Transcript
Rogfast Rogfast - Geologisk samlerapport R 25. juni 2010 Prosjekt Prosjekt: Rogfast Dokumentnr.: R Dokumenttittel: Rogfast - Geologisk samlerapport Dato: 25. juni 2010 Oppdragsgiver Oppdragsgiver: Statens vegvesen Region vest Oppdragsgivers kontaktperson: Ingar Hals Kontraktreferanse: Kontrakt av mars 2008 For NGI Prosjektleder: Utarbeidet av: Kontrollert av: Eystein Grimstad Eystein Grimstad Arnstein Aarset Sammendrag Rogfasttunnelen vil bli ca. 25 km lang med tillegg av en ca. 2 km lang arm opp til Kvitsøy. Største tunneldyp blir ca. 380 m under sjønivå. Denne rapporten er en ingeniørgeologisk samlerapport, basert på tekniske rapporter og masteroppgaver i flere ulike fagdisipliner som geologi, refraksjonsseismikk, akustikk, magnetometri og ingeniørgeologi. Disse rapportene er skrevet i perioden 2002 til I tillegg er det tatt inn erfaringer fra utførte tunnelanlegg i regionen omkring Rogfastprosjektet. Disse erfaringene har vært et viktig redskap for å kalibrere tolkningen av dataene fra de indirekte metodene for evaluering av begmassekvalitet og sikringsbehov, som refraksjonsseismikk og magnetometri. Rogfasttunnelen går gjennom et område med komplisert geologi i form av flere skyvedekker og forkastninger, hvor mange bergartstyper er representert. Det er definert fire skyvedekker over grunnfjellet, som hovedsakelig består av granittiske til diorittiske gneiser. Sammendrag (forts.) Dokumentnr.: R Side: 4 Tunnelen ventes å gå gjennom fyllitt og glimmerskifer de første ca. 6,3 kilometer fra Randaberg, inntil den treffer en antatt forkastning i dette området. Dersom fylitten/glimmerskiferen er tynn, kan tunnelen komme ned i grunnfjellet før den når forkastningen. Avhengig av spranghøyden i forkastningen, ventes tunnelen deretter å gå inn i Karmøyofiolitten med gabbroide gneiser, gangbergarter, vulkanske bergarter og sedimenter, samt ultramafiske bergarter (mørke og kvartsfrie). Hvis spranghøyden er større, kan tunnelen komme inn i Storheiadekket med granittiske og diorittiske gneiser, som ligger under Karmøyofiolitten, eller helt ned til fyllitten. Det er antatt å være flere forkastninger mellom Alstein og Kvitsøy, som kan gi variasjoner mellom de nevnte bergartstypene i tunnelen. På kvitsøy og på småøyene øst og sør for Kvitsøy opptrer det i tillegg til de nevnte bergartene i Karmøyofiolitten også grønnstein og klorittskifer. Bergartsfordelingen mellom Kvitsøy og Bokn er svært usikker, men antas å gå gjennom en stor forkastning nær profil 15000, en snau kilometer nord for Kvitsøy, og deretter gå inn i tynne lag av de nevnte dekker og etter hvert inn i grunnfjellsgneiser. Folding eller undulering av dekkene kan føre til at tunnelen går inn og ut av dekkene flere ganger. Nær Arsvågen på Bokn vil tunnelen gå i fyllitt fram til påhugget. I følge sprekkemålinger, utført av flere, står både et fremherskende sprekkesett og foliasjonen i retning nordnordøst-sørsørvest både ved Randaberg og på Kvitsøy. Foliasjonen har lav fallvinkel mot vest på Randaberg og varierer mye på grunn av folding på Kvitsøy. Ved Arsvågen står både hovedsprekkene og foliasjonen omtrent nord-sør med varierende fall mot øst. Mange steder opptrer det et sett med tverrsprekker. Tunnelen vil krysse under mange djuprenner med lave seismiske hastigheter. Basert på målinger i regionen, antas det å være moderate til høye horisontale spenninger i bergrunnen langs Rogfasttunnelen. Refraksjonsseismiske målinger i nær alle djuprenner langs tunneltraseen viser hastigheter fra 2200 m/s til 6300 m/s, med 8 % av lengden mindre enn 4000 m/s, og 84,5 % over 4500 m/s. Disse tallene er konvertert til bergmassekvalitet etter Q- systemet, kalibrert mot erfaringer fra tunneler i nærheten, som grunnlag for sikringsestimat. Basert på alle seismiske profilene forventes nær 50 % av tunnellengden å ha Q-verdier over 4, dvs. middels til god bergmasekvalitet, mens 25 % ligger i intervallet Q = 1-4. Dette antas å være en konservativ prognose da de seismiske hastighetene er målt i djuprennene, som normalt har lavere hastighet enn gjennomsnitt for hele tunneltraseen. Tunnelene i Finnfast og Rennfastprosjektene har omtrent samme variasjonsområde for Q-verdier, men har mindre prosentandel med Q-verdi mindre enn 1. Sikringsestimatet er justert opp i henhold til Statens vegvesens nye Håndbok 21, som gir langt mer sikring enn de empiriske sikringsmengdene i Q-systemet. Fordelt på ulike energiabsorpsjonsklasser er det estimert ca. 3 m 3 fiberarmert sprøytebetong, 6,2 sikringsbolter og 2,9 forbolter per meter tunnel basert på en enkelt tunnel med tverrsnitt T9. Et tunnelløp nummer to forventes å få samme sikringsmengde. Det er utført en studie av potensialet for vannlekkasjer i tunnelen, basert på erfaringer fra tunneler i samme området. Det er erfart lite lekkasjer i fyllitt og glimmergneis, mens det er moderate lekkasjer i de andre bergartene, avhengig av Sammendrag (forts.) Dokumentnr.: R Side: 5 spenninger og sprekkeretninger. Ut fra de samme studiene er det estimert lite injeksjonsbehov over 66 % av tunnellengden og lite til moderat injeksjonsbehov over ytterligere 27 % av tunnellengden. Over bare 7 % av tunnellengden antas det å være stort til meget stort injeksjonsbehov. I en studie basert på noen få laboratorietester og estimert bergartsfordeling, er det laget en prognose for borbarhet, borslitasje, kutterlevetid og sprengbarhet langs tunneltraseen. Borbarheten er størst for fyllitt og minst for gabbro og gneis. Borslitasjen er størst for gabbro og gneis, mens den er minst for grønnstein og fyllitt. Det skal utføres kompletterende seismiske undersøkelser langs mesteparten av tunneltraseen sommeren I tillegg er det planlagt å utføre kjerneboringer med et vertikalt hull på Alstein, et nesten 1 km langt hull med avviksboring mot nord, fra Kvitsøy (Leiaskjær), og et ca. 600 m langt hull med avviksboring fra Kråkøy, øst for Kvitsøy. Det er videre planlagt å utføre seismisk tomografi mellom de to sistnevnte kjerneborhhullene og sjøbunnen. Kjerneboringene vil kunne gi mer presis informasjon om svakhetssonene og gi grunnlag for bedre tolkning av seismikken. Innhold 1 Innledning 7 2 Bakgrunnsmateriale - Utførte undersøkelser Refleksjonsseismiske undersøkelser utført av NGU i Akustikk og refraksjonsseismikk utført av Geomap i henholdsvis 2000 og Evalueringsrapport fra Vegdirektoratet Prosjektoppgave 2002 og hovedoppgave 2003, Arild Gjerde, NTNU Flymagnetometriske undersøkelser kombinert med innsamling av geologiske data i terrenget utført av NGU i Akustikk og refraksjonsseismiske undersøkelser 2006, Geomap Prosjektoppgave 2006 og masteroppgave 2007, Linda Nesje, NTNU Prosjektoppgave og masteroppgave 2008, Stefan Geir Árnason, NTNU 12 3 Regional berggrunnsgeologi 3.1 Ny geologisk kartlegging i Antatt bergartsfordeling langs tunneltraseen 3.3 Bruddstrukturer 4 Geofysiske registreringer Hovedtrekk av resultater fra geofysiske registreringer Flymagnetiske målinger Målinger av løsmassetykkelse (akustikk) Refraksjonsseismiske målinger i berggrunnen Korrelasjoner mellom geofysikk-resultater og dokumenterte forhold i nærliggende tunneler 32 5 Tunneltrasé inkludert arm til Kvitsøy 5.1 Påhuggene 5.2 Hovedtunnelen fra Randaberg til Arsvågen 5.3 Arm til Kvitsøy 6 Spenningsmålinger 7 Vannlekkasjer 8 Estimert bergmassekvalitet Bergmassekvalitet basert på kartlegging utført av A.Gjerde og S.Árnason Bergmassekvalitet basert på refraksjonsseismikk i mindre utvalgte områder omkring djupålene Basert på erfaringer fra tunnelprosjekter i nærliggende områder 46 9 Sikringsestimat 10 Injeksjon mot vannlekkasjer 11 Borbarhet og sprengbarhet 12 Videre undersøkelser Vedlegg A Kart og profiler Dokumentnr.: R Side: 6 Side: 7 1 Innledning I forbindelse med planarbeidet for undersjøisk tunnel mellom Stavanger og Bokna ble det opprettet en Ekspertgruppe Geologi i Ekspertgruppa består av følgende personer: Bjørn Martin Alsaker St.v.v, Eystein Grimstad, NGI, Ingar Hals, St.v.v., Bjorn Nilsen, NTNU, Knut Borge Pedersen, St.v.v., Jan Steinar Rønning, NGU, Rune Stumo, St.v.v.. Bjørn Martin Alsaker og Ingar Hals representerer oppdragsgiveren i denne gruppen. Ole Chr Pedersen fra GeoMap var med på en del av møtene. Gruppens mandat var å bistå med geofaglige innspill i et forprosjekt. Innspillene gikk på hvilke typer forundersøkelser som skulle gjøres, og på tolkninger og vurderinger av disse. På bakgrunn av det arbeidet som er utført både før og etter opprettelsen av denne ekspertgruppen er det bestemt å lage en ingeniørgeologisk samlerapport. Figur 1. Oversiktskart for Rogfast, undersjøisk tunnel mellom Stavanger og Bokn med arm til Kvitsøy.Under er innlagt lengdeprofil etter St.v.v På bakgrunn av tidligere utførte undersøkelser for Rogfastprosjektet har NGI ved Eystein Grimstad påtatt seg å sette sammen de tilgjengelige geologiske og geofysiske data i en samlet geologisk oversiktsrapport. Vurdering av stabilitet og sikringsmengder bygger dels på egne tolkninger og vurderinger, basert på det Side: 8 tilgjengelige bakgrunnsmaterialet. Samlerapporten skal forsøke å gi en oversikt over de estimerte geologiske og stabilitetsmessige forholdene i en ca. 25 km lang undersjøisk tunnel under Boknafjorden mellom Mekjarvika på Randaberg, via Kvitsøy til Arsvågen i Vestre Bokn. Se figur 1 og kart og profil i vedlegg A. De tidligere arbeidene omfatter bl.a. akustiske undersøkelser utført av NGU i 1988, seismiske og akustiske undersøkelser utført av Geomap for Statens vegvesen i og i 2007, prosjektarbeid og hovedoppgave utført av daværende student Arild Gjerde ved NTNU (2002 og 2003), prosjektoppgave og masteroppgave utført av daværende student Linda Nesje ved NTNU (2006 og 2007), prosjektoppgave og masteroppgave utført av Stefan Arnason (2008) og rapport fra NGU (2006) i forbindelse med flymagnetometriske undersøkelser med påfølgende markarbeid. NGUs rapport gir en retolkning av de geologiske forholdene rundt Boknafjorden i forhold til tidligere tolkninger, som bl.a. kommer til uttrykk i Kartblad Haugesund 1: Utenom arbeidene til Arild Gjerde og Stefan Arnason er det ikke utført noen form for ingeniørgeologisk kartlegging med vekt på bergmassekvalitet og stabilitetsforhold i en planlagt tunnel i det aktuelle området. Det må derfor gjøres en del antagelser og tolkninger av relaterte opplysninger for å estimere bergmassekvalitet og stabilitetsforhold langs den planlagte tunneltraseen. Erfaringstall fra avløpsambandet IVAR på Randaberg, som ligger i samme område som Rogfasttunnelen, Rennfast-tunnelene, Karmøy- Kårstø-gassrør-tunnelene og Finnfastsambandet har vært viktige for evaluering av Rogfastprosjektet. 2 Bakgrunnsmateriale - Utførte undersøkelser Rapporter og undersøkelser i forbindelse med Rogfast- prosjektet. Dato Tittel Nummer Laget av Refleksjonsseismiske undersøkelser i Karmsundet, Boknafjorden og Kvitsøyfjorden, Rogaland Rapport nr NGU E 39 Rogfast Foreløpige vurderinger av grunnforholdene Analyse av ingeniørgeologiske forhold for Rogfast-tunnelen Rapport nr. L- 231 A Reidulv Bøe og Heidi A. Olsen, Knut Borge Pedersen, Vegdirektoratet Arild Gjerde, Prosjektoppgave NTNU Rogfast-tunnelen, ingeniørgeologisk analyse av trase/linjeføring og tverrsnittsutforming. Del 1 og Del 2 Arild Gjerde, Hovedoppgave NTNU Side: 9 Rapporter og undersøkelser i forbindelse med Rogfast- prosjektet. Dato Tittel Nummer Laget av Rogfast. Vegtunnel mellom Tungenes GeoMap A/S på Randaberg og Arsvågen på Bokn. Samlerapport for Målinger utført i 2000 og Akustisk profilering og refraksjonsseismikk Notat: Bergmassefordeling Rogfast. Knut Borge Pedersen Geological and geophysical investigations for the Rogfast project (Engelsk) Rapport Jan Steinar Rønning et al., NGU ROGFAST-TUNNELEN Analyse av korrelasjoner mellom geofysikkresultater og påtrefte forhold i nærliggande tunneler E39 ROGFAST Vegtunnel mellom Tungenes på Randaberg og Arsvågen på Bokn ROGFAST-TUNNELEN Analyse av nøyaktigheita av geofysikk for kartlegging av svakheitssoner Rogfasttunnelen. Analyse av bergmassens borbarhet og sprengbarhet Prognose for tettingsinjeksjon i Rogfast undersjøiske tunneler Oversikt over utførte undersøkelser. Linda Nesje Prosjektoppgave NTNU GeoMap A/S Perm med rapport og masteroppgave Linda Nesje Masteroppgave NTNU Stefan Árnason Prosjektoppgave NTNU Stefan Árnason Masteroppgave NTNU 2.1 Refleksjonsseismiske undersøkelser utført av NGU i De første akustiske undersøkelsene av sjøbunnen i Boknafjorden ble utført av NGU på oppdrag fra Statens Vegvesen i Rogaland. Undersøkelsene ble utført i mai 1988, da det ble skutt til sammen ca. 185 km med refleksjonsseismikk. Resultatene er presentert på batymetrisk kart med ekvidistanse på 50 meter. Det undersøkte området strekker seg i grove trekk mellom Karmøy, Kvitsøy, Rennesøy og Bokn. I tillegg er Karmsundet undersøkt helt nord til Vormedal i Karmøy kommune. Undersøkelsene viste at det er store dyp ned til ca. 600 m mellom Bokn og Rennesøy, som gjør en tunnelforbindelse der lite realistisk. Rapporten fra undersøkelsene konkluderer derfor med at det gunstigste området for en fjordkryssing med tunnel under Boknafjorden ligger relativt langt mot vest, i en Side: 10 bue fra Bokn mot Kvitsøy. Området mellom Kvitsøy og Randaberg ble ikke undersøkt i Akustikk og refraksjonsseismikk utført av Geomap i henholdsvis 2000 og Det er utført refleksjons- og refraksjonsseismiske undersøkelser i tre omganger, første gang i juli 2000, deretter i april og mai 2002, og til slutt høsten Resultatene fra de to første undersøkelsene er gjengitt i en fellesrapport datert NGUs undersøkelse fra 1988 ble utført langs den planlagte traésen slik den var i 1988, mens seismikken utført av Geomap er konsentrert langs nåværende trasé og delvis litt til siden for denne. I grove trekk er linjevalget gitt ut fra de topografiske forholdene i fjorden, slik at tunnelen nå planlegges langs fjordterskelen, hvor tunnelen går under de grunneste partiene i Boknafjorden. Undersøkelsene er utført i størst detalj mellom Kvitsøy og Bokn. Det er her undersøkt i en ganske bred korridor. Det er også undersøkt mellom Kvitsøy og Tungenes i Randaberg. Spesielt ved Tungenes ble det utført grundige undersøkelser. I tillegg til kontinuerlig akustisk profilering ble det utført til sammen 8 refraksjonsseismiske profiler. Resultatene bekrefter i grove trekk resultatene fra de tidligere undersøkelsene til NGU som viser at det best egnede stedet for en fjordkryssing er i fjordterskelen fra Bokn mot Kvitsøy og videre til Tungenes i Randaberg. 2.3 Evalueringsrapport fra Vegdirektoratet Rapporten datert er skrevet i en fase av prosjektet hvor det var behov for å avklare om prosjektet var gjennomførbart. Vurderingene bygger på NGUs rapport fra 1988, seismikken utført av Geomap i 2000 og i 2002 og en befaring på Tungenes, Kvitsøy og Bokn. Rapporten konkluderer med at ut fra det foreliggende materialet synes prosjektet å være teknisk gjennomførbart. 2.4 Prosjektoppgave 2002 og hovedoppgave 2003, Arild Gjerde, NTNU. Prosjektoppgaven er gjennomført ved NTNU med Professor Bjørn Nilsen som veileder og Rune Stumo som medveileder. I sin prosjektoppgave beskriver Arild Gjerde de geologiske hovedtrekkene, samt de viktigste sprekkeretningene. Foliasjonssprekkene er det dominerende sprekkesettet. Gjerde har utført de eneste ingeniørgeologiske registreringene med karakterisering av sprekkene og observasjon av bergmassekvalitet som er gjort i Rogfastprosjektet. Han har utført strøk og fall målinger på hver av de tre hovedlokalitetene. Gjerde refererer også til erfaringer fra tidligere tunnelprosjekter i områdene nær Rogfastprosjektet, samt til de refraksjonsseismiske undersøkelsene som var utført til da. I hovedoppgaven beskriver Arild Gjerde områdets geologi. Han har laget et grovt ingeniørgeologisk oversiktskart med innlagte bergartsgrenser og skyvegrenser, basert på tidligere kartblad Haugesund 1: Kartet inneholder også sprekkeroser gruppert på foliasjon og andre sprekker fra målinger tatt på Side: 11 henholdsvis Randaberg, Kvitsøy og Bokn. Gjerde har også på bakgrunn av laboratorietester beskrevet trykkfasthet, E-modul og poisons tall, samt borbarhet og borslitasjeindeks. Borslitasjeindeksen sies å være meget lav i grønnstein fra Kvitsøy, lav i fyllitt og middels i gneis fra Bokn. Videre beskriver Gjerde spenningsforholdene med referanse i utførte spenningsmålinger ved Kårstø og ved Tastevarden. Begge steder ligger i fyllitt. Begge stedene ble det påvist høye horisontalspenninger, hovedsakelig i retning N-S. Spenningsmålingene, sammen med laboratorietester ble brukt til numeriske simuleringer av bergmassen omkring planlagt tunnel. 2.5 Flymagnetometriske undersøkelser kombinert med innsamling av geologiske data i terrenget utført av NGU i NGU har tolket flymagnetometriske målinger over Boknafjorden med tilliggende områder utført av SGU (Sveriges Geologiske undersøkelse). Oppdraget ble definert som et forskningsprosjekt som skulle gi ny informasjon om den kompliserte berggrunnsgeologien i Boknafjordområdet. I tillegg er det utarbeidet et detaljert batymetrisk kart over sjøbunnen. Alle resultatene fra arbeidet er samlet i rapporten Geological and geophysical investigations for the Rogfast project datert 15. november 2006 (Rapporten er på engelsk). Undersøkelsene er gjennomført i 2006 og består av både flymålinger utført av SGU og feltarbeid utført av NGU. I feltarbeidet omfattet kartlegging av geologiske strukturer og bergartstyper med prøvetaking for kalibrering av de flymagnetometriske målingene. Magnetometrimålingene gjort fra fly er brukt som grunnlag for å indikere svakhetssoner i berggrunnen som kan være dypforvitret. På et stort antall lokaliteter er det samlet inn strukturgeologiske data og tatt bergartsprøver for måling av magnetisme i hver bergart, som er sammenlignet med magnetometridata fra flymålingene. 2.6 Akustikk og refraksjonsseismiske undersøkelser 2006, Geomap. Høsten 2006 ble det utført kontinuerlig akustisk profilering (ekkolodd og boomer/sparker) for bunn- og løsmassekartlegging med 50 og 100 m linjeavstand langs hele tunneltraseen. Det ble i tillegg målt 21 utvalgte refraksjonsseismiske profiler i sjøen og 9 profiler på land. Resultatene er presentert i GeoMap rapport nr av 12. januar 2007 med bunnkotekart og kurslinjekart som viser beliggenhet av alle seismiske profiler, samt tolkning av akustisk profilering. Det er god overensstemmelse mellom refraksjonsseismiske og akustiske data, og dermed entydig tolkning av overgangen mellom løsmasser og berg. De nye profilene kommer som et tillegg til profilene fra 2000 og Den justerte korridoren mellom Tungenes og Kvitsøy ligger litt lengre nord enn tidligere. 2.7 Prosjektoppgave 2006 og masteroppgave 2007, Linda Nesje, NTNU. Prosjektoppgaven til Linda Nesje har tittelen ROGFAST-TUNNELEN Analyse av korrelasjoner mellom geofysikk-resultater og påtrefte forhold i nærliggande tunneler og er datert Prosjektoppgaven er gjennomført ved NTNU Side: 12 med Professor Bjørn Nilsen som veileder. Målet med arbeidet var å påvise mulige korrelasjoner mellom magnetometri-anomalier, lineamenter og refraksjonsseismiske lavhastighetssoner. Det er i tillegg sett på korrelasjoner mellom magnetometri-anomalier (MAG), lineamenter (LIN) og påtrufne svakhets- og knusningssoner i nærliggende tunneler. Masteroppgaven til Linda Nesje har tittelen ROGFAST-TUNNELEN - Analyse av geofysikk for kartlegging av svakhetssoner og er datert 29. juni Masteroppgaven er gjennomført ved NTNU med Professor Bjørn Nilsen som veileder. Oppgaven gikk ut på å analysere nøyaktigheten av geofysiske undersøkelser for kartlegging av svakhetssoner langs den planlagte 25 km lange undersjøiske Rogfasttunnelen. Sammenligning av geofysiske data mot påviste forhold i nærliggende tunneler har vært basis for evalueringen av geofysikkens nøyaktighet. Masteroppgaven har vært en videreføring av prosjektoppgaven. Resultatene av Linda Nesjes arbeid er gjengitt i kapittel Prosjektoppgave og masteroppgave 2008, Stefan Geir Árnason, NTNU Prosjektoppgaven til Stefan G. Árnason har tittelen Rogfasttunnelen Analyse av
