During the winter season, ice causes major problems in many Swedish railway tunnels. Ice, rock and shotcrete in the roof and on the walls may come loose and fall down, installations and cables can break due to ice loads and the tracks can become covered with ice. To maintain safety and prevent traffic disturbances, many tunnels require frequent maintenance. The removal of ice, loose rock and shotcrete is expensive and potentially risky work for the maintenance workers. To reduce maintenance costs, it is important to improve our knowledge of frost penetration inside tunnels and investigate the effect of ice pressure and frost shattering on loadbearing constructions. The aim of this investigation was to gather information about the problems caused by water leakage and its effect on the degradation of a rock tunnel when subjected to freezing temperatures. There are many factors that determine whether frost or ice formations will appear in tunnels. To collect information on ice formation problems, field observations were undertaken in five of Sweden’s railway tunnels between autumn 2004 and summer 2005. For one of the tunnels, follow-up observations also took place in March during the years 2005, 2006 and 2007.

Vatten i den omgivande bergmassan rinner in i tunneln via naturligt förekommande sprickor och via sprickor orsakade av själva sprängningen av tunneln. Den vanligaste metoden i Sverige för att minska eller förebygga läckageproblem är först och främst injektering. Erfarenheter visar dock att trots omfattande förinjektering och kompletterande efterinjektering, är det svårt att täta bergmassan så att dropp och fukt helt elimineras. Även om vattnet i sig orsakar nedbrytning av tunneln, ökar nedbrytningsprocessen dramatiskt när vattnet utsätts för minusgrader. Vattnet expanderar vid frysning och på grund av vattenvandring, som sker i berg på liknande sätt som i jord, kan isen orsaka frostsprängning i skiktet mellan sprutbetong och berg, men även i själva sprutbetongen och berget. Detta kan skada det bärande huvudsystemet. Själva isbildningen är ett underhållsproblem i sig, eftersom tunnlarna måste hållas fria från istappar, ispelare och islager i spår eller på vägar. En av uppgifterna i forskningsprojektet har varit att ta reda på vilka problem som orsakar mest underhållsarbete och var och när dessa problem uppstår i tunneln.

Vid fältobservationerna utförda inom ramen för detta doktorsarbete observerades många problem med vatten och is, som alla bidrar till ett ökat underhåll. Många isproblem är direkt kopplade till de frostisolerade dränmattorna. Läckage och isbildning uppstår vid dränkanterna, i skarvar mellan mattor och när fästen för kabelräcken, ledstänger eller andra installationer punkterar dränen som sedan inte har blivit ordentligt tätad. I dräner täckta med sprutbetong kan frostsprängning och sprickbildning i sprutbetongen vara ett problem. Frostcykler i tunneln gör att vattnet fryser och tinar om vartannat, vilket möjliggör vattentransport till frysområdet på grund av vattenvandring med frostsprängning av berg och sprutbetong som följd. Förstärkningseffekten och stabiliteten hos sprutbetong i en tunnel är helt beroende av vidhäftningen mot bergytan. Det är därför viktigt att vidta alla tillgängliga åtgärder för att säkerställa god vidhäftning. Dålig vidhäftning i sig är inte något nedbrytningsproblem. Om ett hålrum i skiktet mellan berget och sprutbetongen fylls med vatten som inte kan dränera undan, kan ett istryck byggas upp. Istrycket kan orsaka vidhäftningsbrott i kontakten mellan sprutbetong och berg, samt sprickbildning och nedbrytning av sprutbetongen och berget om trycket överstiger draghållfastheten hos det intilliggande materialet. Vid några av de rapporterade nedfallen av berg och sprutbetong upptäcktes ett islager mellan bergytan och kanterna på det kvarvarande sprutbetongskiktet. Frostsprängning är en trolig orsak till nedfallen. Många frostcykler i kombination med vattenläckage kan orsaka frostsprängning. Utförda fältmätningar har visat att de flesta frostcykler inte sker närmast tunnelmynningarna, utan istället på cirka 100 till 200 m in längs de längre tunnlarna som studerats inom ramen för detta doktorsarbete. Resultaten från utförda laboratorieförsök, visade att vidhäftningshållfastheten mellan berg och sprutbetong minskade betydligt när testpanelerna utsattes för frys-tiningscykler. Dessutom var de registrerade mikroseismiska händelserna (AE – mätning med akustisk emission)fler i de testpaneler som hade tillgång till vatten under frysning. Därför bör vattenläckage i de sektioner som har ett ökat antal frostcykler, få extra uppmärksamhet från underhållspersonal och inspektörer, för att undvika framtida problem med frostsprängning av berg eller sprutbetong.

I de längre tunnlarna som har studerats, bildades ett större antal isformationer i de inre delarna av tunneln, jämfört med området kring mynningarna. Bergmassan avger värme som värmer upp den kalla uteluften som tränger in i tunneln. På grund av värmeöverföringen från bergmassan kan läckage som finns längre in i tunnlarna förblir ofrusna. Ett droppläckage som är närmare tunnelmynningarna i de längre tunnlarna eller droppläckage i de kortare tunnlarna utsätts för högre fryshastighet. Hela bergmassan fryser och läckaget ”fryser torrt”, det vill säga det bildas is i den vattenförande sprickan vilket förhindrar ytterligare vattenläckage.

Var och när isproblem uppstår längs en tunnel beror på många saker. Förutom det uppenbara vattenläckaget är längden på frostinträngning in längs tunneln den främsta orsaken till var och när isproblem uppstår. Den dominerande orsaken till frostinträngning är i de flesta av tunnlarna det termiskt inducerade luftflödet. I de längre tunnlarna är det lutningen på tunneln som påverkar frostinträngningen allra mest. Fältobservationerna visade att det fanns en skillnad i var och när läckageställen uppstår under året och även i fråga om variation i mängden läckagevatten. Det fanns också en variation över olika år. Slutsatserna av fältobservationerna är att det är svårt att uppskatta var de isolerade dränmattorna ska placeras längs en tunnel. Utifrån erfarenheter från denna undersökning bör dränernas placering bestämmas först efter flera inspektioner och särskilt efter en vinterperiod, då de verkliga problemen med isbildning uppstår. Tidigare funderingar kring isproblem har varit att isbildning endast sker vid tunnelmynningarna och i de yttre delarna av tunneln. Ett åtgärdsförslag har därför varit att klä in de första 300 m från vardera mynningen med frostisolerande dräner för att helt försöka eliminera problemen med isbildning. Det är inte en effektiv lösning på problemet. Isoleringen förhindrar inte bara kylan från att nå vattenläckaget, utan den hindrar även bergvärmen att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Därmed kan frosten tränga in längre och problemen med isbildning flyttas bara längre in längs tunneln. Då mängden och placeringen av frostisoleringen påverkar frostinträngningen, måste därför dimensioneringen av isolering utföras i flera iterationer, där varje ny fördelning av isolering längs tunneln beräknas separat.

För de tunnlar som har studerats i detta doktorsarbete har följande framkommit. De mellersta och södra delarna av Sverige har kortare frostperioder och tunnlarna utsätts för många temperaturväxlingar kring 0°C under vintern. Frosten hinner inte tränga in lika långt här, som i tunnlarna i de norra delarna av Sverige. Därför uppstår fler isproblem kring tunnlarnas mynningar i de södra delarna av Sverige, än för tunnlarna i de norra delarna. I de norra delarna av Sverige uppstår problemet med växande isformationer i sektioner nära tunnelmynningarna vanligtvis bara under hösten och våren, men inte under vintern. Fältobservationerna visade att problemen med istillväxt och temperaturväxlingar kring 0°C uppstår längre in i de längre tunnlarna i norra Sverige, eftersom tunnelluftens temperatur är högre på grund av värmetransport från bergmassan. För kortare tunnlar, som antar samma temperaturer som uteluften, kan isformationer uppstå längs hela tunnelns längd i de sektioner som har läckageproblem. Trafikverket regelverk håller på att uppdateras och de observationer och framförallt mätningar utförda i detta doktorsarbete används nu för att utvärdera nya kravställningar kring köldinträngning i tunnlar.

Despite extensive grouting efforts to prevent water from leaking into tunnels, water seepages remain. When exposed to freezing temperatures, ice formations occur. During the winter, the Swedish Transport Administration's railway tunnels are affected by major problems caused by ice, such as icicles from roof and walls, ice loads on installations, ice-covered tracks and roads, etc. To ensure safety and prevent traffic disruptions, many tunnels require extensive maintenance. Improved knowledge about frost penetration in tunnels is required to reduce maintenance of the tunnels. Frost insulated drain mats are often used at leakage spots to prevent ice formation along the tunnels. To find out which parts of a tunnel are exposed to freezing temperatures, the University of Gävle and the Royal Institute of Technology in Stockholm conducted a laboratory model test on behalf of the Swedish National Rail Administration (now the Swedish Transport Administration). The laboratory model test aimed to find a method to determine the expected temperature conditions along a tunnel to decide which parts of the tunnel require frost insulation to protect the drainage system from freezing and prevent ice formation. To evaluate the laboratory model test, the Swedish Transport Administration in collaboration with Luleå University of Technology have performed field surveys in two Swedish railway tunnels. The field measurements involved monitoring temperatures in air, rock surfaces and rock mass, as well as measuring wind direction, wind and air velocity and air pressure. The measurements in the tunnels show that the frost penetrates further into the tunnels than was expected from the laboratory model test, which was based on a completely uninsulated tunnel. Frost insulated drains do not only prevent the cold air from reaching the rock mass, but also prevent the rock from emitting geothermal heat that warms up the cold tunnel air. Consequently, the frost penetrates further into the tunnel than it would do if the heat from the rock mass was allowed to warm up the outside air on its way into the tunnel. The number of frost insulated drains and how much of the tunnel walls and roof are covered thereby affect the length of the frost penetration.

In rock tunnels in regions with colder climates, the load-bearing structure, including the rock and the reinforcing elements, is exposed to repeated destructive freezing and thawing cycles during the winter. If water accumulates in cracks or in the interface between rock and shotcrete, frost shattering may occur. If there is adequate adhesion between the rock and shotcrete, degradation of the shotcrete as a reinforcement element due to frost shattering should not present a problem. However, if adhesion is poor, a small void will form between the rock and the shotcrete where water can accumulate. If the water in these voids is subjected to freeze-thaw cycles, ice will develop, thus exerting pressure on the interface and causing the shotcrete to crack and degrade. In tunnel sections with complex water conditions, for example, relatively water-bearing open joints and weak zones, the adhesion of the shotcrete and its stability and reinforcing effect may be strongly affected when exposed to freezing temperatures. This article describes a laboratory study that comprised freeze-thaw tests on shotcreterock panels with the objective of studying how water migration affects the growth of ice and the ice pressure in the shotcrete-rock interface to better understand the degradation of the reinforcing effect of shotcrete

Even though extensive pre-grouting is carried out during the construction of tunnels, certain leakages and drips remain. These remaining leakages are remedied by a combination of post-injection and drainage measures with, for example, frost insulated drain mats, whose function is to prevent the cold tunnel air from reaching a leakage spot and causing water to freeze. Despite these measures, some water may still enter the tunnels and cause problems during winter with ice formations and frost shattering. Icicles, ice pillars and ice-covered roads and railway tracks require constant maintenance. If ice occurs in the fracture network close to the tunnel contour or in the interface between the rock and shotcrete, it can cause degradation of the load-bearing capacity of the tunnel and fall-outs of both materials. In tunnel sections with water leakage problems it is common to protect the load-bearing structure from freezing with insulated drainage systems. To determine where along the tunnel efforts must be made to prevent ice formation, the temperature conditions of tunnels must be investigated. This article presents parts of the results from field measurements in two Swedish railway tunnels. The measurements involves monitoring of air and rock temperatures, air pressure and air velocity.

Under vinterhalvåret orsakar is stora problem i flera av Trafikverkets järnvägstunnlar. Vatten som fryser bildar istappar och svallis som kan fall ned i spår samt växa till sådan storlek att de inkräktar på det ”fria rummet” som tågen kräver för att passera genom tunneln. Belysningsarmaturer och kablar bryts sönder på grund av islast och spåren blir isbelagda på grund av takdropp och svallisbildning. Återkommande frysperioder medför att berg och sprutbetong i tak och väggar kan lossna och falla ner. För att upprätthålla säkerheten och förhindra trafikstörningar kräver många tunnlar omfattande underhållsinsatser. För att kunna reducera underhållet i tunnlarna, krävs förbättrad kunskap kring köldinträngning och effekterna av istryck på det bärande huvudsystemet. 2002 utförde Högskolan i Gävle och KTH en modellstudie för att bestämma temperatur-förhållanden i tunnlar. För att verifiera modellstudien genomförs nu mätningar i fält och projektet utförs i ett samarbete mellan Trafikverket och Luleå Tekniska Universitet. Denna Tekniska rapport redovisar de mätningar som hittills utförts i Glödbergstunneln vid Nyåker som ligger 8 mil sydväst om Umeå. Mätningarna visar att framtagna modeller underskattar köldinträngningen. Trots att tunneln är 1680 m lång, sker köldinträngning i hela tunnelns längd även vid några få minusgrader utanför tunneln. En bidragande orsak till att fältmätningarna och modellen inte överensstämmer kan vara att modellstudien bygger på en helt oisolerad tunnel. I Glödbergstunneln finns en stor del frostisolerande dräner uppsatta. De frostisolerande dränernas funktion är att förhindra att inläckande vatten fryser till is, men isoleringen förhindrar inte bara kylan att tränga in till läckaget, den hindrar även bergvärmen från att komma ut i tunneln och värma upp den kalla uteluften. Isoleringen möjliggör för kylan att tränga längre in i tunneln än vad den skulle ha gjort i fall bergvärmen gavs möjlighet att värma upp den kalla uteluften på dess väg in längs tunneln. Mängden frostisolerande dräner och hur stor del av tunnels vägg- och takyta som är inklädd, täckningsgraden, påverkar därmed köldinträngningens längd. Mätningar av temperaturer har utförts ned i ballasten. Glödbergstunneln har en undersprängning på 2 m under RUK, med motiveringen att ledningar för exempelvis dräneringsvatten ska vara förlagda på frostfritt djup. Mätningarna visar att temperaturen inte tränger så långt ned som man tidigare befarat och undersprängning i de mittersta delarna av tunneln hade kunnat göras mindre, med avseende på frostrisken. Temperaturmätningarna bakom en frostisolerad drän i mitten av spårtunneln, har visat att dränen klarar av att jämna ut de temperaturväxlingar som sker i tunnelluften utanför dränen. Men då temperaturen är negativ under en längre period kryper även temperaturen bakom dränen under 0 C och då förhindras dräneringsmöjligheten på grund av isbildning och det kan orsaka frostsprängning av dränen. Mätningar av lufttemperatur i den intilliggande servicetunneln visar tydligt hur köldinträngningen påverkas av luftrörelser. Servicetunneln är stängd med portar mot både ute- och tunnelluft. När luften i en tunnel inte utsätts för rörelse, värms den upp av bergvärmen och antar samma temperatur som berget har. Bergtemperaturen brukar oftast sammanfalla men den årsmedeltemperatur som gäller för den plats där tunneln är belägen. För Glödbergstunneln stämmer detta mycket bra överens med de utförda mätningarna i servicetunneln. Sökord: köldinträngning, istryck, frostsprängning, temperaturmätning, underhåll, järnvägstunnel.

Nedbrytning av berg och sprutbetong på grund av istryck och frostsprängningPå senare år har Banverket märkt en ökning av inrapporterade nedfall av berg och sprutbetong i sina järnvägstunnlar. I och med detta så startades en rad forskningsprojekt kring problemen med vattenläckage och isbildning i tunnlar. Detta projekt "Nedbrytning av berg och sprutbetong på grund av istryck och frostsprängning" är ett av dessa. Syftet med detta licentiatprojekt var att samla erfarenhet och information om hur is bildas samt hur istryck påverkar krosszoner, sprickor och framför allt skiktet mellan berg och sprutbetong. Vidare testas hypotesen från litteraturstudien och resultaten från laborationsförsök redovisas.När vatten fryser till is sker en 9 % volymsutvidgning och denna expansion kan orsaka att ett tryck uppstår mot det omgivande materialet. Det omgivande materialet kommer att utsättas för brott om trycket från isen överstiger materialets draghållfasthet eller vidhäftningshållfasthet i skiktet mellan berg och sprutbetong. Storleken på skadan är bland annat beroende av materialets vattenmättnad. Ett delvis vattenmättat material kan klara sig från brott, trots att dess draghållfasthet är låg, genom att expansionen av isen och omfördelning av porvatten kan ske i de porer som från början var fyllda med luft. Ett helt vattenmättat material ger istället efter för frostsprängningen oberoende av sin draghållfasthet, på grund av att materialet inte har något fritt utrymme som kan ta upp expansionen.Det är inte bara isens volymsutvidgningen som orsakar frostsprängning. Forskning visar att om berg har tillgång till fritt vatten under nedkylningen sker en process som liknar den i jord, där vatten vandrar fram mot frysfronten och bildar islinser. På ett liknande sätt vandrar vatten i berg och orsakar tillväxt av isskikt i exempelvis en por eller spricka, vilket kan orsaka att istrycket ökar. Vattenvandringen sker på grund av att det finns en tunn vattenfilm av adsorberat vatten längs mineralkornens ytor och i denna vattenfilm finns möjlighet för vatten att vandra mot frysfronten. Experimentellt arbete har visat att en betydande del av det adsorberade vattnet förblir ofruset vid negativa temperaturer, inte bara i jord utan även i berg och detta möjliggör vattenvandringen.Vattenvandring och istillväxt är inte bara beroende av tillgången till vatten och frystemperatur, utan även av fryshastighet och varaktighet av köldgrader. Om berg och sprutbetong utsätts för snabb nedkylning minskar vattenfilmens tjocklek och vattenvandringen förhindras, vilket begränsar frostsprängningen av materialet. Om istället berget kyls ned långsamt, tillåts vattenvandringen att ske under en längre period, vilket kan resultera i större frostsprängning. I de utförda fältundersökningarna visade det sig att varaktigheten och förändring av frysperioderna var av stor vikt för tillväxten av isformationer. Om frysperioden hade lång varaktighet frös vissa av sprickorna och läckagepunkterna. Om läckagen istället utsattes för kortare perioder av frysning och tining frös aldrig sprickorna och vatten fortsatte att läcka med växande isformationer som följd. För kalla områden, som i de norra delarna av Sverige, uppstår dessa problem även långt in i tunnlarna. Problemen uppstår på grund av att läckagevatten transporterar fram värme från bergmassan till den kalla tunnelytan. Värmen från läckagevattnet håller bergmassan kring spricköppningen ofrusen trots att tunnelluften är kall. Därför fortsätter sprickan att föra fram vatten med konsekvensen att det bildas is när vattnet väl kommer ut i den kalla tunnelluften. En annan erfarenhet från fältundersökningarna var att utfallen av berg och sprutbetong ofta förekom i sektioner som hade problem med vattenläckage.Resultaten från laborationsförsöken utförda i det här licentiatprojektet visar också att vatten i kombination med negativa temperaturer kan orsaka nedbrytningsproblem. De utförda dragtesterna visade att vidhäftnings-hållfastheten minskar med ungefär 50 % när sprutbetong/bergproverna hade utsatts för frysning. Vidare visade mätningarna av akustisk emission (AE) att fler AE-händelser skedde när sprutbetong/bergproverna hade tillgång till vatten under frysningen. Litteraturstudien, fältundersökningarna i järnvägstunnlarna och laborationsförsöken pekar på att tillgången på vatten under frysning kan orsaka skador på skiktet mellan berg och sprutbetong. Detta bekräftar hypotesen att utfall av berg och sprutbetong kan uppstå på grund av att istryck i en spricka eller i skiktet mellan berg och sprutbetong överskrider draghållfastheten för materialet eller vidhäftningshållfastheten mellan berg och sprutbetong. En sak som laborationsförsöken inte kunde ge ett bra svar på var ifall utfallen kunde ske på grund av spridning av en liten yta som redan från början hade dålig vidhäftning runt en spricköppning. Men försöken visade att det förekom mycket aktivitet under frysningen i de områden som preparerats med dålig vidhäftning. Så det verkar som att små områden med dålig vidhäftning kan påverkar försämringen av vidhäftningen mellan berg och sprutbetong.