Til hovedinnhold

SINTEF utvikler nye metoder for slitasjetesting av bergarter

Under tunnelboomen på 1970-tallet utviklet SINTEF og NTNU flere metoder for bergartstesting. Testene ga grunnlag for å beregne tid og kostnader ved tunneldriving med tunnelboremaskiner. Nå er TBM-teknologien tilbake for fullt i norske tunnelprosjekter, og SINTEF er med.

). Her ser vi TBM-kutterhodet etter gjennomslag ved prosjektet Ceneri Base Tunnel i Sveits.
Prognosering av TBM-ytelse, kutterslitasje og fremdriftsevne inngår i berglaboratoriets suite av borbarhetstester (DRITM, BWITM og CLITM). Her ser vi TBM-kutterhodet etter gjennomslag ved prosjektet Ceneri Base Tunnel i Sveits. Den samme maskinen ble senere benyttet ved Statkrafts prosjekt i Røssåga. Foto: Courtesy of the Robbins Company

Norge var i perioden 1970 til midt på 1990-tallet helt i front internasjonalt innen tunneldriving med tunnelboremaskiner (TBM) i harde og slitende bergarter. Så fulgte et par tiår frem til 2013 der teknikken var fraværende i prosjekter i Norge. I utlandet har trenden for TBM-drevne tunneler gått i motsatt retning; økt behov for utnyttelse av undergrunnen har ført til mer bruk av TBM, spesielt i byområder.

Testing av bergartsprøver – Norge er i front

Når det gjelder testing av bergartsprøver for beregning av tid og kostnader ved bruk av TBM, har imidlertid Norge hele tiden beholdt sin internasjonale posisjon. Dette er mye takket være NTNU-prognosemodellen og de unike testmetodene som i sin tid ble utviklet av SINTEF og NTNU. Prognosemodellen har blitt videreutviklet helt frem til 2016. Resultatene fra de individuelle testene som inngår i denne testmetoden, benyttes til å beregne indekser for bergets borbarhet ved bruk av TBM. Indeksene som benevnes som Drilling Rate Index™ (DRI™) for forventet borsynk og Cutter Life Index™ (CLI™) for forventet slitasje, er igjen svært viktige parametere når det gjelder den norske beregningsmodellen for tid og kostnad.

TBM-teknologien får nytt fotfeste i Norge – SINTEF er med

Med Statkrafts prosjekt Nedre Røssåga samt Bane NORs Ulriken- og Follobaneutbygging kan det nå se ut som at TBM-teknologien igjen får godt fotfeste i Norge. Fellesnevner for alle disse prosjektene er at SINTEF har testet bergartsprøver for å bestemme borbarheten for TBM. 

Det ble nylig kjent at Vann- og avløpsetaten i Oslo kommune har valgt TBM som drivemetode for den 19 kilometer lange råvannstunnelen fra Holsfjorden til Huseby. Også her har SINTEF utført omfattende borbarhetstesting i forbindelse med forundersøkelsene. 

Sammen med tunnelbransjen ser vi at det i fremtiden vil bli tunneldriving i litt andre geologiske forhold enn de harde, slitende bergartene som vi har sett så langt i norske prosjekter. Vi har med tanke på dette også utviklet og inkludert testmetodene Soil Abrasion Test™ (SAT™) og Soft Ground Abrasion Test (SGAT) i vår suite av tester for TBM. Disse nye metodene gjør at vi nå også kan teste slitasjeegenskapene til løsmasser som leire, silt, sand og grus). 

Vil være en del av bransjens verktøykasse

Uansett valg av drivemetode, vil det være helt avgjørende å ha robuste og gode estimater for tid og kostnad som basis for en totalvurdering og beslutningsgrunnlag for valg av drivemetode samt TBM-type. Med dette som mål ønsker SINTEF, med sin opparbeidede ekspertise innenfor borbarhetstesting for TBM, å være en foretrukken del av "verktøykassen" i tunnelprosjekter.

Forbedrer eksisterende beregningsmodeller 

De etablerte testmetodene og den omfattende databasen med mer enn 4000 testede prøver vil danne grunnlaget for optimaliseringer og tilpassinger av de eksisterende beregningsmodellene. SINTEF ønsker også å introdusere nye testmetoder som i enda større grad kan gjenskape det som virkelig skjer i kontakten mellom boreverktøy (stål og hardmetall-materialer) og det geologiske materialet. 

Nyutviklet test simulerer boringen bedre 

En nyutviklet test, Rolling Indentation Abrasion Test (RIAT), benytter nedskalerte miniatyr-kutterringer som presses mot bergartsprøven slik at overflaten penetreres og slitasje oppstår, som i virkeligheten. Metoden simulerer driving av TBM-tunneler på en bedre måte enn eksisterende testmetoder. Den nye metoden gir også mulighet til å måle både bergets motstandsdyktighet mot inntrengning (forventet fremdrift) og slitasjeevnen (forventet levetid for kutterringer) i én og samme test.

Vil bygge egen rigg for RIAT testing

RIAT har så langt blitt utviklet ved å tilpasse en eksisterende apparatur benyttet til SGAT-testing. SINTEF og NTNU ønsker imidlertid å få bygget en egen RIAT-testrigg for å målrette vår forskning og utvikling innenfor dette feltet. Hvis alt går etter planen, vil testriggen bli installert i det nye felles berglaboratoriet i løpet av 2020.

Som vist i figuren under, kan RIAT differensiere mellom ulike bergartstyper og deres evne til både å motstå inntrenging og påføre kutteslitasje. Figuren viser de ulike bergartenes egenskaper, og illustrerer hvor viktige tester av denne typen er for å kunne lage robuste prognoser.

RIAT-resultat for åtte ulike bergarter
RIAT-resultat for åtte ulike bergarter. RIATi (som viser inntrengning) er angitt på den venstre aksen og som stiplet rød linje, mens RIATa (som viser slitasje) er angitt på den høyre aksen og som blå søyler. Det registrerte standardavviket er også angitt i figuren som "error bars" (New Rock Abrasivity Test Method for Tool Life Assessments on Hard Rock Tunnel Boring: The Rolling Indentation Abrasion Test (RIAT), Macias et al. RMRE 2016).
RIAT testing av bergprøve
Bildet viser RIAT-testing. Foto: Javier Macias
Slitasjetesting ved SINTEF/NTNUs nye Berglaboratorium i Trondheim.
Slitasjetesting ved SINTEF/NTNUs nye Berglaboratorium i Trondheim. Foto: Joakim Eggen
Publisert 19. november 2019
Laboratorieleder

Laboratorier