Tunnelbyggande vid partiell bergtäckning: En fallstudie av Nacka Centrums tunnelbanestation
2023 (Swedish)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Tunneling in partial rock coverings : A case study of Nacka Centrum metro station (English)
Abstract [sv]
I samband med urbanisering av städer ökar omfattningen av byggda delar och antalet pågående byggnadsprojekt. Den ökade bebyggelsen i kombination med samhällets intresse leder till att projekt utförs med minskad möjlighet att välja lämplig plats. För tunnelbyggande innebär det att man allt oftare konfronteras av ogynnsamma förhållanden som kräver speciella förstärkningsmetoder för att hantera de utmaningar som uppstår. Ett sådant fall är den nya tunnelbanestationen Nacka Centrum i Stockholm där tunneln har byggts med partiell bergtäckning förstärkt med jetpelare och spiling. Efter en första anblick av projektet verkar mängden förstärkning tyda på en konservativ design, vilket är vanligt för tunnelbyggande under liknande förhållanden. Av den anledningen har utförande och design av stationen undersökts i detta examensarbete på uppdrag av Sweco Sverige AB, med syftet att utvärdera jetinjekteringens bärande förmåga i tunneln för att avgöra om tunneldrivning hade kunnat utföras utan spiling.Metoderna som tillämpats i arbetet omfattar numeriska beräkningar, probabilistiska analyser och en kvalitativ fältstudie. Genom analyser med FEM-programmet PLAXIS simulerades olika förstärkningsdesigner för att utvärdera den strukturella kapaciteten för tunneln. De probabilistiska analyserna beaktade variationer i jetinjekteringens materialegenskaper för att bedöma konstruktionens brottsannolikhet. Kvaliteten på utförandet av jetpelarna utvärderades genom platsbesök i den kvalitativa fältstudien.Resultaten från analyserna visade att tunnelkonstruktionen teoretiskt hade tillräcklig strukturell kapacitet för att kunna drivas utan spiling. Jetinjekteringens materialegenskaper och utformning möjliggjorde valvverkan, den globala säkerhetsfaktorn för tunneln var god och brottsannolikheten var inom acceptabla gränser för temporära konstruktioner. Men analyserna identifierade även några utmaningar, såsom förekomsten av löskärna vid tunnelhjässans mitt, vilket kan medföra risker för utfall och personskador efter sprängning. Dessutom har utförandet av jetpelarna stött på utmaningar gällande att uppnå önskad pelardiameter och baserat på kärnprover i den jetinjekterade volymen så finns det obehandlade partier i området.Sammanfattningsvis kan det konstateras att förstärkning med jetpelare i allmänhet kan vara tillräcklig för att säkerställa tunnelns stabilitet vid partiell bergtäckning. Dock finns det många osäkerheter vad gäller jetinjekteringens materialegenskaper och löskärnans potentiella risker för det analyserade fallet vid station Nacka Centrum. Således krävs spiling som extra säkerhetsåtgärd i den nuvarande designen, men genom att modifiera tunnelkonturen hade tunneldrivning sannolikt kunnat genomföras utan spiling.
Abstract [en]
With the urbanization of cities, the extent of the built-up areas and the number of ongoing construction projects are increasing. This growth, combined with societal interest, leads to projects being carried out with limited opportunities to select suitable construction sites. For tunnel works, this results in an increasing number of unfavorable conditions that require special reinforcement methods to cope with the challenges that arise. One such case is the new metro station, Nacka Centrum, in Stockholm, where the tunnel has been built with a partial rock cover reinforced with jet columns and spiling. At first glance of the project, the amount of reinforcement seems to indicate a conservative design, which is common for tunnel construction under similar circumstances. For this reason, the execution and design of the station have been investigated in this thesis on behalf of Sweco Sverige AB, with the aim to evaluate the load-bearing capacity of the jet grouting in the tunnel to determine if tunneling could have been performed without spiling.The methods applied in the work include numerical calculations, probabilistic analyses, and a qualitative field study. Through analyses with the FEM program PLAXIS, different reinforcement designs were simulated to evaluate the structural capacity of the tunnel. The probabilistic analyses considered variations in the material properties of the jet grouting to assess the failure probabilities of the structure. The quality of execution of the jet columns was evaluated through site visits in the qualitative field study.The results of the analyses revealed that the tunnel theoretically had sufficient structural capacity to be excavated without spiling. The material properties and design of the jet grouting enabled arching, the global safety factor of the tunnel was good and the failure probability was within acceptable limits for temporary structures. However, the analyses also identified some challenges, such as the presence of a loose core at the center of the tunnel roof, which could pose a risk of fallout and injury after blasting. Furthermore, the execution of the jet columns has encountered challenges in achieving the desired column diameter, and based on core samples in the jet-injected volume, there are untreated spots in the volume.To conclude, it can be stated that reinforcement with jet columns can generally be sufficient to ensure the stability of a tunnel in the case of partial rock cover. However, there are many uncertainties regarding the material properties of the jet grouting and the potential risks of the loose core for the analyzed case at Nacka Centrum station. Thus, spiling is required as an additional safety measure in the current design, but by modifying the tunnel contour, tunneling could probably have been performed without spiling.
Place, publisher, year, edition, pages
2023.
Series
TRITA-ABE-MBT ; 23520
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-335391OAI: oai:DiVA.org:kth-335391DiVA, id: diva2:1794682
External cooperation
Sweco Sverige AB
Supervisors
Examiners
2023-09-062023-09-062023-09-07