Et tunnelprosjekt er i aller høyeste grad tverrfaglig, men i alle tilfeller handler det om å bore eller sprenge seg gjennom berg. Geologien ligger i bunn.
– Under tunneldrivingen må vi kjenne styrken og hardheten til bergartene vi sprenger oss gjennom. Som regel opererer vi i det vi kaller harde bergarter, men berget består i tillegg av soner med svakere materiale som oppknust berg eller løsmasser. De er betraktelig mer krevende å jobbe i, forklarer Eivind Grøv, sjefforsker ved SINTEF Communitys avdeling for infrastruktur og professor II ved Institutt for geovitenskap og petroleum ved NTNU.
En kanskje enda viktigere parameter for tunnelgeologene og byggherrene er bergspenninger, og her har SINTEF god innsikt. Bergspenninger er blant annet bestemt av mengden overliggende berg. På generelt grunnlag: Jo mer overliggende berg, desto høyere spenninger.
– Men landoverflaten i Norge i dag kan skille seg ganske mye fra hvordan landoverflaten så ut for noen millioner år siden. En rekke istider har erodert ned landskapet vårt, og ulike tektoniske hendelser har funnet sted. I berget blir gamle spenninger (remanente spenninger) ofte bevart, noe som betyr at spenningen i et gitt målepunkt i mange tilfeller er høyere enn hva landskapet i dag, altså overdekningen, skulle tilsi.
Bergspenninger har stor betydning for hvor store bergrom vi kan bygge ut og utformingen av disse. Ingeniørgeologen sammenlikner et bergrom med en steinbro (steinhvelvbro).
– De fleste av oss ser de gamle steinbroene når vi for eksempel kjører til hytta. Steinblokkene ligger stablet oppå hverandre og danner en flott bue. Dette kaller vi en trykkbue, og trykket holder steinblokkene på plass.
Slike trykkbuer finnes også i tunneler og andre rom i berget, og kort fortalt innebærer høye bergspenninger at en kan grave ut større buer, som igjen betyr større underjordiske haller.
– Gjøvikhallen er et godt eksempel på at gunstige, høye remanente spenninger i berget har latt oss lage større rom enn hva gravitativ teori skulle tilsi. Den er verdens største publikumshall med et spenn på 61 meter.
For gruveselskaper som opererer under bakken er dette avgjørende kunnskap. Høye spenninger kan tillate selskapet å ta ut mer malm fra et bergrom eller bruke tynnere pilarer.
– SINTEF har vært involvert i de fleste gruver som er i drift i dag, deriblant Rana Gruber, og bidratt til bedre forståelse av bergspenningene og til sist bidratt til bedre utnyttelsesgrad av forekomstene.
Grøv legger til at vår kunnskap også har bidratt til den moderne utviklingen av Norges energieventyr – vannkraft.
– Kompetansen på bergspenninger har latt oss bygge unike norske løsninger for vannkrafttunneler, nemlig uforede trykktunneler.
Sjefforskeren trekker frem nye Tyin kraftverk (fra 2004) som prakteksempelet på dette. Vannet i tunnelene har et vanntrykk tilsvarende hele 1 046 meters fallhøyde – i uforet tilstand, altså uten stålforing.
– Det er helt og holdent spenningene i berget som holder vannet på plass. Jeg synes det er veldig fascinerende at vi klarer å utnytte bergets egenskaper på denne måten, og dette har vi fått til ikke bare ved Tyin, men også i mange andre vannførende tunneler.
Om å finne balansen
En annen parameter relatert til geologi og bergmekanikk er en som finner sted mellom stålet til en boremaskin og bergartene – abrasjon eller slitasje. SINTEF-forskeren byr på et nytt pedagogisk eksempel for å forklare betydningen av bergartenes abrasive egenskaper.
– Tenk deg at du står med en drill fra Clas Ohlson rettet inn mot veggen i stua. Når du borer, kan du styre hvor mye trykk du legger på drillen fra kroppen din, og du kan også styre omdreiningstallet. Da har du sikkert opplevd at det å bore i ulike materialer, det være seg gips, treverk eller betong, krever at du også justerer trykket og krafta, samt omdreiningstallet du velger å bruke.
– Det er ikke alltid slik at fullt trykk, full kraft og full fart gir mest effektiv boring, eller inndrift. I noen tilfeller kan du ende opp med at det kun kommer røyk ut av hullet i veggen som følge av friksjon og varme. Slik er det også i tunneldrift. Vi må finne en balanse for parameterne vi styrer mellom maskin og berg.
Ifølge Grøv har SINTEF forsket mye på hvordan boreutstyret (tunnelboremaskin eller en ordinær boremaskin) skal opereres best mulig avhengig av egenskapene til berget, samt utviklet nye «oppskrifter» for hva slags stålmateriale som bør brukes (geo365.no: Ny testmetode effektiviserer TBM-tunneldriving).
Dette er et utdrag av artikkelen Norske tunneler 2.0 som du kan lese i sin helhet i GEO 2022.