp 50 m in km 817+790

(8)

5

Figur 4.1 Lufttemperaturer i Glödbergtunneln från 2007-02-24 till 2010-06-01

Figur 4.2 Yttemperaturer i Glödbergtunneln från 2007-02-24 till 2010-06-01

4.1.2 Lufttemperaturer i tunnelns längdsektion

I Figur 4.3 visas lufttemperaturen vid de olika mätstationerna in längs tunneln under några dagar i mars 2009. Till vänster ligger den södra tunnelmynningen och till höger ligger den norra mynningen. Tunnelns längd är 1680 m lång och finns angiven på x-axeln. Den temperatur som anges vid de båda mynningarna är den temperatur som har mätts vid masten utanför den södra mynningen.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

07-02-24 07-05-24 07-08-24 07-11-24 08-02-24 08-05-24 08-08-24 08-11-24 09-02-24 09-05-24 09-08-24 09-11-24 10-02-24 10-05-24

Datum Yttemperatur längs tunneln

Temperatur utanför tunneln Yttemp 50 m in km 816+210 Yttemp 100 m in km 816+264 Yttemp 200 m in km 816+364

Yttemp 300 m in km 816+458 Yttemp mitt km 816+995 Yttemp 300 m in km 817+540 Yttemp 200 m in km 817+640

Yttemp 100 m in km 817+740 Yttemp 50 m in km 817+790

(9)

6

Figur 4.3 Lufttemperatur in längs Glödbergtunneln under några dagar i mars 2009 De hittills utförda mätningarna visar att kylan tränger längre in i tunnlarna än tidigare antaganden. Trots att tunneln är 1680 m lång, sker en köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln. Kylan tränger in längre från den lägre belägna mynningen som är den norra (21 m lägre än den södra mynningen) och den av bergmassan uppvärmda tunnelluften stiger uppåt mot den södra

tunnelmynningen (vänster sida i diagrammet), vilket resulterar i högre temperaturer.

4.2 Bergtemperaturer

Bergtemperatur har mätts i fyra sektioner längs tunneln. I efterföljande diagram visas luft-, yt- och bergtemperaturer (10 cm respektive 50 cm in i berget) för de fyra

sektionerna vid de två vinterperioderna 2008/2009 och 2009/2010.

Vid sektion 200 m in från södra mynningen visar troligtvis temperaturgivaren vid 50 cm in i berget ca 5 °C fel (antaget efter analys av 50 cm bergtemperaturer vid övriga

sektioner), men då givaren är ingjuten kan inte kalibrering ske i efterhand. En manuell justering har gjorts genom att addera 5 °C till samtliga mätvärden för den aktuella temperaturgivaren. I Figur 4.4 och Figur 4.5 visas de justerade mätvärdena för denna givare.

Temperaturmätningarna visar att berget fryses ned relativt snabbt även vid 50 cm in i berget vid relativt små temperatursänkningar av tunnelluften. På motsvarande sätt tinar även bergmassan upp snabbt när temperaturen höjs över 0 °C.

Lufttemperatur längs Glödbergstunneln

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Antal meter in längs tunneln (södra mynningen till vänster)

2009-03-20 2009-03-21 2009-03-22 2009-03-23 2009-03-24 2009-03-25 2009-03-26

Södra mynningen Norra mynningen

(10)

7

Figur 4.4 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 200 m in från södra mynningen under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01 – OBS justerad bergtemperatur vid 50 cm

Figur 4.5 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 200 m in från södra mynningen under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01 – OBS justerad bergtemperatur vid 50 cm

Temperaturer in i berg vid 200 m in från södra mynningen 2008/2009

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01

Datum

Lufttemp 200 m in km 816+364 Yttemp 200 m in km 816+364

Bergtemp 10 cm, 200 m in km 816+364 Justerad Bergtemp 50 cm, 200 m in km 816+364

-15 -10 -5 0 5 10 15

09-10-01 09-11-01 09-12-01 10-01-01 10-02-01 10-03-01 10-04-01 10-05-01 10-06-01

Datum

Lufttemp 200 m in km 816+364 Yttemp 200 m in km 816+364

Bergtemp 10 cm, 200 m in km 816+364 Justerad Bergtemp 50 cm, 200 m in km 816+364

(11)

8

Figur 4.6 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 300 m in från södra mynningen under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01

Figur 4.7 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 300 m in från södra mynningen under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01

Datum

Lufttemp 300 m in km 816+458 Yttemp 300 m in km 816+458 Bergtemp 10 cm, 300 m in km 816+458 Bergtemp 50 cm, 300 m in km 816+458

-15 -10 -5 0 5 10 15

09-10-01 09-11-01 09-12-01 10-01-01 10-02-01 10-03-01 10-04-01 10-05-01 10-06-01

Datum

(12)

9

Figur 4.8 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid mitten av tunneln under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01

Figur 4.9 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid mitten av tunneln under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01

I Figur 4.10 visar mätningarna ett avbrott i mätserien för yttemperaturen i början av mätperioden. Orsaken var ett kabelbrott, vilket inte uppmärksammades i tid. Ny kabel installerades i mitten av december 2008.

Temperaturer in i berg vid mittersta mätstationen 2008/2009

-12 -8 -4 0 4 8 12

08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01

Datum

Lufttemp mitt km 816+995 Yttemp mitt km 816+995 Bergtemp 10 cm, mitt km 816+995 Bergtemp 50 cm, mitt km 816+995

-12 -8 -4 0 4 8 12

09-10-01 09-11-01 09-12-01 10-01-01 10-02-01 10-03-01 10-04-01 10-05-01 10-06-01

Datum

Temperaturer in i berg vid mittersta mätstationen 2009/2010

Lufttemp mitt km 816+995 Yttemp mitt km 816+995 Bergtemp 10 cm, mitt km 816+995 Bergtemp 50 cm, mitt km 816+995

(13)

10

Figur 4.10 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 300 m in från norra mynningen under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01

Figur 4.11 Luft-, yt- och bergtemperaturer vid 300 m in från norra mynningen under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01

4.3 Temperaturer bakom drän

I mitten av spårtunneln finns en temperaturgivare installerad bakom en frostisolerad drän. Dränen består av dubbla PE-mattor och har en total tjocklek på 140 mm. Dränen är sprutad med tre lager sprutbetong med en total tjocklek på 80 mm. I Figur 4.12 och Figur 4.13 jämförs temperaturen bakom dränen dels med lufttemperaturer utanför

Temperaturer in i berg vid 300 m in från norra mynningen 2008/2009

-20 -15 -10 -5 0 5 10

08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01

Datum

-20 -15 -10 -5 0 5 10

09-10-01 09-11-01 09-12-01 10-01-01 10-02-01 10-03-01 10-04-01 10-05-01 10-06-01

Datum

Temperaturer in i berg vid 300 m in från norra mynningen 2009/2010

(14)

11

tunneln, dels med lufttemperaturen i mitten av spårtunneln. Mätningarna visar att den isolerade dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen. Under vinterperioden 2008/2009 var temperaturen bakom dränen under 0 °C vid ett fåtal dagar. Denna situation uppstod i slutet av februari 2008, då temperaturen i tunneln under en längre tidsperiod legat under 0 °C, se Figur 4.12.

Under vintern 2009/2010 återfinns en längre period med temperaturer under 0 °C bakom dränen, se Figur 4.13.

Figur 4.12 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och tunnelluftens temperatur under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01

Figur 4.13 Lufttemperatur bakom en drän i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och tunnelluftens temperatur under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01

Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergtunneln 2008/2009

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01

Datum

Lufttemperatur (dygnsmedel)

Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Temp bakom drän mitt km 816+985

-35 -25 -15 -5 5 15

09-10-01 09-11-01 09-12-01 10-01-01 10-02-01 10-03-01 10-04-01 10-05-01 10-06-01

Datum

Lufttemperatur bakom en drän i mitten av Glödbergstunneln 2009/2010

Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Temp bakom drän mitt km 816+985

(15)

12 4.4 Temperaturer i servicetunneln

I mitten av spårtunneln finns en ingång till den intilliggande servicetunneln och ca 10 m in i servicetunneln finns temperaturgivare för luft- och yttemperatur installerade.

Servicetunneln är stängd med portar mot både ute- och tunnelluft, vilket leder till att luften i servicetunneln inte utsätts för rörelser på samma sätt som luften i spårtunneln.

Mätningarna visar att temperaturen i servicetunneln nästan inte alls varierar över året, utan ligger kring 2-3 °C oavsett temperatur utanför tunneln.

Figur 4.14 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01

Figur 4.15 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01

Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergtunneln 2008/2009

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01

Datum

Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Lufttemp service-tunnel mitt km 816+960

-35 -25 -15 -5 5 15

09-10-01 09-11-01 09-12-01 10-01-01 10-02-01 10-03-01 10-04-01 10-05-01 10-06-01

Datum

Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergstunneln 2009/2010

(16)

13

I Figur 4.16 visas tydligt hur temperaturen konstant ligger kring 2-3 °C trots att vinterperioderna blir kallare och kallare vartefter mätningen fortgår.

Figur 4.16 Lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under hela

mätperioden 2007-02-24 till 2010-06-01

4.5 Temperaturer i ballast

Temperaturer har mätts ned i ballasten i två sektioner i spårtunneln, dels 300 m in från den södra mynningen och dels i mitten av tunneln. I Figur 4.17 och Figur 4.18 visas hur temperaturen på 2 m djup är relativt opåverkad av utetemperaturen samt

lufttemperaturen vid 300 m in från mynningen, medan temperaturen på 0,5 m och 1 m djup tydligare följer temperaturväxlingarna i lufttemperaturen. Temperaturen vid dessa nivåer är ibland under 0 °C och under vintern 2009/2010 ligger temperaturen för båda givarna under 0 °C för en längre tidsperiod.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

07-02-24 07-05-24 07-08-24 07-11-24 08-02-24 08-05-24 08-08-24 08-11-24 09-02-24 09-05-24 09-08-24 09-11-24 10-02-24 10-05-24

Datum

Lufttemperatur i servicetunneln i mitten av Glödbergstunneln

(17)

14

Figur 4.17 Temperatur i ballasten 300 m in från södra mynningen i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen vid aktuell sektion under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01

Figur 4.18 Temperatur i ballasten 300 m in från södra mynningen i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen vid aktuell sektion under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01

I mitten av tunneln är samtliga temperaturkurvor i ballasten relativt opåverkade av växlingarna i lufttemperaturen. Dock sjunker temperaturen under 0 °C. Givaren på 0,5 m djup visar att temperaturen är under 0 °C för en längre tidsperiod, men på 1 m djup är temperaturen aldrig under 0 °C för vinterperioden 2008/2009 (Figur 4.19).

Temperatur ned i ballasten 300 m in från södra mynningen i Glödbergstunneln 2008/2009

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01

Datum

Temperatur (dygnsmedel)

Temperatur utanför tunneln Lufttemp 300 m in km 816+458 Temp i ballast 0,5 m, 300 m in km 816+458 Temp i ballast 1,0 m, 300 m in km 816+458 Temp i ballast 2,0 m, 300 m in km 816+458

-35 -25 -15 -5 5 15

09-10-01 09-11-01 09-12-01 10-01-01 10-02-01 10-03-01 10-04-01 10-05-01 10-06-01

Datum

Temperatur ned i ballasten 300 m in från södra mynningen i Glödbergstunneln 2009/2010

Temperatur utanför tunneln Lufttemp 300 m in km 816+458 Temp i ballast 0,5 m, 300 m in km 816+458 Temp i ballast 1,0 m, 300 m in km 816+458 Temp i ballast 2,0 m, 300 m in km 816+458

(18)

15

För 2009/2010 sjunker temperaturen under 0 °C för både givaren vid 0,5 m samt givaren vid 1 m. Det tar förvånansvärt lång tid innan materialet tinar igen (Figur 4.20).

Figur 4.19 Temperatur i ballasten i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01

Figur 4.20 Temperatur i ballasten i mitten av spårtunneln i jämförelse med uteluftens temperatur och lufttemperaturen i mitten av spårtunneln under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01

Temperatur ned i ballasten i mitten av Glödbergstunneln 2008/2009

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

08-10-01 08-11-01 08-12-01 09-01-01 09-02-01 09-03-01 09-04-01 09-05-01 09-06-01

Datum

Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Temp i ballast 0,5 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 1,0 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 2,0 m, mitt km 816+995

-35 -25 -15 -5 5 15

09-10-01 09-11-01 09-12-01 10-01-01 10-02-01 10-03-01 10-04-01 10-05-01 10-06-01

Datum

Temperatur ned i ballasten i mitten av Glödbergstunneln 2009/2010

Temperatur utanför tunneln Lufttemp mitt km 816+995 Temp i ballast 0,5 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 1,0 m, mitt km 816+995 Temp i ballast 2,0 m, mitt km 816+995

(19)

16 4.6 Vindhastighet i och utanför tunneln

I Figur 4.21 och Figur 4.22 visas vindhastigheten i och utanför tunneln. Mätningarna visar att toppar och dalar för de olika mätserierna följer varandra till viss del, men att vindhastigheten utanför tunneln inte nämnvärt påverkar vindhastigheten i tunneln.

Vindhastigheten är lägre i den mittersta delen av tunneln (grön kurva), än vid

mynningarna och den högsta vindhastigheten uppstår vid den södra mätstationen (rosa kurva). Att det är högst vindhastighet vid den södra mätstationen kan bero på att den ligger vid den högre belägna mynningen. Hit stiger den varma luften vilket orsakar mer luftrörelser än i den lägre belägna mynningen (blå kurva).

Figur 4.21 Vindhastighet i och utanför tunneln under perioden 2008-10-01 till 2009-06-01

Figur 4.22 Vindhastighet i och utanför tunneln under perioden 2009-10-01 till 2010-06-01

0 1 2 3 4 5

08-10-01 08-12-01 09-02-01 09-04-01 09-06-01

Vindhastighet m/s

Datum

Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln 2008/2009

Vindhastighet utanför tunneln Vindhastighet söder km 816+170 Vindhastighet mitt km 817+000 Vindhastighet norr km 817+830

0 1 2 3 4

09-10-01 09-12-01 10-02-01 10-04-01 10-06-01

Vindhastighet m/s

Datum

Vindhastigheter i och utanför Glödbergstunneln 2009/2010

Vindhastighet utanför tunneln Vindhastighet söder km 816+170 Vindhastighet mitt km 817+000 Vindhastighet norr km 817+830

(20)

17 4.7 Vindriktning utanför tunneln

I Figur 4.23 visas dominerande vindriktningar vid Glödbergtunneln. De utgörs dels av sydliga vindar som ligger mellan 140-170°, dels nordvästliga mellan 260-320°.

I diagrammet finns även tunnelns sträckning i förhållande till norr inritad.

Tunnelmynningarna ligger 43° och 223° från norr och då dominerande vindriktning inte ligger i tunnelns sträckning så påverkas inte luftrörelserna i tunnelluften till någon större del av vinden. Vid de få tillfällen då vindriktningen sammanfaller med någon av tunnelmynningarnas riktning, fås en liten ökning av vindhastigheten vid mätstationen för aktuell mynning. Men det ger inte någon påverkan genom hela tunneln.

Figur 4.23 Den dominerande vindriktningen vid Glödberget från februari 2007 till juni 2010

4.8 Mätningar vid tågpassage

För de mätstationer som sitter i spårtunneln kan en programslinga aktiveras, som loggar mätvärden varje/var tredje sekund. De värden som lagras är lufttemperatur,

vindhastighet och lufttryck. Programslingan startas manuellt från Trafikverket och används för att studera vad som händer i tunnelluften när ett tåg passerar genom tunneln. Nedan redovisas en mätserie från 2010-01-28. Under mätserien passerade fyra tåg, enligt Tabell 4.1.

Tabell 4.1 Tåg i Glödbergstunneln 2010-01-28

Kl Tågnr Tågslag Riktning Vikt Längd ca 08:00 9126 Godståg Norrgående 913 t 570 m ca 08:35 43730 Godståg Norrgående 682 t 610 m ca 09:00 9115 Godståg Södergående 2502 t 378 m ca 09:30 43010 Godståg Norrgående 790 t 295 m

I Figur 4.24 visas mätstationernas ungefärliga placering i tunnel samt vilken riktning tågpassage sker i tunneln vid norr- respektive södergående tåg. Figuren visar även att

(21)

18

den södra mynningen är den högt belägna mynningen och därför stiger den uppvärmda tunnelluften mot söder.

Figur 4.24 Mätstationernas placering och riktningsangivelse för söder- respektive norrgående tåg

Den tredje tågpassagen i tunneln (ca 09:00) skiljer sig från de andra då detta tåg är södergående istället för norrgående. Detta tåg var även mycket tyngre än de andra och hade troligtvis lägre hastighet, därav uppstod mindre störning på vindhastigheter och tryck (se Figur 4.25, Figur 4.26 och Figur 4.27).

Figur 4.25 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Södra mätstationen 2010-01-28 Vid den södra mätstationen sänks temperaturen vid tågpassage för de norrgående tågen, medan det för det södergående tåget nästan inte sker någon temperaturförändring alls (Figur 4.25). Faktum är att tunnelluften vid den södra delen av tunneln är varmare än både uteluften och tunnelluften i den norra änden (jämför ”normaltemperaturen” ca - 5 °C i Figur 4.25 med ca - 12 °C i Figur 4.26), eftersom den södra tunnelmynningen ligger högre än den norra mynningen och den varma luften stiger uppåt på grund av

”skorstenseffekten”. Orsaken till temperatursänkningen vid de norrgående tågen är att

Södra stationen Glödberget 2010-01-28

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

07:46:00 08:01:00 08:16:00 08:31:00 08:46:00 09:01:00 09:16:00 09:31:00

Tid

Temperatur (°C) / Vindhastighet (m/s)

930 940 950 960 970 980 990

Lufttryck (hPa)

Lufttemp 50 m in km 816+210 Lufttemp 100 m in km 816+264 Lufttemp 200 m in km 816+364 Lufttemp 300 m in km 816+458 Vindhastighet km 816+170 Lufttryck

norrgående norrgående södergående norrgående

(22)

19

de drar med sig kall uteluft när de kör in i den södra tunnelmynningen. För de södergående tågen hinner den kalla uteluften från norr blanda sig med den varmare tunnelluften längs hela tunneln. Så när tåget passerar den södra mätstationen, strax innan tåget passerar ut ur tunneln, är lufttemperaturen relativt nära tunnelluftens temperatur.

Vid den norra mätstationen höjs istället temperaturen vid tågpassage, speciellt för de norrgående tågen. Det beror på att den varma tunnelluften som finns i tunnelns södra del trycks framför de norrgående tågen och ökar därmed temperaturen tillfälligt i tunnelns norra delar (Figur 4.26).

Figur 4.26 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Norra mätstationen 2010-01-28 Det sker även en ökning av lufttemperaturen vid den mittersta mätstationen, men den är inte lika markant som vid den norra mätstationen (Figur 4.27). Här sker troligtvis en omrörning av tunnelluften i mätsektionen vid tågpassagen, vilket leder till ökade temperaturer.

Norra stationen Glödberget 2010-01-28

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

07:46:00 08:01:00 08:16:00 08:31:00 08:46:00 09:01:00 09:16:00 09:31:00

Tid

930 940 950 960 970 980 990

Lufttryck (hPa)

Lufttemp 50 m in km 817+790 Lufttemp 100 m in km 817+740 Lufttemp 200 m in km 817+640 Lufttemp 300 m in km 817+540 Vindhastighet km 817+830 Lufttryck

(23)

20

Figur 4.27 Fyra tågpassager genom Glödbergstunneln, Mittersta mätstationen 2010-01-28

5 Analys och diskussion

5.1 Jämförelse med modellstudie

De hittills utförda mätningarna visar att kylan tränger längre in i tunnlarna än tidigare antaganden. Mätningarna visar att trots att tunneln är 1680 m lång, sker

köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln (Figur 5.1).

Figur 5.1 Lufttemperatur in längs Glödbergtunneln under några dagar i mars 2009

Mittersta stationen Glödberget 2010-01-28

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

07:46:00 08:01:00 08:16:00 08:31:00 08:46:00 09:01:00 09:16:00 09:31:00

Tid

Lufttemp mitt km 816+995 Vindhastighet km 816+995

Lufttemperatur längs Glödbergstunneln

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Antal meter in längs tunneln (södra mynningen till vänster)

2009-03-20 2009-03-21 2009-03-22 2009-03-23 2009-03-24 2009-03-25 2009-03-26

Södra mynningen Norra mynningen

(24)

21

Tunnelluften är varmast i den del av tunneln som ligger vid den högre belägna tunnelmynningen. Det kan förklaras med ”skorstenseffekten” där den varma luften stiger uppåt. Detta har även visats i modellstudien (Sandberg m.fl., 2002) och i Figur 5.2 visas luftflödet för den tunnelkategori som motsvarar situationen i Glödberget, det vill säga Klass III där ΔH > 2H. ΔH är tunnelns totala höjdskillnad och H är

tunnelsektionens höjd. I Glödbergets är ΔH = 21 m och H = 7,2 m.

Figur 5.2 Luftströmningsmönster för Klass III Fall D (Sandberg m.fl., 2002)

För att göra en enkel jämförelse med den tidigare utförda modellstudien så plockas den utetemperaturen som leder till negativa grader i hela tunnelns längd (turkos kurva) från temperaturkurvan i Figur 5.1. Vid utetemperaturen -10 °C och en bergtemperatur på +3 °C (årsmedeltemperaturen för område där Glödbergstunneln ligger – se Bilaga 1) visar de streckade linjerna i Figur 5.3 att enligt modellstudien ska nollisotermen ligga på ca 460 m in från den lägre belägna tunnelmynningen för en lutande tunnel. I

fältmätning visas dock att tunneln har negativa temperaturer i hela sin längd.

Figur 5.3 Köldinträngning i Glödbergstunneln (modifierad från Sandberg m.fl., 2002) En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer är att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta. Deras funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör för kylan att tränga längre in i tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, täckningsgraden, påverkar därmed köldinträngningens längd.

200 300 400

-25 -20 -15 -10 -5 0 T =+3°C_B

T =+5°C_B T =+8°C_B

X [m] 0

Utomhustemperatur T [°C]₀ 500

600

Aktuella mätvärden från Figur 5.1 och Bilaga 1

(25)

22 5.2 Inverkan av dräner

(Hela avsnittet är uppdaterat från den tekniska rapporten av Andrén & Dahlström, 2011) Enligt TRVK Tunnel 11 ska den lägsta temperaturen på ytor i ett trafikutrymme

bestämmas med följande förutsättningar;

• Järnvägstunnel med längd ≤ 1000 m ska dimensioneras för köldmängd med återkomsttiden 50 år.

• Vid järnvägstunnel med en längd > 1000 m ska de delar som är belägna på större avstånd än 500 m från en tunnelöppning dimensioneras för medelköldmängd.

Övriga delar ska dimensioneras för köldmängd med återkomsttid 50 år.

Temperaturdata för medelköldmängd och köldmängd med en återkomsttid på 50 år framgår av Tabell 5.1 och Bilaga 2.

Tabell 5.1 Temperaturdata, enligt TRVK Tunnel 11

KLIMATZON 1 2 3 4 5

Nedkylnings- resp. uppvärmningstid (dagar)

10 15 20 30 25

Köldperiodens totala längd (dagar) 40 60 80 90 100 Lägsta temperatur vid köldmängd med

återkomsttid 50 år (°C)

-15 -15 -15 -16 -18

Lägsta temperatur vid medelköldmängd (°C)

-6 -8 -9 -10 -12

TRVK Tunnel 11 anger att ovanstående förutsättningar ska tillämpas såvida inte

riktigare värden kan påvisas i utredning. I utredningen ska beaktas att lufttemperaturen inuti tunneln påverkas av faktorer som läge, längd, lutning, höjdskillnad mellan påslag och ventilationsförhållanden samt de geografiska och meterologiska förhållandena. Den högsta temperaturen vid konstruktionens sida mot trafikutrymmet förutsätts vara +20 °C oberoende av tunnelns geografiska läge. Antagande om temperaturer i omgivande jord och berg ska anges av byggherren.

Om man utgår från de givna förutsättningarna vid dimensionering enligt ovan och resultatet från den modellstudie som tidigare utförts (Sandberg m.fl., 2002) skulle resulterande köldinträngning för Glödbergstunneln bli enligt följande;

• Lägsta temperaturvärdet för 50 år i klimatzon 4, -16°C (enligt Tabell 5.1)

• Bergtemperatur: +3 °C (enligt Bilaga 1)

Dessa förutsättningar medför, för att inte tillåta frysning, att den södra ändan isoleras från mynningen 200 m (säkerhetsavstånd, enligt Sandberg m.fl., 2002) och den norra ändan från mynningen och ca 460 m in i tunneln, se Figur 5.3.

Modellen är framtagen med syftet att identifiera tunnelavsnitt där lufttemperaturen varaktigt är under fryspunkten. I de tunnelavsnitt som under en länge varaktighet