Et nytt forskningsprosjekt kan være med og bringe norsk ekspertise frem til et nivå der vi nok en gang blir verdenslende på driving av tunneler.
Eivind Grøv er sjefforsker i SINTEF Byggforsk, Professor II ved NTNU og prosjektleder for forskningsprosjektet FAST-Tunn som ble startet opp i år. Foto: Halfdan Carstens
Bruk av TBM (Tunnel Boring Machine, eller tunnelboremaskin, på godt norsk) er den foretrukne metoden for å lage tunneler, når vi ser verden under ett.
– Anslagsvis 60-80 prosent av de tunnelene som bygges benytter TBM-metoden. Det geologiske materialet varierer fra løsmasser til harde bergarter, forteller Eivind Grøv, sjefforsker i SINTEF Byggforsk og Professor II ved NTNU.
Grøv forteller at Norge var i en ledende posisjon på 1970- og 80-tallet. TBM ble da benyttet på 250 km med vannkraft- og veitunneler. Han hevder at vi var intet mindre enn et foregangsland når det gjaldt å sette krav til TBM-er.
– Vi satte krav til at de skulle være robuste nok til å tåle hardt, norsk grunnfjell, samt være konkurransedyktige på både drivetid og kostnader.
Siste gang TBM ble benyttet var i en vannkrafttunnel i Meråker tidlig på 1990-tallet. Da er det ikke så rart at vi har blitt hengende etter med hensyn til både utvikling og anvendelse.
– Kunnskapen her hjemme har forvitret, mener Grøv.
– Metoden med TBM har blitt utviklet uten at det norske ingeniørmiljøet har kunnet følge med. Og det til tross for at mange mener vi i dag er ledende i verden på å bore og sprenge tunneler.
Det er den dårlige nyheten. Den gode nyheten er at et nytt forskningsprosjekt – Fast-Tunn («Future Advanced Steel Technology for Tunnelling») – kan være det som bringer norsk tunnelteknologi generelt – og bruk av TBM spesielt – et godt stykke fremover. Eivind Grøv er prosjektleder.
Et større kakestykke
Grøv trekker frem et kakediagram som med mange fine farger viser viktig statistikk.
– Ved tunnelboring går om lag 40 prosent av tiden med til boring. De resterende 60 prosent går med til en masse andre oppgaver, herunder omtrent 15 prosent til bytte av kuttere, og det er for mye.
Ingeniørgeologen vil endre statistikken. Derfor har han sammen med kollegaer ved SINTEF/NTNU tatt initiativ til et forskningsprosjekt som har som mål å gjøre tunneldriving med TBM mer effektiv, og som derfor også vil gi lavere kostnader.
Tunnelboreoperasjoner i harde bergarter karakteriseres av lave penetrasjonshastigheter, stor slitasje på utstyret (stålet) og hyppig bytte av kutteringer. Alt dette driver effektiviteten ned og kostnadene i været. Derfor er det viktig å minimalisere slitasjen på borestålet. Dertil er det av betydning å kunne forutsi problemer i planleggingsstadiet, og her har NTNU utviklet en egen empirisk prognosemodell, og hvor det også er et potensial for forbedringer gjennom dette prosjektet.
– Målsettingen vår er å oppnå 25 prosent effektiviseringsøkning, fremholder Grøv.
Dette skal han klare ved å øke levetiden på hver enkelt kutter.
– På den måten kan vi få til at kakestykket med kutterskift blir mindre, samtidig som kakestykket med boring blir større.
Kort fortalt har forskningsprosjektet således to hensikter. Den ene er å utvikle mer effektive systemer for boring med TBM, den andre er å forbedre prognosemodellene for tunneloperasjoner. Basis er forståelsen av grensesnittet mellom de to materialene og bruddmekanismene.
Må forstå grensesnittet
TBM har ikke vært brukt i Norge siden 1990-tallet. Neste mulighet er Jernbaneverkets Follobanen (dobbeltspor Oslo-Ski). Den blir med 19,5 km Norges lengste jernbanetunnel. Bildet viser TBM-en som er tilgjengelig for fullskalatesting i India. Foto: Robbins
Tunnelboring involverer to medier: fjellet og boret. Det første består av stein og sprekker. Det andre består av stål.
– Det er helt nødvendig å forstå hva som foregår i grensesnittet mellom det geologiske materialet og borematerialet. De har hver på sin side sine helt spesielle egenskaper, og det er interaksjonen mellom dem vi må ha god kunnskap om.
Grøv bruker et lett forståelig bilde for alle som har fusket litt i håndverkerfaget. Det er liten vits i å bruke et trebor til å lage hull i murveggen, da hjelper det lite å trykke på med alt vi har av matekraft.
– Vi må rett og slett se nøye på stålet og hvordan det påvirkes av boreproesessen. Videre må vi drive numerisk modellering for å forstå hvordan materialene reagerer.
– Det er der vi starter, fortsetter Grøv, vel vitende om at han har de nødvendige ressursene for å lede prosjektet frem til et vellykket resultat.
Han refererer til at prosjektgruppen består av medarbeidere som forstår det geologiske materialet og andre som forstår materialegenskaper. Atter andre er eksperter på numerisk modellering. Ikke minst kan han hvile seg på ekspertise som har drevet med slitasjetester i flere tiår.
– Det er på disse feltene vi må lære mer og forhøye kunnskapsnivået, mener Grøv.
– Og hvis vi lykkes, vil det gi nye muligheter for bruk av TBM i Norge. Norske produsenter vi også kunne komme inn på verdensmarkedet for neste generasjons kutteringer. SINTEF og NTNU vil dra fordel av å bli flinkere til å forstå slitasje på stål og bruk av antiabrasiver i boreoperasjonen.
Et spleiselag
FAST-Tunn er et fireårig forskningsprosjekt som går fra 2012 til 2015. Blant industrideltakerne finner vi de internasjonale selskapene Robbins (maskinleverandør) og BASF CGC (kjemkalieleverandør/antiabrasiver), samt norske BMS Steel (stålstøperi) og Scana Steel (spesialstålprodusent). Jernbaneverket er selvsagt også med som en mulig bruker av TBM-teknikken. For øvrig er det flere avdelinger i SINTEF som er med i prosjektet. Vi skal heller ikke glemme NTNU som har to doktorgradsstudenter engasjert.
– Styrken i dette prosjektet er at vi gjennom SINTEF/NTNU har involvert forskere langs hele den lange kjeden som må til for å forstå hvordan boringen fungerer og hvordan slitasjen på boreverktøyet oppstår. Det er ganske unikt, skryter Grøv.
– Vi har derfor her en enestående anledning til å lære mer om de prosessene som påvirker slitasje på stålverktøyet, samt utvikle nye legeringer som kan gi økt penetrasjon. Kan hende ser en ny kuttering dagens lys tuftet på våre forskningsresultater. Antiabrasiver som blir mer og mer vanlig kan ha betydning på stålets kvalitetskrav og kutternes utforming.
Til å hjelpe seg har han 30 millioner kroner til disposisjon. Norges forskningsråd har gått inn med 35 prosent, industripartnerne resten.
Men kapitalbehovet er enda litt større. Prosjektlederen vil gjerne ha noen ekstra millioner til å bygge opp et «mellomskala» laboratorium for prototype testing.
– Vi har mikroskala lab på plass, og gjennom en avtale med Robbins skal vi få gjøre fullskala tester på tunnelprosjekter i India.
– Vi ønsker imidlertid ikke å gå direkte fra mikroskala i laboratoriet til makroskala i felten. Vi har derfor et behov for å kunne gjøre tester i en lab med reelt utstyr på et reelt medium, forklarer Grøv.
Bør være ledende
Norge har en lang tradisjon med å drive tunneler i harde bergarter. Mange har også hevdet at vi har en ledende posisjon i verden på dette feltet. At flere norske entreprenører blir tildelt prestisjejobber i på så fjerntliggende steder, og at norske leverandører og konsulenter er internasjonale, bekrefter dette inntrykket.
Det er bare én hake. Vi behersker kun «drill & blast». Ekspertisen på bruk av TBM har forsvunnet.
– Vi bør være verdensledende på to drivemetoder, mener mannen som har lang erfaring fra prosjektarbeid på norske og internasjonale tunnelanlegg.
Da trenger vi både prosjekter og forskning. Det første er det foreløpig dårlig med, men kandidater finnes, ikke minst nevnte Jernbaneverkets tunnel fra Oslo til Ski. Det andre er vi i gang med.
– Mottoet vårt bør være «Look to Norway», avslutter en alltid optimistisk Eivind Grøv, sjefforsker og prosjektleder.
Denne saken ble først publisert i GEO 07/12.
