Freezing Temperature Flows in Railway Tunnels and its Consequence on the Rock Supporting Structure, the Rock and the Reinforcing Elements

• Water in the surrounding rock mass flows into the tunnel via naturally occurring joints and via cracks caused by the blasting used to excavate the tunnel. The most common method in Sweden to reduce or prevent leakage problems are first and foremost the use of grouting. However, experience shows that despite extensive pre-grouting and supplementary post-grouting, it is difficult to seal the rock mass so that drips and moisture are completely eliminated. Although the water itself causes degradation of the tunnel, the degradation process increases dramatically when the water is exposed to freezing temperatures. Water expands during freezing and due to water migration, which occurs in rock in a similar way as in soil, the ice causes frost shattering of the interface between rock and shotcrete and also to the shotcrete and the rock itself. This can damage the main load-bearing system. The ice formation itself is a maintenance problem, as the tunnels must be kept clear of icicles, ice pillars and ice layers in the tracks or on the roads. One of the main tasks in this research project has been to identify which problems cause the most maintenance work and where and when these problems occur in the tunnel.During the field observations carried out as part of this doctoral study, many problems with water and ice were discovered, all of which contribute to increased maintenance. Many ice problems are directly linked to frost insulated drain mats. Leakage and ice formations occur at the edge of the drains, in mat splices and when brackets for cable racks, handrails or other installations puncture a drain and it has not been properly sealed. In drains covered with shotcrete, frost shattering and cracking in the shotcrete can be a problem. Frost cycles in the tunnel cause the water to freeze and thaw alternately, allowing more water to reach the freezing area due to water migration, resulting in frost shattering of the rock and the shotcrete. If not anchored with bolts, the reinforcing effect and the stability of shotcrete in a tunnel is dependent on the adhesion to the rock surface. It is, therefore, important to take all available measures to ensure good adhesion. Poor adhesion in itself is not a degradation problem, but a void can form in the interface between rock and shotcrete as a result of poor adhesion. If this void is filled with water that cannot drain away, ice pressure can occur in the layer between rock and shotcrete. The ice pressure can cause cracking and degradation of the shotcrete if the pressure exceeds the tensile strength of the adjacent material. In some of the reported fall-outs of rock and shotcrete, an ice layer was discovered between the rock surface and the edges of the remaining shotcrete layer. Therefore, frost shattering is a likely cause of the fall-outs. Many frost cycles combined with water leakage can cause frost shattering. The field measurements conducted as a part of the doctoral study have shown that most frost cycles do not occur closest to the tunnel entrances, but instead about 100 to 200 m into the longer tunnels. The results from the laboratory tests performed as part of the doctoral study showed that the adhesive strength between rock and shotcrete decreased significantly when the test panels were subjected to freeze-thaw cycles. Furthermore, more of the micro seismic events (AE - acoustic emission monitoring) occurred in the test panels that had access to water during freezing. Therefor, maintenance personnel and inspectors should pay particular attention to water leakage in sections that have an increased number of frost cycles, to avoid future problems with frost shattering of rock or shotcrete. In the longer tunnels studied in this work, a greater number of ice formations occurred in the inner parts of the tunnel, than close to the entrances. The rock mass emits heat, which heats up the cold outside air that enters the tunnel. Due to the heat transfer from the rock mass, leakage points located further along the tunnels can remain unfrozen. A leak that is closer to the tunnel entrances in the longer tunnels or a leak in a shorter tunnel are exposed to higher freezing rates. The entire rock mass freezes and the leak ‘freezes dry’, that is, ice forms in the water-bearing fracture, preventing further water leakage.Where and when ice problems occur along a tunnel depends on many factors. Besides the obvious water leakage, the length of frost penetration into the tunnel is the main reason for where and when ice problems occur. The predominant cause of frost penetration in most of the tunnels is the thermally induced airflow. In the longer tunnels, the inclination of the tunnel affects frost penetration the most. The field observations showed that there was a difference in where and when leakage points appear during the year and also in terms of variation in the amount of leakage water. There was also a variation over different years. The conclusions of the field observations are that it is difficult to estimate where the insulated drain mats should be located along a tunnel. Based on experience from this survey, the location of the drains should be determined only after several inspections and especially after a winter period, when the main problems with ice formation occur. Previous perception regarding ice problems have been that ice formation only occurs at the tunnel entrances and in the outer parts of the tunnel. A proposed measure has, therefore, been to cover the first 300 m from each entrance with frost insulated drains to try to completely eliminate the ice problems. However, this is not an effective solution to the problem. The insulation not only prevents the cold from reaching the leakage point, but it also prevents the rock mass from emitting heat that warms up the cold outside air entering the tunnel. Thus, the frost can penetrate further into the tunnel and the problems with ice formation are only moved further into the tunnel. As the amount and location of the frost insulation affects frost penetration, the dimensioning of insulation must, therefore, be carried out in several iterations, where each new distribution of insulation along the tunnel is calculated separately.For the tunnels that have been studied as part of this doctoral study, the following has emerged. The central and southern parts of Sweden have shorter cooling periods and the tunnels are exposed to many temperature fluctuations around 0°C during the winter. The frost does not have time to penetrate as far here as in the tunnels in the northern parts of Sweden. Therefore, more ice problems arise around the entrances of the tunnels in the southern parts of Sweden than for those in the northern parts. For northern parts of Sweden, the problem of growing ice formations in sections near the tunnel entrance usually occurs only during the autumn and spring, but not in winter. The field observations showed that the problems with ice growth and temperature fluctuations around 0°C occur further along the longer tunnels in the northern parts of Sweden. This is because the temperature of the tunnel air is higher due to heat transfer from the rock mass. For shorter tunnels that adopt the same temperatures as the outside air, ice formations can occur along the entire length of the tunnel in the sections that have leakage problems. The Swedish Transport Administration’s regulations are currently being updated and the observations and measurements carried out in this doctoral work are now being used to evaluate new requirements regarding frost penetration in tunnels.

• Vatten i den omgivande bergmassan rinner in i tunneln via naturligt förekommande sprickor och via sprickor orsakade av själva sprängningen av tunneln. Den vanligaste metoden i Sverige för att minska eller förebygga läckageproblem är först och främst injektering. Erfarenheter visar dock att trots omfattande förinjektering och kompletterande efterinjektering, är det svårt att täta bergmassan så att dropp och fukt helt elimineras. Även om vattnet i sig orsakar nedbrytning av tunneln, ökar nedbrytningsprocessen dramatiskt när vattnet utsätts för minusgrader. Vattnet expanderar vid frysning och på grund av vattenvandring, som sker i berg på liknande sätt som i jord, kan isen orsaka frostsprängning i skiktet mellan sprutbetong och berg, men även i själva sprutbetongen och berget. Detta kan skada det bärande huvudsystemet. Själva isbildningen är ett underhållsproblem i sig, eftersom tunnlarna måste hållas fria från istappar, ispelare och islager i spår eller på vägar. En av uppgifterna i forskningsprojektet har varit att ta reda på vilka problem som orsakar mest underhållsarbete och var och när dessa problem uppstår i tunneln.Vid fältobservationerna utförda inom ramen för detta doktorsarbete observerades många problem med vatten och is, som alla bidrar till ett ökat underhåll. Många isproblem är direkt kopplade till de frostisolerade dränmattorna. Läckage och isbildning uppstår vid dränkanterna, i skarvar mellan mattor och när fästen för kabelräcken, ledstänger eller andra installationer punkterar dränen som sedan inte har blivit ordentligt tätad. I dräner täckta med sprutbetong kan frostsprängning och sprickbildning i sprutbetongen vara ett problem. Frostcykler i tunneln gör att vattnet fryser och tinar om vartannat, vilket möjliggör vattentransport till frysområdet på grund av vattenvandring med frostsprängning av berg och sprutbetong som följd. Förstärkningseffekten och stabiliteten hos sprutbetong i en tunnel är helt beroende av vidhäftningen mot bergytan. Det är därför viktigt att vidta alla tillgängliga åtgärder för att säkerställa god vidhäftning. Dålig vidhäftning i sig är inte något nedbrytningsproblem. Om ett hålrum i skiktet mellan berget och sprutbetongen fylls med vatten som inte kan dränera undan, kan ett istryck byggas upp. Istrycket kan orsaka vidhäftningsbrott i kontakten mellan sprutbetong och berg, samt sprickbildning och nedbrytning av sprutbetongen och berget om trycket överstiger draghållfastheten hos det intilliggande materialet. Vid några av de rapporterade nedfallen av berg och sprutbetong upptäcktes ett islager mellan bergytan och kanterna på det kvarvarande sprutbetongskiktet. Frostsprängning är en trolig orsak till nedfallen. Många frostcykler i kombination med vattenläckage kan orsaka frostsprängning. Utförda fältmätningar har visat att de flesta frostcykler inte sker närmast tunnelmynningarna, utan istället på cirka 100 till 200 m in längs de längre tunnlarna som studerats inom ramen för detta doktorsarbete. Resultaten från utförda laboratorieförsök, visade att vidhäftningshållfastheten mellan berg och sprutbetong minskade betydligt när testpanelerna utsattes för frys-tiningscykler. Dessutom var de registrerade mikroseismiska händelserna (AE – mätning med akustisk emission)fler i de testpaneler som hade tillgång till vatten under frysning. Därför bör vattenläckage i de sektioner som har ett ökat antal frostcykler, få extra uppmärksamhet från underhållspersonal och inspektörer, för att undvika framtida problem med frostsprängning av berg eller sprutbetong.I de längre tunnlarna som har studerats, bildades ett större antal isformationer i de inre delarna av tunneln, jämfört med området kring mynningarna. Bergmassan avger värme som värmer upp den kalla uteluften som tränger in i tunneln. På grund av värmeöverföringen från bergmassan kan läckage som finns längre in i tunnlarna förblir ofrusna. Ett droppläckage som är närmare tunnelmynningarna i de längre tunnlarna eller droppläckage i de kortare tunnlarna utsätts för högre fryshastighet. Hela bergmassan fryser och läckaget ”fryser torrt”, det vill säga det bildas is i den vattenförande sprickan vilket förhindrar ytterligare vattenläckage.Var och när isproblem uppstår längs en tunnel beror på många saker. Förutom det uppenbara vattenläckaget är längden på frostinträngning in längs tunneln den främsta orsaken till var och när isproblem uppstår. Den dominerande orsaken till frostinträngning är i de flesta av tunnlarna det termiskt inducerade luftflödet. I de längre tunnlarna är det lutningen på tunneln som påverkar frostinträngningen allra mest. Fältobservationerna visade att det fanns en skillnad i var och när läckageställen uppstår under året och även i fråga om variation i mängden läckagevatten. Det fanns också en variation över olika år. Slutsatserna av fältobservationerna är att det är svårt att uppskatta var de isolerade dränmattorna ska placeras längs en tunnel. Utifrån erfarenheter från denna undersökning bör dränernas placering bestämmas först efter flera inspektioner och särskilt efter en vinterperiod, då de verkliga problemen med isbildning uppstår. Tidigare funderingar kring isproblem har varit att isbildning endast sker vid tunnelmynningarna och i de yttre delarna av tunneln. Ett åtgärdsförslag har därför varit att klä in de första 300 m från vardera mynningen med frostisolerande dräner för att helt försöka eliminera problemen med isbildning. Det är inte en effektiv lösning på problemet. Isoleringen förhindrar inte bara kylan från att nå vattenläckaget, utan den hindrar även bergvärmen att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Därmed kan frosten tränga in längre och problemen med isbildning flyttas bara längre in längs tunneln. Då mängden och placeringen av frostisoleringen påverkar frostinträngningen, måste därför dimensioneringen av isolering utföras i flera iterationer, där varje ny fördelning av isolering längs tunneln beräknas separat.För de tunnlar som har studerats i detta doktorsarbete har följande framkommit. De mellersta och södra delarna av Sverige har kortare frostperioder och tunnlarna utsätts för många temperaturväxlingar kring 0°C under vintern. Frosten hinner inte tränga in lika långt här, som i tunnlarna i de norra delarna av Sverige. Därför uppstår fler isproblem kring tunnlarnas mynningar i de södra delarna av Sverige, än för tunnlarna i de norra delarna. I de norra delarna av Sverige uppstår problemet med växande isformationer i sektioner nära tunnelmynningarna vanligtvis bara under hösten och våren, men inte under vintern. Fältobservationerna visade att problemen med istillväxt och temperaturväxlingar kring 0°C uppstår längre in i de längre tunnlarna i norra Sverige, eftersom tunnelluftens temperatur är högre på grund av värmetransport från bergmassan. För kortare tunnlar, som antar samma temperaturer som uteluften, kan isformationer uppstå längs hela tunnelns längd i de sektioner som har läckageproblem. Trafikverket regelverk håller på att uppdateras och de observationer och framförallt mätningar utförda i detta doktorsarbete används nu för att utvärdera nya kravställningar kring köldinträngning i tunnlar.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Geoteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Geotechnical Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Tunnel

frost penetration

ice formation

freeze-thaw test

frost shattering

temperature measurement

maintenance

degradation of rock and shotcrete

cold climate

Tunnel

köldinträngning

isbildning

frystester

frostsprängning

temperaturmätning

underhåll

nedbrytning av berg och sprutbetong

kallt klimat

Mining and Rock Engineering

Gruv- och berganläggningsteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)