2 Suunnittelu hier arki a
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
sesti tallennetut kallion laadun seurantatiedot ovat arvokkaita, jos kalliorakennuskoh
teen läheisyyteen suunnitellaan myöhemmin toista kalliotilaa.
Kalliomekaaniset mitoituslaskelmat pystytään nykyaikaisilla tietokoneilla ja ohjelmis
toilla tekemään kohtuullisessa ajassa. Mitoituslaskentaohjelmilla voidaan laskea nope
asti kalliotilojen rakentamisvaiheessa syntyvien siirtymien suunnat ja suuruudet sekä jännitystilan muutokset. Kalliomekaaniseen mitoituslaskentaan merkittävimmin vai
kuttava osa-alue on kallioparametrien määritys, joka riippuu olennaisesti suunnittelijasta eli yksittäisen henkilön tulkinnasta. Tästä syystä kalliomekaanisen mallinnuksen lop
putulos voi olla vaihteleva. Suunnittelijalla tulee olla riittävästi käytännön kokemusta
kalliorakennuskohteista, jotta mitoitusparametrit voitaisiin määrittää luotettavasti. On tärkeää, että mitoitusparametrit määritetään huolellisesti ja ajatuksella, koska ne toimi
vat kalliomekaanisten laskentaohjelmien lähtöarvoina. Jos lähtöparametrien määrittelys
sä epäonnistutaan, myös mallinnuksen tulos on virheellinen. Kun kalliomekaanisen mitoituslaskentaohj elman tarvitsemat lähtöarvot on määritetty oikein, itse tietokone- mallinnus antaa samaa suuruusluokkaa olevan lopputuloksen ohjelman käyttäjästä riippumatta. Olisi suositeltavaa tehdä jokaisesta mallinnuskohteesta vähintään kolme tarkastelua eri lähtöarvoilla, jotta saadaan selville miten herkkä laskentamalli on para
metrien muuntelulle.
Tässä diplomityössä esiteltiin mitoituskohteena Sipoon monitoimihalli ja väestönsuoja.
Monitoimihallin louhinnat saatiin päätökseen syyskuussa 2002. Monitoimihallin lou
hinnassa ei kohdattu heikkousvyöhykkeitä, jotka olisivat vaikuttaneet merkittävästi tilojen kalliomekaaniseen pysyvyyteen. Sipoon monitoimihallin kalliomekaaninen seuranta ja valvonta oli onnistunut. Ekstensometrit oli sijoitettu hallin ja ajotunnelien risteysalueille ja kalliopilariin. Yhden ekstensometrin mittaustuloksista havaittiin mer
kittävä siirtymä, jonka syyt selvitettiin, ja ryhdyttiin toimenpiteisiin siirtymisen pysäyt
tämiseksi.
Tässä diplomityössä on kirjattu hyvä kalliorakennuskohteen suunnittelumenettelytapa.
Kalliomekaanisessa suunnittelussa hyvän teorian hallinnan lisäksi on tärkeää osata soveltaa tietoja käytännön tilanteisiin. Tutkimusohjelman teossa, laskentaparametrien määrittämisessä ja kalliomekaanisten mallinnusohjelmien tuloksia tulkittaessa on syytä käyttää tervettä järkeä.