Inventory of geomechanical phenomena related to train-induced vibrations from tunnels

Banverket is expecting that the number of railway tunnels in densely populated areas will increase over the next 20 years due to the lack of available space on the ground surface, but also since the railway is considered an environmentally friendly solution of transportation for the future. The need for good predictions of vibration and noise levels in dwellings along the planned tunnels is therefore evident. Due to lack of understanding of the propagation of train-induced vibrations from tunnels in rock a research project has been initiated by Banverket. This thesis constitutes the first stage of that project. In this thesis, the propagation of vibrations through a rock mass has been reviewed. The emphasis has been on wave propagation in hard rock masses. Areas, such as the generation of vibrations at the train-rail interface, the response of buildings and humans, national and international recommended noise and vibrations levels, and possible countermeasures are briefly reviewed as well. Finally, suggestions for the continued research are presented. The propagation of waves is influenced by attenuation along the propagation path. The attenuation can either be through geometric spreading, energy loss within the material, or reflection and refraction at boundaries. In a rock mass, where heterogeneities of various scales are present, the attenuation of (train-induced) waves through the ground therefore mainly depends on the properties of the discontinuities. Theoretical models of wave propagation across individual fractures have been presented in the literature. These models can be used to study the attenuation at the fracture for different combinations of joint stiffness, impedance, and angle of incidence. Also multiple parallel joints can be theoretically analysed. The attenuation of low-frequency waves is more prominent in weak rock masses and virtually negligible for hard rock masses. An increased amount of random oriented joints, faults and boundaries increases the attenuation of the waves, but is not possible to study with the aid of theoretical models. The rock mass is in most cases inhomogeneous due to all heterogeneities present. Despite this fact, the rock mass and soil is always treated as an isotropic, homogeneous material in the analyses of ground-borne noise and ground-borne vibrations. This concerns both numerical and empirical methods. Thus, there is a lack of a method that considers the influence of various heterogeneities present in a rock mass on the propagation of waves. Future research regarding train-induced vibrations should focus on combining the models of attenuation in the material with the models of attenuation across joints. Thereafter, conceptual models should be used to determine the propagation of low-frequency waves in a rock mass containing various amounts of heterogeneities (from isotropic to highly inhomogeneous) which should be compared to the theoretical methods available. Once the behaviour of waves in an inhomogeneous rock mass has been established, conceptual models should be used together with measurements from a few well documented cases. From the results of the analysis, guidelines for analysis of railway tunnels with regard to ground-borne noise and ground-borne vibrations should be established.Banverket uppskattar att antalet järnvägstunnlar I tätbebyggt område kommer att öka inom de närmaste 20 åren, dels på grund av att tåg är ett miljövänligt transportsätt samt att marken i tätbebyggda områden är begränsad. Det finns därför ett stort behov av tillförlitliga metoder för att bedöma vilka vibrations- samt stomljudsnivåer som kommer att uppstå i bostäderna längs den planerade järnvägen. För att öka förståelsen har Banverket initierat ett forskningsprojekt där denna avhandling utgör den första delen. I denna avhandling har vågors propagering genom bergmassan studerats. Områden som uppkomsten av vibrationerna, hur människor och byggnader påverkas av vibrationer, nationella samt internationella standarder, samt åtgärder för att minska vibrationer har studerats. Slutligen ges förslag på fortsatt forskning.När vågor propagerar genom ett material dämpas vågen. Dämpningen kan bestå av geometrisk dämpning, energiförluster till materialet, eller reflektion och refraktion vid materialgränser. I en bergmassa som innehåller heterogeniteter i varierande skala orsakas dämpningen av vågorna främst av sprickornas egenskaper. Teoretiska modeller av vågors propagering genom en spricka finns rapporterade i litteraturen . Dessa modeller kan användas för att studera en sprickas inverkan på vågor för olika kombinationer av sprickegenskaper, till exempel sprickstyvhet, impedans eller infallsvinkel. Det finns även teoretiska modeller för att studera parallella sprickors inverkan på vågor. Dämpningen av vågor med låg frekvens är dominerande i bergmassor av låg kvalitet men i princip försumbar i hårt friskt berg. Ökad förekomst av sprickor, förkastningar, och materialgränser ökar dämpningen. Det är dock svårt att studera sådana bergmassor på ett bra sätt med analytiska modeller.En bergmassa innehåller en mängd olika typer av heterogeniteter. Trots detta antas oftast bergmassan vara ett isotropt, elastiskt och homogent material vid analyser av stomljud och vibrationer. Detta gäller både numeriska och empiriska modeller. Det finns således ingen metod som beaktar sprickors egenskaper vid analyser av vibrationer i bergmassor. I den fortsatta forskningen bör man studera möjligheten att kombinera metoder som används för att bestämma materialdämpning med metoderna som används för att bestämma dämpningen för sprickor och materialkontakter. Detta skulle möjliggöra utvecklingen av enkla regler för hur bergmassan ska modelleras vid analyser av stomljud. Därtill bör konceptuella modeller användas för att studera vågors propagering genom material med varierande grad av uppsprickning. Dessa enkla modeller bör sedan jämföras med de teoretiska modellerna. De konceptuella modellerna bör sedan kombineras med studier av något eller några väldokumenterade tunnlar. Utifrån analyserna bör det vara möjligt att skapa enkla regler för hur bergmassan ska modelleras då man studerar stomljud.Godkänd; 2008; 20081211 (ysko)