Temperaturflöden i järnvägstunnlar – Glödberget

During the winter ice is causing major problems in several of the Swedish Transport administrations railway tunnels. Freezing water is forming icicles and pillars that can fall down at track, and grow so large that they intrude on the clearance gauge. Lighting equipment and cables can be broken because of the ice load and tracks can become cowered with ice Periodic freezing can cause frost shattering and this process can cause fall-outs of rock and shotcrete. In order to maintain safety and prevent traffic disruption, many tunnels requiring extensive maintenance. In order to reduce maintenance of the tunnels, improved knowledge about frost penetration and the effects of ice pressure on the load-bearing capacity of the tunnel is required. 2002 the University of Gävle and KTH performed a model study to determine the temperature conditions in tunnels. To verify the model study field measurements are carried out in collaboration between the Transport Administration and Luleå University of Technology. This technical report describes the tests conducted so far in the Glödberget tunnel at Nyåker, 80 km south-west of Umeå. Measurements show that the developed models underestimate the frost penetration. Although the tunnel is 1680 meters long, the frost penetrates the entire length of the tunnel even if the temperature outside the tunnel is just a few degrees below zero. A contributing factor to why the field measurements and model do not conform can be that the model study is based on a completely uninsulated tunnel. In the Glödberget tunnel a large part of the walls and roof are covered the frost insulated drains. The function of the frost insulated drains is to prevent the cold tunnel air from reaching a leakage point and causing water to turn into ice. However, the insulation does not only prevent the cold air from reaching the rock, but also prevents the heat from the rock mass from entering the tunnel and warming up the cold tunnel air. Consequently, the frost penetrates further into the tunnel than it would do if the heat from the rock mass were allowed to warm up the outside air on its way into the tunnel. The amount of frost insulated drains and how much of the tunnel walls and roof that are covered are thereby affecting the length of the frost penetration. Temperature measurements has been carried out down into the ballast bed. To eliminate the risks with freezing drainage water, the drainage pipes are located at a depth of 2 m under the level of the rails. Measurements show that the temperature does not penetrate as far down as earlier feared and the depth of the pipes in the middle parts of the tunnel could be made shallower, with respect to risk of frost. Temperature measurements behind a frost insulated drain in the middle of the track tunnel, has shown that drains are able to smooth out the temperature changes that occur in the tunnel air. But when the temperature is negative for a longer period, the temperature behind the drain drops below 0ºC. Then the drainage ability is reduced due to icing and it can cause frost damage to the drain. Measurements of air temperature in the adjacent service tunnel shows how frost penetration is affected by air movement. The service tunnel is closed with gates at both ends. When the air in a tunnel is not exposed to movement, it is heated by geothermal heat and adopt the same temperature as the rock. Rock temperatures usually coincide with the average annual temperature applicable to the area where the tunnel is located. For the Glödberget tunnel there is a very good agreement between the average annual temperature for the area and the measurements performed in the service tunnel.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.Godkänd; 2011; 20110829 (andren)