Ground freezing of weathered rock in the Mölleback zone at the Hallandsås project: Calculations for optimal freezing design

Abstract: Hallandsåsprojektet har en lång historia, efter misslyckade försök att ta sig igenom berget under 1990-talet tog Skanska-Vinci HB över projektet 2004. Nu används en sköldad Tunnelborrmaskin (TBM) vid namn Åsa som kan hantera den varierande geologin i Hallandsås. TBM:en bygger även ett vattentätt betongrör bakom sig. Den nuvarande järnvägen över Hallandsås är enkelspårig, brant och krokig, vilket gör att både lasten och hastigheten är begränsad dessutom kan endast fyra tåg i timmen köra över Hallandsås. När de två tunnlarna genom Hallandås är färdiga för trafik 2015 ökar kapaciteten till 24 tåg i timmen och tågen kan då även köra med full last och hastighet.
Hallandsås är en urbergshorst som bildades för ungefär 70 miljoner år sedan. Rörelserna i berget har skapat dåliga zoner i berget som är kraftigt vittrade och mycket vattenbärande. En av dessa zoner är Möllebackzonen och för att ta sig igenom denna med TBM:en på ett effektivt sätt har det bestämts att måste berget frysas.
Frysning av jord har använts för stabilisering i över 100 år. Det finns två i huvudsak olika metoder. Den äldsta och vanligaste är den indirekta metoden där en saltlösning cirkulerar i frysrör. Den andra metoden är den direkta metoden där flytande kväve används som kylmedel. Vid Hallandsåsprojektet används den indirekta metoden. I den östra tunneln frystes 125 meter men eftersom området innan frysningen nåddes var problemetisk, med mycket vatten och därmed mycket förbehandling från TBM:en har det nu beslutats att försöka frysa 200 meter i den västra tunneln. Frysningen utförs i två steg; Steg 1 är 85 m och Steg 2 är 125 m, överlappet är 10 m. Genom Steg 1 görs en pilottunnel för att kunna borra fryshålen till Steg 2. I detta examensarbete görs beräkningar för att få fram en optimal design och frystid för Steg 2. Både frystiden och tiden det tar att borra hålen till frysrören måste tas i beaktande. Frystiden beräknas i ett FEM-program som heter JOBFEM (Fredriksson, 1984) och borrtiderna beräknas utifrån data från borrentreprenören.
Totalt har 15 olika designer beräknats. Målet är att nå en frys- och borrtid för Steg 2 på under ett år, sex månaders borrning och sex månaders frysning. Pilottunneln kommer att vara 5 meter i diameter och det är på grund av det dåliga berget inte möjligt att göra borrkammaren, där borrarbetet utförs, avsevärt större för att borra fryshålen till Steg 2. Därför måste hålen i Steg 2 borras i en konisk form med olika längder för att hela området ska frysas till radien 7,3 meter vilket är kriteriet för att driva tunneln genom Möllebackzonen. Eftersom 125 meter ska borras måste delar av borrningen utföras med styrd borrning. Berget som omfattas av Steg 2 har två olika porositeter; de första 60 m har en porositet på cirka 15 % och de sista 65 m har en porositet på cirka 3 %.
Analysen i detta arbete visar att tre skärmar (koner) kommer att behövas för att målet med maximalt cirka 6 månaders frysning ska uppnås. Det är viktigt att den andra skärmen på cirka 65 m täcker porositetsförändringen som finns i området för att frystiden ska uppnås. Den designen som ger det snabbaste resultatet (336 dagar) utifrån både frys och borrtid uppnås då 10 st 125 m hål, 12 st 65 m hål samt 10 st 30 m fryshål används. Dessutom bör även ett fryshål användas i mitten av cirkeln så att stabilitet framför borrhuvudet (face-stability) uppnås. Eftersom det kommer att vara ont om plats för observationshål, där temperaturen kontrolleras under frysprocessen, bör detta observationshål borras så att radien 7.3 m följs. Temperaturmätningar görs varje meter för att veta när fryskriterierna är uppnådda. Analysen visar också att det inte ska vara några problem att uppnå stabilitet framför borrhuvudet då ett fryshål i mitten av cirkeln används och därför behövs inget observationshål där.