2 Suunnittelu hier arki a
7.1 Kalliolaatu ja topografia
Monitoimihallin suunnitteluun liittyen keskeisillä alueilla tehtiin porakone- ja kal- lionäytekairauksia kalliopinnan tason ja kalliolaadun selvittämiseksi. Kesällä 2001 kartoitettiin alueen kalliolaatu ja rakoilu. Kohteessa tehtiin myös seismisiä refrak- tioluotauksia sekä jännitystilamittauksia. Suunnitellun monitoimihallin alueella
pääki-vilajeina on graniitti, kiillegneissi ja migmatiitti. Liuskeisuuden suunta on pääasiassa itä-länsi kaataen ollessa noin 70°. Tutkimusalue on kalliolaadultaan pääsääntöisesti hyvää tai kohtalaista. Kohtalaisen kalliolohkon alueella on myös kapeita (< 3 m), hei
kon tai varsin heikon kalliolaadun vyöhykkeitä, jotka on tulkittu läpäisevän alueen pääsääntöisesti koillis-lounaissuunnassa. Kalliolaadun arvona käytettiin kalliokatujen keskiarvona saatu arvoa Q'= 10/44/.
Monitoimihallin alueella kalliopinta on pääsääntöisesti tasolla +23...+25. Korkeimmil
laan kallion pinta on suunnitellun hallin luoteen puoleisessa päädyssä tasolla +26 ja alimmillaan hallin ja ajotunnelin liittymän kohdalla tasolla +21,9. Tutkimustulosten perusteella suunnitellun monitoimihallin länsipuolella on painanne, jossa kalliopinta painuu tasolle noin +19...+20. Painanteet ympäröivät suunniteltua monitoimihallia hieman kauempana myös etelä-ja itäpuolelta /44/.
7.2 Kallion rakoiin
Rakosuuntien määrittäminen perustui kairarei'istä saatujen suunnattujen näytteiden arvoihin sekä kallioleikkauksesta tehtyyn rakokartoitukseen. Rakentamisalueen lähei
syydessä ei ollut kalliopaljastumaa ja kartoitettu kallioleikkaus sijaitsee noin kahden kilometrin päässä suunnitellusta monitoimihallista. Kalliopalj astumasta tehtyyn kartoi
tukseen suhtauduttiin varauksella. Kairasydännäytteiden perusteella kallion rakoilu on pääasiallisesti vähä- tai runsasrakoista. Kairasydänkartoituksen perusteella voidaan todeta, että rakojen pinnoilla on täytteenä useimmiten karbonaattia ja kloriittia, lisäksi on paikallisesti ohuesti ruostetta ja kiisuja. Haamiskapintaisia rakoja ei esiinny. Kaira
uksessa ei lävistetty tiheärakoisia, rikkonaisia vyöhykkeitä. Rakopinnat ovat pääasialli
sesti sileitä, mutta aaltoilevia, joka on kalliorakenteen pysyvyyden kannalta hyvä asia.
Päärakosuuntia on kolme: lähes vaakasuuntainen rakoilu sekä kaksi koillis- lounaissuuntaista rakoilua. Rakoilun jatkuvuus ja rakoväli on arvioitu kallioleikkauk
sesta tehtyjen havaintojen perusteella /44/. Päärakosuunnat on esitetty taulukossa 15.
Taulukko 15. Sipoon monitoimihallin alueella tulkitut rakosuunnat /44/.
Rakosuunta Kaade (°) Kaateen suunta (°) Jatkuvuus Rakoväli (m)
I 12 344 15 m 4 m
II 67 294 6 m 3 m
III 66 344 10m 4 m
7.3 Kallioperän vedenjohtavuus
Kairausten yhteydessä tehtiin vesimenekkimittauksia yksitulppamenetelmällä kolmen paineen sarjana. Mittausaika kullekin paineelle oli 10 minuuttia. Mittaukset tehtiin yhdeksän metrin välein. Kallion vesimenekki laskettiin lugeon-arvona kullekin käyte
tylle paineelle. Lisäksi laskettiin vedenläpäisevyyskerroin. Kallionäyterei’issä ja syvissä porakonekairausrei’issä tehtyjen vesimenekkikokeiden perusteella kallion rakoilu on pääosin tiivistä tai kohtalaisesti vettä johtavaa. Avoimia rakoja esiintyi pääasiassa vain reikien alkuosissa. Porakonekairauksen yhteydessä mitattiin myös kairausvastusta kalli
ossa aikapainumamenetelmällä. Vesimenekkimittausten tulokset on esitetty taulukossa 16.
Taulukko 16. Kallionäytekairausten vesimenekkikokeiden tuloksia (1999-2001) /44/.
Reikä Koeväli (m)
Pumppaus, Ylipaine (MPa)
Määrä (1) Vesimenekki (l/m min MPa) Lugeon
Keskiarvo Veden- läpäisy- kerroin, K
SK4 0,52 126,0 5,16 7,01*10 '
2,30-7,00 0,82 168,0 4,36 4,82 5,92*10"7
0,52 121,0 4,95 6,73*10‘6
0,52 186,0 6,88 9,53*10"7
6,69-11,89 0,82 270,0 6,33 6,30 8,77*10"7
0,52 154,0 5,70 7,89*10"7
SK5
8,80-14,00 0,84 0,0 0,00 0,00 0,00
0,54 0,0 0,00 0,00
Reikä Koeväli (m)
Pumppaus, Ylipaine (MPa)
Määrä (1) Vesimenekki (l/m min MPa) Lugeon
Keskiarvo Veden- läpäisy- kerroin, K
SK6 0,53 0,0 0,0 0,0
5,25-9,95 0,83 0,0 0,0 0,0 0,0
0,53 0,0 0,0 0,0
0,53 192,0 8,63 1,05*10"6
9,80-14,00 0,83 283,0 8,12 8,32 9,86*10"7
0,53 183,0 8,22 9,98*10"7
0,53 0,0 0,0 0,0
13,80-18,00 0,83 0,0 0,0 0,0 0,0
0,53 0,0 0,0 0,0
0,53 0,0 0,0 0,0
16,83-20,03 0,83 0,0 0,0 0,0 0,0
0,53 0,0 0,0 0,0
0,45 4,0 0,11 1,63*10"8
15,00-23,20 0,65 22,0 0,41 0,27 6,22*10"8
0,45 11,0 0,30 4,49*10"8
HM2
0,52 5,0 0,10 1,61*108
13,80-23,00 0,82 2,0 0,03 0,05 4,08*10"9
0,52 1,0 0,02 3,21*10"9
PK82
0,44 23,0 0,51 8,02*10"7
14,80-25,00 0,64 34,0 0,52 0,48 8,15* 10"7
0,44 18,0 0,40 6,27*10"7
PK83
0,42 16,0 0,37 5,84*10"8
14,80-25,00 0,62 27,0 0,43 0,41 6,68*10"8
0,42 19,0 0,44 6,94*10"8
Reikä Koeväli (m)
Pumppaus, Ylipaine (MPa)
Määrä (1) Vesimenekki (l/m min MPa) Lugeon
Keskiarvo Veden- läpäisy- kerroin, K
SK2 0,5 152,0 3,30 5,08*10"v
11,15-20,35 0,65 328,0 5,48 5,77 8,43*10"7
0,5 392,0 8,52 1,31*10"6
0,5 10,0 0,22 3,34*10"8
19,90-29,10 0,8 5,0 0,07 0,12 1,04*10"8
0,5 4,0 0,09 1,34*10"8
0,5 94,0 2,04 3,14*10"7
26,00-35,20 0,8 122,0 1,66 1,93 2,55*10"7
0,5 96,0 2,09 3,21 *10"7
SK3
0,5 52,0 1,13 1,74*10"7
17,30-26,50 0,8 88,0 1,20 1,25 1,84*10"7
0,5 66,0 1,43 2,21 *10"7
0,5 28,0 0,61 9,36*10"8
26,30-35,50 0,8 35,0 0,48 0,52 7,31*10"9
0,5 22,0 0,48 7,3 5*10"9
7.4 Kallion jännitystila
Kohteen jännitystila tulkittiin alueella tehtyjen hydrauliseen murtamiseen perustuvien jännitystilamittausten perusteella. Mittauksia varten kairattiin kaksi reikää ja mittauksia suoritettiin molemmissa rei’issä yhteensä 20 kpl. Mittauspisteitä, joista saatiin sekä vaakajännitysten arvot että suurimman vaakajännityksen suunta määritettyä, oli yhteen
sä 11 kpl. Jännitystilamittausten tulokset on esitetty taulukossa 17.
Taulukko 17. Jännitystilamittaukset /44/.
Nro Reikä Syvyys Suurin vaaka- jännitys
Suurimman vaakajänni- tyksen suunta (±5°) *
Pienin vaaka- jännitys
7.5 Kalliomassan lujuus- ja muodonmuutosparametrit
Tarkastelussa käytetyt lujuus- ja muodonmuutosparametrit, kalliomassan kimmomo
duuli (Em), Poisson-luku (v) ja puristuslujuus aucs, määritettiin suoritettujen kalliolaa- tuluokitusten avulla. GSI -luku on laskettu Q'-luvun avulla kaavalla (8). Kalliomassan kimmokerroin Em määritettiin kallioluokituksen perusteella kaavalla (14).
Kivinäytteille tehtiin yksiaksiaalisen puristuslujuuden, kimmokertoimen, Poisson-luvun ja epäsuoran vetolujuuden määritys elokuussa 2001. Graniitissa puristusmurtolujuus on 145. ..154 MPa ja kiillegneississä 192. ..332 MPa. Kimmokerroin on graniitissa 60. ..74 GPa ja kiillegneississä 79...109 GPa. Poisson-luku on graniitissa 0,21...0,23 ja kiille- gneississä 0,22...0,27. Epäsuora vetolujuus määritettiin Brasilian kokeella. Ve
tolujuuden suuruudeksi saatiin graniitille 7,0...10,5 MPa ja kiillegneissille 15,8. ..26,2 MPa. Kun Phase2 -mallinnuksia tehtiin kesällä 2001, kivinäytteille ei vielä oltu tehty laboratoriokokeita. Taulukon 18 arvot on valittu aikaisemmin toteutettujen kallioraken- nuskohteiden perusteella sekä Sipoossa aikaisemmin tehtyjen tutkimusten perusteella.
Taulukko 18. Laskelmissa käytetyt kalliomassan lujuus- ja muodonmuutosparametrit /44/.
Parametri Kallio (0-10) Raot
GSI 68
Kivinäytteen puristuslujuus 140 MPa
mj 24
mb 7,6
S 0,028
mr 2,4
Sr 0,0048
Kimmokerroin 28 GPa
Poissonin luku 0,2
Normaalijäykkyys 50 GPa
Leikkausj äykkyys 5 GPa
JCS 70 MPa
JRC 10
Kitkakulma 30
Koheesio OMPa
7.6 Kalliomekaaninen mallinnus
Kalliomekaaninen mallinnus suoritettiin sekä jatkuvalla että epäjatkuvalla mallilla.
Molemmissa malleissa on kalliolaatuna käytetty hyvää (Q'=10). Liitteissä 6-13 on esitelty jatkuva kalliomekaaninen malli. Liitteissä 6 ja 7 on esitetty jatkuvan Phase2 - mallin laskentaverkko. Jatkuvassa mallissa suurimmat puristusjännitykset eivät ylitä kalliomassan puristuslujuutta ollen suurimmillaan noin 7 MPa (liitteet 8 ja 9).
Pienimmät puristuslujuudet on esitelty liitteissä 10 ja 11, joista huomataan, että tilojen kainaloihin syntyy vetoalueita. Vetojännitykset purkautuvat rakojen avautumisena.
Liitteissä 12 ja 13 on esitetty suurimmat siirtymät ja myötöalueet sekä rakennusaikana että 300 kN/m2 väestönsuojakuormituksessa. Jatkuvassa mallissa siirtymät ovat suu
rimmillaan noin 1,8 mm ja ne esiintyvät päähallin kainaloissa.
Liitteissä 14-21 on esitelty epäjatkuva kalliomekaaninen malli. Mallin laskentaverkko on esitetty liitteissä 14 ja 15. Epäjatkuvassa kalliomekaanisessa mallissa suurimmat puristusjännitykset ovat väestönsuojakuormituksen aikana suurimmillaan noin 6 MPa eikä kalliomassa puristuslujuus ylity (liitteet 16 ja 17). Liitteistä 18 ja 19 nähdään, että myös epäjatkuvassa mallissa päähallin kainaloihin syntyy vetoalueita, jolloin kallion vetolujuus ylittyy. Liitteissä 20 ja 21 on esitetty siirtymät, jotka ovat suurimmillaan
liikuntahallin holvissa ollen noin 5 mm. Molemmissa kalliomekaanisissa laskentamal
leissa käytettiin taulukon 19 mukaisia pulttien ja ruiskubetonin lähtöarvoja.
Taulukko 19. Mallinnuksessa käytetyt pulttien ja ruiskubetonin arvot /44/.
Parametri Pultit Ruiskubetoni
Pultin halkaisija (mm) 25
Kimmomoduuli (MPa) 20000 30000
Huippulujuus (MN) 0,24
Jäännöslujuus (MN) 0,2
Esijännitys (MN) 0
Pulttien etäisyys toisistaan (m) 1,5 Pulttien pituus seinässä (m) 4 Pulttien pituus katossa (m) 6
7.7 Johtopäätökset
Tutkimustulosten ja kalliomekaanisen mallinnuksen perusteella voidaan todeta, että Sipoon monitoimihalli on rakennettavissa eikä merkittäviä kalliomekaanisia ongelmia ole odotettavissa. Tutkimustulosten perusteella Sipoon monitoimihallin ja väestön
suojan alueella kalliolaatu on pääsääntöisesti hyvää (Q'=10,13...16,67, ka. 13,4) ja kohtalaista (Q'= 1,86...8,15, ka. 5). Tehtyjen kalliomekaanisten laskelmien, rakokartoi- tuksen ja kokemusperäisen kallion laatuluokituksen pohjalta määritettiin ns. yleislujitus louhittaviin tiloihin. Hallin osalta käytettiin seuraavia pultti- ja ruiskubetonimääriä:
Holvi #2,0 m, L = 6000
100 mm kuitubetoni + 20 mm
Seinät #2,0 m, L = 4000
50 mm kuitubetoni + 20 mm Risteysalueet #1,5 m, L = 6000
120 mm kuitubetoni + 20 mm
7.8 Työnaikainen kalliomekaaninen valvonta
Sipoon monitoimihallissa ja väestönsuojassa kalliomekaanisen seurantaohjelman mu
kaisilla mittauksilla todennettiin kalliorakenteen käyttäytyminen louhinnan aikana.
Monitoimihallin seurantaohjelma perustuu tankoekstensometrien ja kalliolaadun seu
rannan yhteiskäyttöön. Kalliorakenteen käyttäytyminen oli ennalta tulkittu kallioperä
tutkimusten ja mitoituslaskelmien perusteella. Seurantaan liittyi lisäksi louhitun kallio- laadun kartoitus rakennusgeologista kartoitusta ja Q-luokitusta käyttäen. Kartoituksen tuloksia verrattiin tutkimustulosten perusteella määritettyyn kalliolaatuun.
Kartoituksessa hallin kalliolaadun havaittiin olevan hyvää tai erittäin hyvää. Kallion rakoilu on koillis-lounaissuuntaista ja lisäksi kohteessa on lähes vaakasuuntaista rakoi- lua. Monitoimihallin louhinnassa ei kohdattu Ri III -vyöhykkeitä, jotka olisivat vaikut
taneet merkittävästi tilojen kalliomekaaniseen pysyvyyteen. Jos kalliolaadun kartoituk
sen yhteydessä olisi ilmennyt, että kalliolaatu olisi ollut laatuluokkaa huonompaa var
sinkin risteysalueilla, olisi määritetty uudet kallioparametrit ja tehty edellä läpikäydyt laskelmat uudestaan. Tarvittaessa olisi käytetty kolmiulotteista 3Dec -laskentaohjelmaa tarvittavien lujitusten määräämiseksi.
Pääperiaate valvontamittalaitteiden ja mittapisteiden sijoittelussa oli muodostaa mitta- usleikkauksia kalliomekaanisen käyttäytymisen kannalta oleellisiin kohtiin. Pääpaino oli risteysalueilla, missä ovat suurimmat jännevälit, sekä kalliopilarissa. Toinen sijoit
teluun vaikuttava tekijä oli asennettavuus ja käytettävyys. Mittalaitteet asennettiin siten, että valvontamittausten suorittaminen onnistuu myös käyttövaiheen aikana. Mittalaitteet asennettiin ennen louhintojen aloitusta ja ensimmäiset mittaukset tehtiin heti laitteiden asennuksen jälkeen. Mittauksia tehtiin riittävä määrä, jotta saatiin tyydyttävä lähtöarvo ennen kuin louhinta oli edennyt mittalaitteiden läheisyyteen. Kalliomekaanisia valvon- tamittauksia tehdään pääasiassa louhinta-ja rakennusvaiheen aikana /38/.
Sipooseen asennetut ekstensometrit ovat tyypiltään monitankoekstentometrejä, joiden mittapisteet ankkuroitiin kolmelle tai viidelle, paikkakohtaisesti määrätylle syvyydelle porareikään (liitteet 23 ja 24). Reikään sijoitettiin myös kaksi lämpömittarinanturia määrätyille syvyyksille sekä yksi anturi ekstensometrin suojakannen alle. Ekstensomet- rejä luettiin louhinnan aikana 2-4 kertaa kuukaudessa, louhinnan jälkeen niitä luetaan kerran kuukaudessa ja käytön aikana vain erikseen sovittaessa /38/. Liitteessä 23 ole
vassa kartassa on esitetty ekstensometrien sijainnit monitoimihallin alueella ja liitteessä 24 leikkaus A-A. Liitteessä 4 on esitelty ekstensometrin yläpään suojausrakenne.
Liitteissä 25-27 on esitetty monitoimihallin tankoekstensometrien ETI, ET2 ja ET3 mittaustulokset. Ekstensometri ET1 on sijoitettu hallin ja yhdyskäytävän väliseen kal- liopilariin. Ekstensometrin ET1 mittaustuloksesta (liite 25) ja Phase2 -mallinnuksesta (liitteet 12 ja 20) voidaan päätellä, että pilarin kohdalla tangot ovat luultavasti siirtyneet sivusuunnassa.
Ekstensometri ET2 on sijoitettu hallin ja ajotunnelin risteysalueelle. ET2:n mittaustu
loksesta (liite 26) huomataan, että toukokuun lopussa syvyydellä 10 m oleva tanko on siirtynyt merkittävästi. Hallin risteysalueen kartoituksessa huomattiin, että ekstensomet
rin alueella holviin muodostui tetraedrin muotoinen kiila. ET2:n mittaustuloksista ja holvissa tehdyn kartoituksen perusteella voitiin päätellä kalliolohkon koko ja paino, jolloin kalliolohkoon pystyttiin määrittämään lisäpultitus. Seuraavalla mittauskerralla voitiin todeta, että kallion siirtyminen on pysähtynyt (liite 26). Ekstensomittauksesta ET2 huomataan myös, että kun hallin louhinnat alkoivat noin maaliskuun puolivälissä, hallin katto lähti aluksi nousemaan, mutta muutokset tasaantuivat ajan myötä.
Ekstensometri ET3 sijoitettiin liikuntahallin ja teknisten tilojen risteysalueelle. Tässä ekstensometrissa ei tapahtunut merkittäviä siirtymiä. Mittaustulosten perusteella suu
rimmat siirtymät olivat vain noin 1 mm (liite 27).
7.9 Pohjaveden valvonta ja hallinta
Liitteessä 28 on esitetty kartta monitoimihallin alueesta ja pohjaveden seurantapisteiden paikat. Pohjaveden pinta mitataan pohjavesiputkien lisäksi läheisen maatilan käytöstä poistetusta talousvesikaivosta. Sipoossa pohjaveden pinta mitataan rakentamisen aikana kaksi kertaa kuukaudessa. Jos louhinnan aikana olisi havaittu merkittävää pohjaveden alenemista, seurantaa olisi tihennetty kerran viikossa tapahtuvaksi. Lisäksi oli varau
duttu imeytystoimenpiteisiin. Käytön aikana pintaa mitataan vain erikseen sovittaessa /41/. Pohjaveden mittaustulokset on esitetty liitteessä 29. Pohjaveden pinnan tasoissa eri mittauspisteissä ei ole tapahtunut merkittäviä muutoksia louhinnan aikana. Pohjaveden pinta on laskenut hieman kevään ja kesän 2002 aikana.
8 SUUNNITTELUMEN ETTELY
Kalliorakenteen mitoitus koostuu seuraavista vaiheista: tutkimukset, mitoitusparametri
en määritys, kalliomekaaniset laskelmat, laskentatulosten analysointi, kalliomekaaninen seuranta ja jälkilaskenta. Kalliorakennuskohteen mitoittaminen on ryhmätyötä. Mitoi- tusryhmään kuuluu minimissään kolme henkilöä: geologi, kalliorakenteen mitoittaja ja louhintasuunnittelija. Tässä kappaleessa on kiijattu hyvä kalliorakennuskohteen suun
ni ttelumenettelytapa edellä mainittujen vaiheiden kannalta. Kappaleen lopussa on esi
telty lyhyesti suunnittelun aikana mahdollisesti tapahtuvia virheitä.
Kalliorakennushankkeen alkuvaiheessa suunnittelu painottuu arkkitehti- ja yleissuun
nitteluun, joille kalliorakennussuunnittelu antaa reunaehtoja. Alkuvaiheessa tehdyt suunnitteluratkaisut vaikuttavat merkittävästi koko kalliorakennukseen. Kallioraken
nuskohteen arkkitehtisuunnittelussa tulisi pyrkiä siihen, että tilan pohjaratkaisu on yksinkertainen ja kallioteknisesti turvallinen, ja kalliorakennuksen kulkuyhteyksien tulisi olla toimivia. Tilavarausten tulisi olla yksityiskohtaisesti selvillä jo ennen raken
nussuunnitteluvaihetta kun tehdään louhintasuunnitelma-asiakiijoja. Koska kaavoitus- vaiheessa ei ole usein mahdollisuutta tehdä riittäviä kalliotutkimuksia, kaava tulisi jättää riittävän väljäksi myöhempiä suunnitteluratkaisun muutoksia varten.
Tutkimukset
Kalliorakennuskohteessa tehtävät tutkimukset voidaan jakaa luonnosvaiheen ja toteu
tusvaiheen tutkimuksiin. Useimmiten ennen investointipäätöstä ei ole varaa tehdä tar
vittavia tutkimuksia. Nykyään eri suunnitteluvaiheet tehdään ainakin osittain limittäin toistensa kanssa ja jossain tapauksissa tarvittavia tutkimustuloksia ei ole käytettävissä riittävän ajoissa. Kunkin eri suunnitteluvaiheen tutkimustulokset tulisi kuitenkin saada käyttöön jo ko. suunnitteluvaiheen alussa. Kalliorakennuskohteen toteutussuunnittelun aikana tutkimusohjelmaa voidaan vielä tarkentaa ja korjailla.
Kalliorakennuskohteen alkuvaiheen suunnittelun yhteydessä maastossa tehdään geolo
ginen kartoitus RG -luokitusta käyttäen. Paljastumista kartoitettaessa alueen kalliolaatu arvioidaan lähes aina liian hyväksi. Kartoitettaessa tulisi etsiä kallioleikkaus, mikäli mahdollista. Jos kalliopalj astumasta tehdään Q-luokitus, tulee siihen suhtautua suurella
varauksella. Suunnitteluratkaisua kehitettäessä on syytä tutkia myös alueen topogra
fi akarttoja ruhjeiden ja niiden mahdollisten jatkeiden toteamiseksi. Maastokäynnillä voidaan tarkentaa ruhjeiden sijainti.
Taulukossa 20 on esitelty eri tutkimusmenetelmiä ja niiden sijoittumista eri suunnittelu
vaiheisiin. Tutkimusten ohjelmointi on tehtävä huolella. Tutkimuksia suunniteltaessa ja suorittaessa tulee ottaa huomioon menetelmien virherajat ja tutkimuksella saadun tiedon rajallisuus. Tutkimustuloksiin vaikuttaa myös urakoitsijan työn laatu. Tutkimukset aloitetaan yleensä seismisillä luotauksilla. Kun luotaustulokset on analysoitu, voidaan määritellä porakonekairauspisteet. Kun porakonekairauksista on saatu tulokset, seuraa- vaksi voidaan määrittää kallionäytekairausreikien sijainnit ja tehdä tarkempia pora- konekairaussuunnitelmia. Kallionäytekairauksen yhteydessä voidaan mitata pohjaveden pinnan korkeutta ja sen muutoksia sekä suorittaa vesimenekkikokeita. Jännitystilamitta- uksia suoritetaan yleensä vain suurissa ja/tai vaativissa kalliorakennuskohteissa. Labo
ratoriokokeilla saadaan selville kalliomekaanisten mitoitusohjelmien tarvitsemia lähtö
arvoja. Laboratoriotutkimusten tuloksia hyödynnettäessä on huomioitava, että ne edus
tavat vain kyseessä olevan näytteen ominaisuuksia eivätkä koko kalliomassaa. Tutki
muksissa täytyy varmistaa myös, että testattavien näytteiden määrä ja edustavuus ovat riittäviä.
Taulukko 20. Eri tutkimusmenetelmät ja niiden sijoittuminen eri suunnitteluvaiheisiin.
Suunnitteluvaihe
Lähtötietojen hankinta • •
Geologinen kartoitus • • •
Maatutka • •
Seisminen luotaus • •
Porakonekairaus • • •
Kallionäytekairaus e •
J ännitystilamittaus • • •
Laboratoriokokeet • •
Pohj avesi tutkimukset • • • •
Mitoitusparametrien määritys
Suunnittelijalla tulee olla riittävästi käytännön kokemusta kalliorakennuskohteista, jotta mitoitusparametrit voitaisiin määrittää oikein. On tärkeää, että mitoitusparametrit mää
ritetään huolellisesti ja ajatuksella, koska ne toimivat kalliomekaanisten laskentaohjel
mien lähtöarvoina. Lähtöparametreille tulee suorittaa huolellista tilastollista tarkastelua.
Kallion parametri arvojen määrittämiseen ei ole olemassa yleisesti hyväksyttyä ohjetta, mikä on vakava puute. Yleisesti on noudatettu varovaisen keskiarvon periaatetta, mutta selvästi perustellumpi vaihtoehto on selvittää parametri arvon hajonta riittävin tutkimuk
sin ja valita todennäköisyystaso tutkimusmäärästä riippuen (75%-95% tai käyttää kes
kiarvon ja keskihajonnan erotusta). Alimman mittausarvon valinta johtaa pääsääntöi
sesti erittäin konservatiiviseen mitoitukseen /1/. Jos lähtöparametrien määrittelyssä epäonnistutaan, myös mallinnuksen tulos on virheellinen. Jos kalliotilan suuntaus muuttuu suunnittelun edetessä merkittävästi ( 15%—20%), laskelmissa käytetyt kalliopa- rametrit täytyy tarkistaa uuden suuntauksen mukaisesti.
Kun kalliomekaanisen mitoituslaskentaohjelman tarvitsemat lähtöarvot on määritetty oikein, itse tietokonemallinnus antaa samaa suuruusluokkaa olevan lopputuloksen oh
jelman käyttäjästä riippumatta. Mitoituslaskentaan merkittävimmin vaikuttava osa-alue on kallioparametrien määritys, joka riippuu olennaisesti suunnittelijasta eli yksittäisen henkilön tulkinnasta. Tästä syystä kalliomekaanisen mallinnuksen lopputulos voi olla vaihteleva.
Kalliomekaaniset laskelmat
Taulukossa 21 on esitelty kalliomekaanisten laskentaohjelmien soveltuvuus eri tarkoi
tuksiin. Olisi suositeltavaa tehdä jokaisesta mallinnuskohteesta vähintään kolme tarkas
telua eri lähtöarvoilla, jotta saadaan selville miten herkkä laskentamalli on parametrien muuntelulle.
Taulukko 21. Laskentaohjelmien soveltuvuus eri tarkoituksiin.
Ohjelmisto
Laskentatapaus Flac Phase2 Udec 3Dec Unwedge Swedge
Suuri kohde / moni
mutkainen geometria
- - - e 0
-Suuri kohde / yksin
kertainen geometria
• e • - e
-Pieni kohde / moni
mutkainen geometria
• • • o 0
-Pieni kohde / yksin
kertainen geometria
• sopii hyvin / erittäin suositeltava o sopii / suositeltava
- ei sovi
Laskentatulosten analysointi
Kalliomekaanisten mallinnusohjelmien tuloksia tulkittaessa on syytä käyttää tervettä järkeä. Kalliorakenteen lopulliset lujitus- ja tiivistyssuunnitelmat voidaan laatia vasta rakennusaikaisen seurannan avulla, jolloin kalliolaatua seurataan louhituissa tiloissa.
Laskentatuloksia analysoitaessa tulisi ottaa huomioon, että tulokset soveltuvat vain siihen rakenteeseen ja niihin kallio-olosuhteisiin, jotka on mallinnettu. Jos myöhemmin osoittautuu, että kallio on huonompaa kuin mallinnuksessa käytetty, tulee määrittää uudet kallioparametrit ja tehdä mallinnus uudestaan. Laskelmien tuloksena tulisi olla todennettavissa oleva ennuste kallion käyttäytymisestä louhinnan aikana.
Seuranta
Kalliorakennuskohteen vaativuus vaikuttaa seurantamittaustarpeeseen ja mittausmene
telmien valintaan. Kalliomekaanisen seurantaohjelman mukaisilla mittauksilla toden
netaan louhinnan aikainen kalliorakenteen käyttäytyminen, joka on ennalta arvioitu kal
lioperätutkimusten ja mitoituslaskelmien perusteella. Seurantatulosten ja aikaisemmin päätettyjen hälytysrajojen perusteella päätetään louhinta- ja lujitussuunnitelmiin mah
dollisesti tarvittavista muutoksista. Kalliomekaaninen valvonta tulee aloittaa vähintään muutamia viikkoja ennen louhintaa ja vaativissa kohteissa sitä jatketaan useita vuosia louhinnan jälkeen. Siirtymät tasoittuvat yleensä heti kun louhinta on loppunut.
Rakennusvaiheessa tarkkaillaan myös alueen pohjavesiolosuhteita. Pohjaveden pinnan mittaukset on syytä aloittaa useita kuukausia ennen louhinnan aloittamista. Pinnankor- keusmittauksia tulisi tehdä vähintään kerran kuukaudessa louhinnan aikana ja muuta
man kerran kuukaudessa rakentamisen aikana. Suuret kaupunkialueilla sijaitsevat kal- liorakennuskohteet ovat yleensä vaativimpia seurannan kannalta, joten niissä on syytä seurata myös kallion liikkeitä. Taulukossa 22 on esitelty yleisimmät seurantamenetel
mät ja niiden soveltuvuus eri kohteisiin.
Taulukko 22. Seurantamenetelmät ja niiden käyttökohteet.
Seurantamenetelmä
Kohde a) b) C) d) e) f)
Tunneli kaupunkialueella Ф 0 0
Suuri halli/monimutkainen geometria e e • • • •
Suuri halli/yksinkertainen geometria • e • 0 0 0
Pieni halli/monimutkainen geometria • 0 0 o 0 0
Pieni halli/yksinkertainen geometria • 0 - - - 0
Monimutkainen kohde kaupunkialueella
• • • • • •
Yksinkertainen kohde kaupunkialueella
• • 0 - o •
Monimutkainen kohde asumattomalla alueella
• • 0 o 0 0
Yksinkertainen kohde asumattomalla alueella
e 0 - - -
-Vaativat kalliomekaaniset olosuhteet • • • e • e
Helpot kalliomekaaniset olosuhteet • 0 - - -
-Taulukon 22 merkintöjen selitykset:
a) Kalliolaadun seuranta b) Ekstensometrimittaus c) Konvergenssimittaus d) Tarkkavaaitus e) Kuormituspultti f) Jännitystilan seuranta
• erittäin suositeltava o suositeltava
- ei tarpeellinen
Jälkilaskenta
Jälkilaskentaa ei tehdä, jos kalliolaatu vastaa oletettua ja kallion käyttäytyminen on ennusteiden mukainen. Jälkilaskenta suoritetaan, jos louhinnan aikaisessa seurannassa kalliolaatu osoittautuu selvästi ennakoitua heikommaksi tai seurantamittaustulokset osoittavat huomattavasti ennakoitua suurempia siirtymiä tai kuormia.
Virheet
Mitoitusprosessissa tapahtuvat virheet voivat johtua muun muassa seuraavista asioista:
- kiire, tiukka aikataulu - liian pieni budjetti - kokemuksen puute
lähtöparametrien määrittelyssä epäonnistuminen
- puutteelliset tiedot kalliomassan ja kiven ominaisuuksista (lähtöparametrit mallin
nusohjelmille)
- puutteellinen tutkimusohjelma
liian suuri luottamus tietokoneohjelmien tuloksiin itse kalliomekaanisten mallinnusohjelmien puutteet ja tiedon kulun puutteet.
Kalliorakennuskohteen alkuvaiheen selvitysten yhteydessä kallion tutkimuksille ei ole useinkaan varattu riittävästi varoja. Tiukasta aikataulusta johtuen eri suunnitteluvaiheet tehdään ainakin osittain limittäin toistensa kanssa ja jossain tapauksissa tarvittavia tutkimustuloksia ei ole käytettävissä riittävän ajoissa. Tästä johtuen kalliomekaanisten laskentaohjelmien tarvitsemia lähtöarvoja ei voida määrittää riittävällä tarkkuudella.
Nuorilla kalliomekaanikoilla ei ole usein riittävästi kokemusta lähtöparametrien mää
rittämisestä, mikä vaikuttaa kalliomekaanisen laskentaohjelman lopputulokseen.
Kalliomekaaniseen mallinnustulokseen tulee suhtautua aina tietyllä kriittisyydellä.
Mallinnusohjelmat eivät ole täydellisiä. Kolmiulotteisia kohteita ei tulisi mallintaa 2D - ohjelmalla. Lisäksi kaikkia kalliomekaanisia ominaisuuksia ei pystytä mallintamaan.
Taulukon 21 (s. 85) mukaan mikään kalliomekaaninen mitoituslaskentaohjelma ei sovellu hyvin ohuen kalliokaton pysyvyyden määrittämiseen. Jotta ohuen kalliokaton pysyvyys voitaisiin määrittää luotettavasti, tulisi suunnittelijalla olla todella yksityis
kohtaiset tiedot kalliomassan, kiven ja rakojen kalliomekaanisista ominaisuuksista.
Kalliorakennuskohteen suunnitteluratkaisun kehittelyssä vaaditaan eri suunnittelualojen yhteistyötä. Yleis-, arkkitehti-ja kalliorakennesuunnittelun lisäksi on otettava huomioon rakennesuunnittelu ja talotekninen suunnittelu. Koska kalliorakenteen mitoittaminen on tiivistä ryhmätyöskentelyä, on tärkeää että tieto liikkuu suunnittelijalta toiselle kohtuul
lisessa ajassa.
9 YHTEENVETO
Kalliorakennuskohteet poikkeavat usein paljon toisistaan, joten myös kalliorakennus- kohteen mitoitusmenettely vaihtelee tilan vaativuuden mukaan. Mitoitukseen käytettä
vät resurssit määrää suunniteltavan kalliorakennuksen koko, sijainti, käyttötarkoitus, kalliolaatu ja suunnitteluvaihe. Jos kalliorakennus toimii väestönsuojana, suunnittelussa on otettava huomioon väestönsuojien teknilliset määräykset. Kalliorakenteen mitoitus koostuu seuraavista vaiheista: tutkimukset, mitoitusparametrien määritys, kalliomekaa
niset laskelmat, laskentatulosten analysointi, kalliomekaaninen seuranta ja jälkilaskenta.
Kalliorakenteen mitoitusryhmään kuuluu minimissään kolme henkilöä: geologi, kallio- rakenteen mitoittaja ja louhintasuunnittelija. Kalliorakennuskohteen mitoitus tapahtuu kokemusperäisten menetelmien lisäksi yhä enenevissä määrin tietokoneilla tehtävillä kalliomekaanisilla mallinnuksilla.
Kalliorakennuskohteen suunnitteluun vaikuttavat muun muassa tilaohjelma, tontin koko, asemakaava, hankkeen aikataulu ja kustannusraamit sekä alueen kalliotekniset olosuhteet. Kalliorakennuksen sijoitusta ja suuntausta rajoittavat erityisesti maan päälle tulevat yhteydet, kuten esimerkiksi ajotunneli, jalankulku- ja varapoistumistiet sekä ilmanvaihtoyhteydet. Kalliorakennushankkeen alkuvaiheessa suunnittelu painottuu arkkitehti- ja yleissuunnitteluun, joille kalliorakennussuunnittelu antaa reunaehtoja.
Kalliorakennuskohteen suunnitteluratkaisun kehittelyssä vaaditaan eri suunnittelualojen yhteistyötä. Yleis-, arkkitehti- ja kalliorakennesuunnittelun lisäksi on otettava huomioon rakennesuunnittelu ja talotekninen suunnittelu. Kalliorakennuskohteen arkkitehtisuun
nittelussa tulisi pyrkiä siihen, että tilan pohjaratkaisu on yksinkertainen ja kalliotekni- sesti turvallinen ja kalliorakennuksen kulkuyhteyksien tulisi olla toimivia. Alkuvaihees
sa tehdyt suunnitteluratkaisut vaikuttavat merkittävästi koko kalliorakennukseen. Kal
liorakennushankkeen alkuvaiheen selvityksissä kallio-olosuhteista ei useimmiten ole vielä tarkkoja tietoja. Koska kaavoitusvaiheessa ei ole usein mahdollisuutta tehdä riittä
viä kalliotutkimuksia, kaava tulisi jättää riittävän väljäksi myöhempiä suunnitteluratkai
sun muutoksia varten.
On tärkeää, että jo tarveselvitys- ja hankesuunnitteluvaiheissa kalliorakennussuunnitte- lija on tiiviisti mukana kohteen suunnittelussa. Kalliorakennuskohteen suunnittelun
alkuvaiheen tutkimuksissa tulisi saada tietoa alueen geologiasta, kallioperän topografi
asta, kallion laadusta, maakerrosten paksuuksista ja pohjavesiolosuhteista. Hankkeen alkuvaiheessa on erityisen tärkeää selvittää onko kalliokaton paksuus joka puolella riittävä. Erityisen tärkeää tämä on risteysalueilla ja halleissa, joissa jänneväli on suuri.
Alkuvaiheen tutkimuksissa tulee myös selvittää esiintyykö alueella tiloja leikkaavia rako- tai heikkousvyöhykkeitä. Tilavarausten tulee olla yksityiskohtaisesti selvillä jo ennen rakennussuunnitteluvaihetta kun tehdään louhintasuunnitelma-asiakiijoja. Lisä
tilojen louhiminen myöhemmin on aina hyvin kallista.
Kalliorakennuskohteen alkuvaiheen selvitysten yhteydessä kalliotutkimuksille ei ole useinkaan varattu riittävästi varoja. Tiukasta aikataulusta johtuen eri suunnitteluvaiheet tehdään ainakin osittain limittäin toistensa kanssa ja jossain tapauksissa tarvittavia tutkimustuloksia ei ole käytettävissä riittävän ajoissa. Kunkin eri suunnitteluvaiheen tutkimustulokset tulisi kuitenkin saada käyttöön jo ko. suunnitteluvaiheen alussa. Kal- liorakennuskohteessa yleisimmin tehtävät tutkimukset ovat: maatutkaluotaus, seisminen refraktioluotaus, porakone- ja kallionäytekairaus, jännitystilamittaus, laboratoriokokeet ja pohjavesitutkimukset. Tutkimusten tarkoituksena on selvittää tilan käyttötarkoituk
seen nähden turvallisen rakennuksen tekeminen ja kalliolujitusten optimointi.
Kalliorakennuskohteen suunnittelun yhteydessä maastossa tehdään geologinen kartoitus RG -luokitusta käyttäen. Rakennusgeologisen kallioluokituksen rinnalla käytetään kansainvälisiä Q- ja RMR -luokituksia, joilla saadaan selville kalliomekaanisten las
kentaohjelmien tarvitsemia numeerisia lähtöarvoja. Louhinnan aikana kallion laatua seurataan rakennegeologisen kallioluokituksen ja Q-luokituksen avulla. Asianmukai
kentaohjelmien tarvitsemia numeerisia lähtöarvoja. Louhinnan aikana kallion laatua seurataan rakennegeologisen kallioluokituksen ja Q-luokituksen avulla. Asianmukai