Frostinntrengning i tunneler i Region nord

62 Pages·2017·3.72 MB·Norwegian

by  Paban Acharya

Institutt for bygg, energi og materialteknologi
Fros tinntrengning i tunneler i Region nord
Frost shattering and ice problems in tunnels in North Norway
Paban Acharya
Bacheloroppgave i Bygg [anlegg og produksjon] … Juni 2017
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

Forord

Denne rapporten er en avsluttende dokumentasjon som har ett omfang på 20 studie poeng på et 3-
årig ingeniørstudium i Bygg og Anlegg linje ved UiT avd. Narvik.
Underveis utdanningen valgte jeg studieretning anlegg og produksjon som en av fire ulike
spesialisering innenfor bygg og anleggsfagene. Denne oppgaven samsvarer med de fagene som
jeg valgte gjennom studie. Samtidig virket forslaget til oppgaven veldig interessant for å jobbe
med. Oppgaven er skrevet parallelt med et fag med 10 studiepoeng; IGR1605 Entreprenørskap,
økonomi og organisasjon.
Denne oppgaven hadde ikke vært mulig uten Statens Vegvesens tilbudet. Derfor vil jeg takke først
og fremst Seksjonssjef Leif Jenssen, GEO og lab SVV Region Nord for tilbudet.
Jeg vil takke min veileder Tor Konrad Kildal for alltid å være tilegnelig for diskusjoner med alle
typer spørsmål knyttet med oppgaven og fagområdet. Han har vist meg mye tillitt fra den første
dag jeg var hos ham. Han har vært en kjempe snill lærer ikke bare gjennom oppgaveskriving men
med alle de fagene han har undervist fra tredje semester til nå.
Jeg vil også takke min onkel Prof. Krishna for betydningsfull hjelp til å forstå forskjellige faktorer
knyttet med tunnel og litteratur som ble nyttig med problemstillingen.
Jeg vil sette stor pris på uvurderlig veiledning jeg har fått fra Geotekniker Greger Wian, SVV
Region Nord. Jeg har fått alle gode ideer og mulige informasjon fra ham man kunne få. Jeg vil
takke ham for tid han brukte for å sette opp temperatur målere inn i tunnel og alle de andre som
har vært så snill å sende målinger fra felt.
Til slutt vil jeg takke Meteorologisk institutt for deres spesial tilgang til klimadata selv om
ekilma.met.no var nede på grunn av et hackerangrep.

Sted: Narvik
Dato: 12.06.2017

Paban Acharya

Hovedrapport Paban Acharya 1
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

Sammendrag

Norge har stor variasjon i temperatur fra mildt kystklima til svært kaldt vinter i innlandet som har
stor betydning for frostmengdeberegning. Den norske meteorologiske institutt har ca. 700
klimastasjoner som gir grunnlag for klimabeskrivelsen for hele landet som viser at
årsmiddeltemperaturen går opp i ca. 8oC langs vestkysten, mens den i de sentrale fjellområder er
under 0oC i nivåer høyere enn 7500-1000m.o.h. I Finnmark er de normale årsmidler så lave som
fra -1 til -2oC selve på lavlandsstasjoner. Kaldeste tid på året i innlandet er midten av januar, ved
kysten og i fjellet først i februar, og på ishavsstasjonene først i mars.
Frostmengden er tidsintegralet av negativ temperatur gjennom vinteren. Den praktiske regnemåten
er gjerne knyttet til summering av månedsmiddelverdiene. Frostmengde beregning fra
månedsmiddelstemperatur resulterer i at bare måneder med overveiende kuldegrader gir tellende
frostmengde, mens måneder med bare korte kuldeperioder høst og vår ikke gir frostmengde.
Det er mer enn 1000 vegtunneler i Norge per i dag hvor av mer enn 177 ligger i region nord. Skader
forårsaket av forstinntrengningen inn i tunnel kan ha store konsekvenser som fører til veldig farlig
kjøreforhold på grunn av isdannelsen på vegbane, Iskjøving i tunnel vegg, skader på tunnel lys, is-
demper på kjørebane, grov vegbane med is-sprekker osv. Derfor er det svært viktig at man sikrer
tunneler mot forstinntrengning men samtidig er det viktig å ha riktig dimensjonering av frosten
fordi overdimensjonert frostsikring kan resultere til unødvendige kostnader hvor av
underdimensjonering kan som nevnt ovenfor bli farlig.
Selv om er det tilgjengelige frostmengde verdier for alle kommuner i Norge kan frostmengde verdi
for et aktuelt prosjekt og prosjektområdet kan variere på grunn av faktorer for eksempel
vindretning, høydeforskjellen og andre lokale forhold. Derfor er det viktig enten å korrigere
frostmengde verdi som skal brukes fra kommunesentret eller hente klimadata som er tilgjengelig
fra nærmeste klimastasjoner for å beregne ved bruk av standard formel gitt ved intern rapport 2301.
Oppgaven består av en undersøkelse om forstinntrengningen i tunneler som varierer på grunn av
forskjellige faktorer f.eks. frostmengde i dagen, dominerende vindretning, ventilasjon i tunnel,
trafikk i tunnel, mengde vann og frostsikring osv.

Videre ble det forsøkt om hvordan kan man finne aktuelle frostmengde verdier inn i tunnel iht.
frostmengde ute basert på nåværende data (dimensjonerende frostmengde kurver) som ble hentet
fra HB N200. Etter hvert ble det testet forstinntrengningen i nye tunneler på steder i Region nord
med store frostmengder hvor vann- og frostsikring av vegg og heng er utført.

Hovedrapport Paban Acharya 2
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

Abstract

Norway has a unique variation of weather/temperature from areas with mild temperature to severe
frost zone. Frost shattering and ice are frequent problems which comes across while constructing
road and tunnels.
Norwegian meteorological institute has an open climatic data source, which is updated and
available for all those interested who wants to carry out any sort of research, taken from various
climatic stations from all over the country.
Norway has more than 1000 tunnels up until now and many more are under construction. And the
problems which frost can arouse has big impact on the stability of tunnel´s wall and roof along
with driving conditions. That’s why Norwegian directorate of public road authority has been very
conscious about the safety measures used to prevent constructions from problems caused by frost
and ice. Every project is therefore designed in such a way that problems do not occur once the
project is open for public. In order to do so it is very important to have a concrete value of frost
index inside tunnel which gives the basis for right design of frost protection as overdesign can
result the unnecessary cost. For which there are frost index values available for every municipality
after coordination of Vegvesen with Norwegian meteorological institute well documented in HB
N200. But there are many factors which influences the values given and are needs to be corrected
before being used for a project or can be calculated by using the temperature measurements taken
from the closest station.
In this document are frost index values calculated using temperature measurements from nearest
station and compared with the one which are available, thus a huge variation has been found. After
that temperature-sensors(thermometers) were installed inside a tunnel to see the temperature
behaviour inside tunnel compared with outside temperature. Author has also tried to research the
findings and the methods used by the countries with similar weather conditions with Norway as
well which can be an interesting research to carry out in future.

Hovedrapport Paban Acharya 3
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

Ordliste

Region Nord: Samlet betingelser for Nordland, Troms og Finnmark fylker.
SVV: Statens Vegvesen
Frostprofil: En grafisk representasjon av frostmengde verdier inn i tunnel iht.
dimensjonerende frostmengde ute.
Påhugg: Åpning av tunnel
Horisontale tunneler: tunneler med stigning mindre enn 2%
ÅDT: Årsdøgn trafikk
Høytrafikktunneler: ÅDT>15000
HoC: Timegrader
HB: Håndbøker fra vegvesen.

Hovedrapport Paban Acharya 4
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

Figurliste
Figure 1 Kartskisse med beligenhet av referense tunnel-prosjekter (Norgeskart)....................................... 7
Figur 2 Frost skade på påhugg og inne i tunnel [4]..................................................................................... 15
Figur 3 Luftstrømmen i veitunneler på grunn av de meteorologiske krefter og ventilasjon [6] ................. 17
Figur 4 Luftstrømmen i en tunnel med stigning en stille vinterdag [7] ...................................................... 18
Figur 5 Luftstrømmen i en tunnel med stigning [7]. ................................................................................... 19
Figur 6 Luftstrømmen i en undersjøisk tunnel i en stille vinterdag [7]. ..................................................... 19
Figur 7 Eksponential representasjon av frostmengde verdier tatt fra Pedersen (2002) i horisontal tunnel. 21
Figur 8 Frostinntrengning inn i horisontal tunnel (etter Pedersen 2002) .................................................... 22
Figur 9 Eksponential representasjon av frostmengde verdier tatt fra Pedersen (2002) i tunnel med 2%-4%
stigning. ....................................................................................................................................................... 23
Figur 10 Frostinntrengning i tunnel med 2%-4% stigning (etter Pedersen 2002). ..................................... 23
Figur 11 Kartskisse med tegning, Nordnestunnelen (Norgeskart). ............................................................. 24
Figur 12 Frostmengde-trend; Nordnesfjellet stasjon................................................................................... 25
Figur 13 Frostprofil Nordnestunel .............................................................................................................. 26
Figur 14 Kartskisse med tegning (Ill.: Statens Vegvesen) .......................................................................... 27
Figur 15 Temperatur målt ved Sørkjosen Lufthavn. ................................................................................... 28
Figur 16 Frostmengde-trend; målt ved Sørkjosen Lufthavn. ...................................................................... 28
Figur 17 Frostprofil Sørkjosen tunnel. ........................................................................................................ 29
Figur 18 Tunnel temperatur kurve for målinger tatt fra 10-24 April 2017. ................................................ 31
Figur 19 Temperatur variasjon inn i tunnel (Sandberg et al. 2002). ........................................................... 33

Hovedrapport Paban Acharya 5
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

Tabeliste
Table 1 Frostmengde inn i horisontal tunnel (etter Pedersen 2002) ........................................................... 20
Tabel 2 Frostmengde inn i tunnel med 2%-4% stigning (etter Pedersen 2002) .......................................... 22
Tabel 3 Frostmengde verdier; Nordnesfjellet. ............................................................................................ 25
Tabel 4 Frostmengdeverdier inn i Nordnes tunnel ...................................................................................... 26
Tabel 5 Frostmengde verdier målt ved Sørkjosen Lufthavn ....................................................................... 27
Tabel 6 Frostmengde verdier inn i Sørkjosen tunnel. ................................................................................. 29
Tabel 7 Målinger tatt fra Nordnestunnel (Målere ble satt opp på høyre side) ............................................ 30
Tabel 8 Målinger tatt fra Nordnestunnel (Dårlig oppmålinger pga. mye arbeid inn i tunnel) .................... 30

Hovedrapport Paban Acharya 6
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

Figure 1 Kartskisse med beligenhet av referense tunnel-prosjekter (Norgeskart).
Hovedrapport Paban Acharya 7
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

Innholdsfortegnelse

Forord ............................................................................................................................................................ 1
Sammendrag ................................................................................................................................................. 2
Abstract ......................................................................................................................................................... 3
Ordliste .......................................................................................................................................................... 4
Figurliste ....................................................................................................................................................... 5
Tabeliste ........................................................................................................................................................ 6
1 Innledning ........................................................................................................................................... 10
1.1 Rapportens Oppbygging ............................................................................................................. 10
1.2 Bruk av metode ........................................................................................................................... 10
1.3 Om Statens Vegvesen ................................................................................................................. 11
1.4 Begrensninger ............................................................................................................................. 11
1.5 Hensikt/Formål ........................................................................................................................... 11
1.6 Problemstilling ............................................................................................................................ 12
1.7 Hypotese ..................................................................................................................................... 13
2 Metode ..................................................................................................................................................... 13
2.1 Hovedpunkter .................................................................................................................................... 13
2.2 Egne forsøk og datainnhenting ......................................................................................................... 13
2.2.1 Fremgangsmåte .......................................................................................................................... 13
2.2.2 Nøyaktighet ................................................................................................................................ 13
3 Teori og Litteraturstudie .......................................................................................................................... 14
3.1 Frostmengdebegrepet ........................................................................................................................ 14
3.2 Frostdimensjonering inne i tunnel..................................................................................................... 15
3.3 Forstinntrengning .............................................................................................................................. 16
3.3.1 Pipeeffekt ................................................................................................................................... 16
3.3.2 Ventilasjon og Stempleeffekten ................................................................................................. 16
3.3.3 Vindretning ................................................................................................................................ 16
3.3.4 Lokalklimatiske forhold ............................................................................................................. 16
Hovedrapport Paban Acharya 8
FROSTINNTRENGNING I TUNNELER I REGION NORD

4 Frostmengdeberegning ............................................................................................................................. 20
5 Resultater ................................................................................................................................................. 24
5.1 Nordnestunnel ................................................................................................................................... 24
5.2 Sørkjosen tunnel ................................................................................................................................ 27
6 Diskusjon ................................................................................................................................................. 30
6.1 Referanseprosjekt .............................................................................................................................. 30
6.2 Begrensninger og påvirkninger ......................................................................................................... 31
7 Forskning, utvikling og Rekommandasjon .............................................................................................. 32
7.1 Felt observasjoner ............................................................................................................................. 32
7.2 Feltmålinger og resultater ................................................................................................................. 33
8 Konklusjon ............................................................................................................................................... 34
9 Referanser ................................................................................................................................................ 36
Litteraturliste ............................................................................................................................................... 37
Vedlegg ....................................................................................................................................................... 38

Hovedrapport Paban Acharya 9