TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Prosessi- ja materiaalitekniikan osasto Materiaali- ja kalliotekniikan laitos
Insinöörigeologian ja geofysiikan laboratorio
Jukka Mäkelä
GEOLOGISET YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET KALLIOTILOJEN LOUHINNASSA
Diplomi-insinöörin tutkintoa varten tarkastettavaksi jätetty diplomityö
Espoossa 26.05.1992
Työn valvoja: Professori Heikki Niini
Työn ohjaaja: FM Reijo Saikkonen
Tekijä: Jukka Mäkelä
Työn nimi: Geologiset ympäristövaikutukset kalliotilojen louhinnassa Päivämäärä: 26.5.1992 Sivumäärä: 87
Osasto: Prosessi- ja Professuuri: Mak-33 materiaalitekniikan osasto
Laitos: Materiaali- ja kalliotekniikan laitos
Työn valvoja: Professori Heikki Niini Työn ohjaaja: FM Reijo Saikkonen
Esillä olevassa diplomityössä on tutkittu geologisia ympäristövaikutuksia kalliotilojen louhinnassa. Ympäristövaikutuksia on tarkasteltu erityisesti taloudellisten minimointipyrkimysten kannalta.
Työssä tarkasteltiin valittuja kaivos- ja kalliorakennuskohteita kirjallisen dokumenttiaineiston, haastattelujen ja omakohtaisten lisähavaintojen perusteella tavoitteena louhintaprojektien talouden parantaminen entistä tarkemman geologisen tutkimus- ja seurantasysteemin avulla.
Vaikuttavat geologiset tekijät jaettiin staattisiin ja dynaamisiin tekijöihin.
Staattisia tekijöitä ovat ominaisuudet ja rakenteet, ja dynaamisia tekijöitä ovat muuttuvat ilmiöt kuten veden vuotaminen ja deformaatio.
Tarkasteltavia kohteita oli neljä. Niistä kaksi oli kallionrakennushanketta Paijannetunneli ja Helsingin metron Kamppi-Ruoholahti osuus, ja kaksi kaivoskohdetta. Outokumpu ja Vammala. Vedensiirtotunneli Päijänne- tunnelin osalta tarkemman tarkastelun kohteena on rakoilun vaikutus pohjavesivahinkoihin. Helsingin metron Kamppi-Ruoholahti osuuden osalta vastaavasti tarkemman tarkastelun kohteena on geologian merkitys metron rakentamisessa ja pohjaveden hallinta.
Loppuunlouhitusta kaivoksesta on esimerkkinä Outokummun kaivos, jossa tarkemman tutkimuksn kohteena on deformaation seuranta ja ennakointi.
Toinen kaivoskohde on lähitulevaisuudessa ehtyvä Vammalan kaivos.
Tarkastelun kohteena Vammalan osalta on kaivosalueen kaivostoiminnan jälkeinen käyttö.
Kalliorakennushankkeen suunnittelu- ja tutkimusvaiheet on jo vanhastaan jäsennelty ohjeelliseksi järjestelmäksi, johon tämän työn tuloksena voidaan ja kannattaa tehdä tietyt tutkimusohjeita koskevat lisäykset. Erityisesti
ympäristövaikutusten, kuten yleensäkin geologisten tekijöiden, optimaali
sessa huomioonotossa korostuvat systeemin alkuvaiheet.
3
ALKUSANAT
Esillä oleva diplomityö on tehty Vuorimiesyhdistyksen ja sen geologisen toimikunnan tuella koskien geologisten
ympäristövaikutusten kvantitatiivista huomiointia. Työn valvojana on toiminut professori Heikki Niini ja ohjaajana FM Reijo Saikkonen.
Edellä mainituille henkilöille ja tahoille haluan osoittaa kiitokset siitä tuesta, jota diplomityötä tehdessäni heiltä sain. Kiitoksen myös kaikille haastattelemilleni henkilöille.
Erityiset kiitokset haluan vielä osoittaa vankoille tukijoukoille, niin kotona kuin koulussakin, siitä kärsivällisestä tuesta, mitä olen saanut kokea.
Helsingissä 26.05.1992
Jukka Mäkelä
TIIVISTELMÄ ALKUSANAT
1. JOHDANTO 6
1.1 Ympäristövaikutusten luonne 7
1.2 Työn tavoite ja menetelmä 9
2. AIEMMAT TUTKIMUKSET Ц
3. VAIKUTTAVAT GEOLOGISET TEKIJÄT 12 3.1 Suomen kallioperä kalliotilojen kannalta 12 3.2 Staattiset tekijät: ominaisuudet ja rakenteet 16 3.21 Rakenteelliset tekijät 16 3.22 Mekaaninen rikkonaisuus ja rapautu- 17
minen
3.23 Veden johtavuus 18
3.24 Anisotropia ja epähomogeenisuus 18 3.3 Dynaamiset tekijät (muuttuvat ilmiöt) 20 3.31 Kallion rikkoutuminen ja sortumat 20
3.32 Veden vuotaminen 22
3.33 Hydraulinen gradientti ja sen muu- 23 tokset
3.34 Hidas deformaatio: mm. painuminen 24 3.35 Radonin purkautuminen 25 4. ESIMERKKEJÄ ERILAISISTA KOHTEISTA 27 4.1 Vedensiirtotunneli Päijännetunneli 27
4.11 Yleistä 27
4.12 Geologiset esitutkimukset 30 4.13 Rikkona!suusrakenteen vaikutus 31
sisäänmenoihin
4.14 Rakoilun vaikutus pöhjavesivahinkoihin 32 4.2 Helsingin metro: osuus Ramppi-Ruoholahti 33
4.21 Yleistä 33
4.22 Kalliotutkimukset 36
4.23 Geologinen kuvaus 37
4.24 Geologian merkitys metron rakentami- 39 sessa
4.25 Pohjavedenhäninta 40 4.3 Loppuunlouhittu kaivos: Outokumpu 43
4.31 Yleistä 43
4.32 Outokummun yleinen geologia 44
4.33 Painumat ja sortumat 45
4.34 Deformaatioiden seuranta ja hallinta 47
4.4 Ehtyvä kaivos: Vammala 51
4.41 Yleistä 51
4.42 Alueen yleinen geologia 52 4.43 Störmin ultramafinen intruusio 54 4.44 Kovero-ojan intruusio 56 4.45 Geologiset ympäristötekijät Vammalan 57
kaivoksen jälkihoidon kannalta
4.46 Vammalan kaivosalue kaivostoiminnan 58 jälkeen
5. HAITTAVAIKUTUSTEN VÄHENTÄMISTOIMENPITEET 60 5.1 Otollisen geologisen muodostuman valinta 60 5.2 Suuntausmääritys geologiseen suuntaukseen näh- 62
den
5.3 Konstruktioiden mitoitus 63
5.4 Työtavan sovittaminen geologisiin oloihin 65
5.41 Louhinta 65
5.42 Lujitus ja tiivistys 65
5.43 Veden pumppaus 66
5.5 Tuotteiden ja jätteiden käsittelyn suunnittelu 66 5.6 Kalliotilan käyttöaika ja -tarkoitus 67 5.7 Teknis-taloudelliset analyysit ja selvitykset 68 5.71 Havainnointi-,mittaus- ja 68
määritysmenetelmät
5.72 Geologiset ennakkotutkimukset 75 5.73 Vertailu- ja tulkintamenetelmät 77
6. YHTEENVETO: TUTKIMUSOHJEISTO 80
LÄHDELUETTELO 83
LIITTEET 85
/
Louhinta aiheuttaa ympäristössään muutoksia, jotka eivät yleensä ulotu laajalle, mutta saattavat olla huomattavia louhintaprojektin lähiympäristössä. Louhintaprojektin ympä
ristöön kuuluu välitön työmaa- tai kaivosalue kalliotilan päällä, ja itse kallio niin kauas kuin jokin kohteen aihe
uttama ilmiö tai seurannaisvaikutus vaikuttaa.
Muutosten suuruus ja ympäristövaikutukset riippuvat siitä, onko kysymyksessä avolouhinta, maanalainen louhinta vai niiden yhdistelmä, ja milloin ja millaiseen ympäristöön tila on louhittu. Suomessa louhintaprojektien ympäristövai
kutukset ovat ja ovat olleet suhteellisen pieniä. Jälkihoi
toa ja -tarkkailua ympäristövaikutusten seuraamiseksi tar
vitaan mahdollisten pitkäaikaisvaikutusten, sortumien ja painumien sekä pohjavedessä tapahtuvien muutosten varalta.
Kaivosten osalta seurantaa tulee tehdä myös sulfidikaivos- ten vesien, sivukivikasojen sekä rikastushiekka-alueiden hapettumisen aikaansaaman metallien liukenemisen toteami
seksi ja haittojen estämiseksi.
Ympäristölainsäädäntö ja sen perusteella annetut määräykset ovat viime vuosina kiristyneet ja ovat edelleen tiukentu
massa. Kalliotilojen louhinnassa ympäristötekijät tulee huomioida suunnittelussa, työn aikana sekä jälkihoidon kan
nalta. Kaivostoiminnan harjoittajan tulee jättää ja saattaa kaivosalue ympäristöineen toiminnan loputtua sekä kaivos
lain että yleisen inhimillisen moraalin edellyttämään tur
valliseen ja siistiin tilaan, missä vaatimukset tuntuvat yhä kiristyvän.
Kalliotilan louhinta jättää jälkeensä aina luonnollisesti syntyneen oman aikansa muistomerkin.
7 1.1 Ympäristövaikutusten luonne
Suomen kallioperä voidaan louhittavuuden suhteen jakaa eri
laisiin osa-alueisiin, tosin niiden sisässä ominaisuusvaih- telu on erittäin voimakasta. Jokainen kivilajimuodostuma on kailionrakennustekninen kokonaisuus, jonka porattavuus
riippuu mineraalien laadusta ja raekoosta sekä kiven rik
konaisuudesta ja rapautuneisuus-asteesta. Räjäytettävyys riippuu lisäksi raemuodosta ja kiven liuskeisuudesta. Lou
hitun tilan pysyvyys (tukemistarve) riippuu edellisten li
säksi kallion sisäisestä jännitystilasta, pöhjavesivirtauk- sista, rakojen tiheydestä ja suunnista suhteessa holvin suuntaan sekä rakotäytemineraaleista. Nämä tekijät olisi selvitettävä ennen rakennustyön aloittamista, jotta voitai
siin louhia mahdollisimman taloudellisesti ja rakenteesta tulisi kestävä ja mahdollisimman vähän ympäristöhaittoja aiheuttava.
Kallioon rakennettaessa päästään paljolti eroon sään ja pohjamaan vaihteluiden aiheuttamasta rakennusajan ja kun
nossapidon riskeistä. Tällöin kohdataan kuitenkin kalliora
kentamisen erikoisvaikeudet, joita voivat aiheuttaa kiven laatu, kallion suuntautuneisuus ja rikkonaisuus, kallion sisäiset jännitykset sekä pohjavesi. Asiallisella ennakko- tutkimuksella, suunnittelulla ja rakentamisella vaikeudet ovat voitettavissa ja pystytään minimoimaan taloudelliset kustannukset, ja tekemään pitkällä tähtäyksellä käyttö- ja huoltokustannukset mukaanlukien maanpäällisten rakennusten kanssa kilpailukykyisiä tiloja kallioon.1
Malmin sijainti määrää sen, mihin kaivos rakennetaan. Näin ollen kaivoksen paikka ei ole vapaasti valittavissa, mutta kaivostoiminnan huolellisella ennakkosuunnittelulla voidaan merkittävästi vaikuttaa siihen, miten toiminta muuttaa ym
päristöä tai millaisia haittoja toiminnasta myöhemmin ai
heutuu. Ennakkosuunnittelun ja -tutkimusten huolellisuus ja riittävyys vaativat hieman suurempia alkuinvestointeja ja siten osaltaan nostavat kaivoksen kannattavuuskynnystä,
kalliorakentaminen Suomessa, J.Roinisto, 1986, s. 12-13.
mutta voivat pienentää ratkaisevasti toiminnan lopettamisen jälkihoitokustannuksia.
Puutteellisesta suunnittelusta tai tutkimuksista saattaa aiheutua riskejä, jotka pahimmasssa tapauksessa johtavat hankkeen osittaiseen tai jopa täydelliseen epäonnistumi
seen. Pienetkin puutteet suunnittelussa aiheuttavat helpos
ti merkittäviä taloudellisia menetyksiä. Seuraavana esi
merkkejä mahdollisista riskeistä:
- kalliotilan sijoittuminen liian lähelle maanpintaa tai tunnelin kalliokaton puuttuminen,
- kalliokaton sortuminen kallion epähomogeenisuuden tai puutteellisen lujituksen vuoksi,
- kalliotilan äkillinen täyttyminen vedellä järven tai me
ren alla olevassa tilassa puutteellisen lujituksen ja tiivistyksen johdosta,
- vaikeasti korjattavien ympäristövahinkojen syntyminen, esim. pohjavesipinnan laskiessa arvioitua enemmän,
- pohjavesien likaantuminen liittyen esim. sulfidimalmi- kaivoksilla mineraalien hapettumiseen rikastushiekka-alu- eilla,
- melu, pöly ja radon aiheuttavat vahingollisia seurausil- miöitä, jos niiden vaikutuksia ei huomioida riittävän aikaisin.
Geologisia ympäristötekijöitä käytetään myös hyväksi. Esi
merkiksi sorroslouhinta on hyvä esimerkki geologisten ympä
ristötekijöiden hallitusta hyväksikäytöstä. Yleensä kuiten
kin geologisten ympäristötekijöiden hallinnalla pyritään ennakoimaan ja estämään mahdolliset sortumat ja maanviere- mät. Vaikuttavista geologisista ympäristötekijöistä tarvi
taan lisää tietoa etenkin hitaasta deformaatiosta, eroo
siosta ja hydraulisen gradientin palautumisesta.
9 Ympäristön vaikutukset ovat osin tavoiteltuja ja hallittu
ja, mutta osin yllätyksellisiä ja tahattomia, aiheuttaen usein vahingollisia seurausilmiöitä, jopa katastrofeja.
Ympäristövaikutusten moninaisen luonteen vuoksi myös vas
tuukysymykset erilaisissa tapauksissa on tunnettava perin
pohjaisesti.
1.2 TYÖN TAVOITE JA MENETELMÄ
Työn tavoitteena on parantaa louhintaproj ektien taloutta entistä tarkemman geologisen tutkimus- ja seurantasysteemin avulla. Tarkoitus on selvittää nimenomaan kallioperän vaih- televien rakenteitten, koostumuksen ja geologisten ilmiöi
den osuus louhinnan ympäristövaikutuksiin erityisesti ta
loudellisten minimointipyrkimysten kannalta huomioiden eri
tyisesti heikkousvyöhykkeiden liikunto- ja hydrogeologiset ilmiöt. Työssä keskitytään tutkimustarpeen optimin mitoit
tamiseen ja saatujen tutkimustulosten maksimaaliseen hyö
dyntämiseen, ja sitä kautta parempaan kustannustehokkuu
teen. Työssä haetaan nimenomaan niitä geologisia tekijöitä, jotka aiheuttavat sekä työn- että käytönaikaisia ennakoi
mattomia seurauksia ja niiden kautta lisääntyneitä kustan
nuksia, sekä mahdollisuuksia tarkemmalla tutkimisella, suunnittelulla ja tarkkailulla välttää tai rajata näiden tekijöiden aiheuttamat seuraukset.
Tämän työn kohteiksi on otettu Vuorimiesyhdistyksen geolo
gisen toimikunnan kiinnostuksen mukaisesti sekä perinteisiä kaivoskohteita että huomattavia kallionrakennushankkeita.
Kalliorakennushankkeiden osalta on tavoitteena tarkentaa kaikkiin suunnitteluvaiheisiin liittyviä geologisia tutki
mussuunnitelmia. Suunnitteluvaiheet ja niitä vastaavat tut
kimusvaiheet ovat seuraavat:
Hankesuunnittelu Esisuunnittelu
Hanketutkimus
Yleispiirteinen tutki
mus
Yksityiskohtainen suun
nittelu
Rakennusaikaiset tutki
mukset
Tarkkailututkimukset Rakennussuunnittelu
Rakennusaikainen suunnittelu Käytönaikainen suunnittelu
Kalliotilojen rakennusohjeissa2 sanotaan:
Kalliotutkimuksilla on selvitettävä ennen rakennustyöhön ryhtymistä rakennusalueen kalliopinnan asema, kallion laatu ja rakenne, pohjavesiolosuhteet sekä tarvittaessa maaperä- olosuhteet siten, että kalliorakenteet ja niihin liittyvät muut pohjarakenteet voidaan suunnitella siten, että kal
liotila voidaan rakentaa turvallisesti ja ympäristölle va
hinkoa aiheuttamatta.
Kaivosten osalta on tavoitteena selvittää geologisten ympä
ristötekijöiden merkitystä kaivosten pysyvyyteen etsimällä geologisten tekijöiden kuten kivilajien merkitystä painu
miin ja sortumiin. Työssä selvitetään painumien ja sortumi
en huomioonottamista kaivosten jälkihoidon ja siihen liit
tyvien tekijöiden kuten täyttöjen, kaivosalueiden eristämi
sen ja pohjaveden kannalta. Asiaa tarkastellaan myös kar
toittamalla niitä geologisia tekijöitä, jotka tulee huomi
oida kaivosten jälkihoidossa.
Tutkimus on tehty osaksi kirjallisuustutkimuksena ja osaksi seurantakartoituksena arvioimalla hankitun havaintomateri
aalin perusteella esimerkkikohteiksi valittuja huomattavia jo suoritettuja louhintaprojekteja ja niistä saatuja koke
muksia. Kohteiksi valittuja kaivoksia ja kallioraken
nushankkeita on arvioitu paitsi kirjallisen dokumenttiai
neiston, nimenomaan haastattelujen ja omakohtaisten koke
musten perusteella.
kalliotilojen rakennusohjeet RIL 169-1987. Suomen Raken
nusinsinöörien Liitto ry., 1987,s.97.
11 Kalliorakennushankkeista on valittu esimerkkikohteiksi kak
si erityyppistä louhintakohdetta. Helsingin alueen veden
hankintaa palveleva Päi jännetunneli on esimerkki kunnallis
tekniikan kalliotilasta vesihuollon osalta, ja tarkemman tarkastelun kohteena on siinä rakoilun vaikutus pohjavesi- vahinkoihin. Helsingin metron osuus Kamppi-Ruohonlahti on esimerkki yleiseen käyttöön tarkoitetusta 1iikennetunnelis
ta . Tarkemman tarkastelun kohteena siinä on geologian mer
kitys metron rakentamisessa ja pohjaveden hallinta.
Loppuunlouhitusta kaivoksesta on esimerkkinä Outokummun kaivos, jossa tarkemman tutkimuksen kohteena on deformaati
on seuranta ja ennakointi ja sen huomioonottaminen kaivok
sen jälkihoidon kannalta. Toinen kaivoskohde on lähitule
vaisuudessa ehtyvä Vammalan kaivos. Kaivosalueiden ja kai
vosten jälkihoidon osalta lainsäädäntö jatkuvasti tiukentu
nut, ja Vammalan piakkoin suljettava kaivos on tarkemman tarkastelun kohteena kaivosalueen kaivostoiminnan jälkeisen käytön osalta.
Työmaahavaintoja olen itse ollut tekemässä kohteista kah
della, Outokummun ja Vammalan kaivoksilla, ja suunnittelu- tutkimuksissa olen omakohtaisesti ollut mukana Helsingin metron länsijatkeella. Tutkimuksen neljästä esimerkkikoh
teesta vain Päijännetunneli oli kokonaan vanha kohde, mutta sen käsittelyssä oli käytettävissä koko TVH:n vuosina
1965 - 68 suoritetun yleissuunnittelun geologinen aineisto.
2. AIEMMAT TUTKIMUKSET
Geologiset ympäristövaikutukset kalliotilojen louhinnassa on Vuorimiesyhdistyksen hankkeitten VMY A 75/1986, Heik
kousvyöhykkeiden geofysikaaliset tutkimusmenetelmät, ja A 84/1988, Näytteenotto ja havainnonteko kaivosteknisten kal
lio-ominaisuuksien selittelyssä, jatkoprojekti liittyen kalliorakentaminen 2000 projektiin.
Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen julkaisema rakennus
geologinen kallioluokitus (Korhonen y.m. 1974, 91 s.) so
veltamisohjeineen (VTT, 1976, 41 s.) on systematisoinut erityisesti louhinnan kannalta kuvattavat kallioperän ja kivilajien piirteet. Suomen Rakennusinsinöörien Liiton kä
sikirjan "Maa- ja kalliorakennus" (RIL 98, 1976, 520 s. ) pääosa käsittelee kalliorakentamista seikkaperäisesti täy
dentäen ja selittäen edellämainittuja VTT:n selvityksiä.
Käsokirja ei käsittele kaivoksia, mutta monissa kohdissa kaivoslouhintoihin läheisesti rinnastettavia tapauksia.
Suomen Geoteknillisen Yhdistyksen "Rakennusalan kal
liotutkimusohjeet" (RKO-79, 53 s.) esittää järjestelmälli
set ohjeet louhintahankkeitten tutkimusvaiheista, -teki
jöistä ja -toimenpiteistä erilaisissa tapauksissa.
Maanalaisten tilojen rakentamisyhdistyksen julkaisemat kir
jat, Kalliorakentaminen Suomessa (Roinisto, 1986) ja Kal
liorakentamisen mahdollisuudet (Saari, 1988), kertovat kal
liorakentamiseen liittyvistä tutkimuksista ja suunnittelus
ta. Niissä esitellään myös keskeisiä suomalaisia kalliora
kennushankkeita ja niistä saatuja kokemuksia.
3. VAIKUTTAVAT GEOLOGISET TEKIJÄT
3.1 SUOMEN KALLIOPERÄ KALLIOTILOJEN KANNALTA
Suomen kallioperän kivilajit ovat kiteisiä, kovia ja kiin
teitä. Ne ovat muodostuneet joko magman hitaasti jäähtyessä ja kiteytyessä, tulivuoritoiminnan tuotteina tai eroosion synnyttämien sedimenttien iskostuessa, kovettuessa ja ki
vettyessä. Lähes kaikki kivilajit ovat syntynsä jälkeisten 1.6 - 3.2 miljardin vuoden aikana muuttuneet eli metamor- foituneet vuorijonopoimutuksissa korkean lämmön ja paineen vaikutuksesta.
\
13 Suomen prekambrinen kallioperä sisältää kovempia ja lujem
pia kivilajeja kuin geologiselta iältään nuoremmat alueet.
Suuri osa Suomenkin kivilajeista on ollut muodostuessaan pehmeitä ja rakennusgeologisesti heikkoja, mutta metamor
foosissa ne ovat saaneet nykyisen mineraalikoostumuksensa ja kiderakenteensa. Samalla ne ovat kallion poimuttuessa ja rakoillessa gneissiytyneet tai liuskeutuneet nykyisen
laisiksi, eli samanlaiseksi peruskallioksi kuin mitä tava
taan muilla vanhoilla kilpialueilla muun muassa Kanadassa, Ukrainassa, Keski-Afrikassa ja Australiassa.3
Rakennusgeologisten kivilaatujen alueellisen yleisjakautu
misen mukaan voidaan Suomi jakaa viiteen suuralueeseen (ku
va 1). Mikään alue ei kuitenkaan ole kivilaatuvaihtelujen eikä tektoniikan pikkupiirteiden puolesta homogeeninen.
Useimmilla rakennusgeologisilla kivilaatualueilla esiintyy monenlaista sisäistä vaihtelua pääkivilaadun vuorotellessa paikoin tiheästikin muunlaisten kivilaatujen kanssa. Yhte- näisempiä suuralueita kivilaadultaan ja rakennusteknisiltä ominaisuuksiltaan ovat rapakivialueet. Myös Keski-Suomen graniittialue on kivilajivaihteluistaan huolimatta raken
nusgeologisilta ominaisuuksiltaan varsin homogeeninen.
I Massamaisten kivilaatujen alueet: Vallitsevina ovat
yleensä melko rapautumattomat kivilaadut. Rapakivialueilla ja Keski-Suomessa esiintyy silti paikoin laajoja pintara- pautumia. Alueet ovat teknisiltä ominaisuuksiltaan muita kivilaatualueita yhtenäisempiä.
II Jyrkkäkaateisten kohtalaisesti liuskeisten kivilaatujen alueet: Vallitsevana kivilajina on melko rapautumaton gra- niittigneissi, joka on mineraalikoostumukseltaan vaihteleva ja muita graniittisia kivilajeja epähomogeenisempi. Kuopion seudulla ja Koillis-Lapissa esiintyy paikoin runsasta ra
pautumista.
kalliorakentaminen Suomessa, J.Roinisto,1986 s. 12-13
III Voimakkaasti liuskaisten ja seoksisten kivilaatujen alueet: Rakoilun kaade on yleensä jyrkkä tai pysty, mistä syystä pientopografian piirteet ovat yleensä rauhattomampia ja vaihtelevampia kuin muilla alueilla. Liuskeisuus on voi
makasta ja kivilaatuvaihtelu on runsasta.
Kuva 1. Rakennusgeologiset kivilaatualueet.4
Rakennusalan kallioluokitus, P. Vähäsarja ja H. Niini, VTT, 1974, s. 41.
15 IV Loivakaateisten liuskeiden ja raitaisten kivilaatujen alueet: Vallitsevana on liuskeisuusasteeltaan vaihteleva granaattipitoinen gneissi (granuliitti). Rakoilun kaade on yleensä 5°-45°. Rakenteellisena ja myös teknisesti merkit
tävänä erikoispiirteenä on lujuudeltaan vaihtelevien kivi- patjojen aiheuttama kerroksellisuus.
V Pehmeiden kivilaatujen alueet: Alueet muodostuvat muuttu
mattomista sedimenttikivilajeista tai heikosti muuttuneista paleotsooisista liuskeista, jotka ovat lujuudeltaan heikom
pia kuin muut kivilaadut.
Kalliotilojen stabiilius riippuu oleellisesti seuraavista tekijöistä:
kallioperän geologinen rakenne, jolloin geologi
sella kululla, liuskeisuuden suunnalla ja heik
kousvyöhykkeiden sijainnilla tilojen sijaintiin verrattuna on keskeinen merkitys.
kallioperässä vaikuttavasta primäärijännitystilas
ta
tilojen muoto ja kalliokattopaksuus, useampien tilojen ollessa kyseessä niiden välisestä etäisyy
destä, vesivuodot tärinä.
Kaikista edellä mainituista tekijöistä riippuu, millainen on tilojen ympärilleen aiheuttama sekundaarinen jännitysti
la. Jännitystilan huippuarvojen ja paikallisten kivilajien murtolujuuksien keskenäinen suhde ratkaisee lopullisesti tilojen stabiiliuden. Mikäli tilojen stabiilius on heikko, on syytä suorittaa stabiilisuuden jatkuvaa tarkkailua pai
kallisiin olosuhteisiin soveltuvalla menetelmällä.
Kallioperän tutkijan pitäisi pystyä antamaan louhintatyön suorittajalle tai kallion käyttäjälle vastaukset mm. seu- raaviin kysymyksiin:
tunnellen suuntien määritys
sopivien tunneli- ja kuilualueiden määritys
- väliseinien, pilarien jne. tarvittavien dimensioi
den määritys
suurimman jännevälin ja seinäkorkeuden valinta kallioseinämien ja -pintojen stabiilisuus
tarvittavien tukemistoimenpiteiden arvioiminen arvio tukirakenteiden konstruktioille
työskentelyn aiheuttamien sortumamahdollisuuksien arviointi
veden ja muiden nesteiden läpäisykyvyn arviointi sopivat työtavat.
Tämä edellyttää, että pystytään erittelemään niiden teknis
ten seikkojen olennaiset tekijät ja niitten riippuvuus edellä mainituista geologisista tekijöistä kussakin eri
luonteisessa kohteessa.
3.2 STAATTISET TEKIJÄT: ominaisuudet ja rakenteet 3.21 Rakenteelliset tekijät
Kivilajien laatu ja lujuus määräytyvät mineralogisista ja rakenteellisista tekijöistä kuten raekoosta, kidemuodosta ja rakeiden järjestäytyneisyydestä. Yleensä mitä karkeara- keisempi kivilaji sitä pienempi sen lujuus, mutta myös hie- norakeisen liuskeisen kivilajin lujuus voi olla pieni kuor
mituksen tapahtuessa epäedullisesta suunnasta liuskeisuu- teen nähden.
Kivilajin lujuuteen vaikuttaa kuormitussuunnan lisäksi kuormitustapa eli, onko kuormitus puristusta, leikkausta vai vetoa. Kivilajien lujuus pienenee edellä mainitussa järjestyksessä. Kivilajien leikkauslujuus on noin vähän alle puolet puristuslujuudesta ja vetolujuus on noin kym
menesosa puristusluj uudesta.
3.22 Mekaaninen rikkonaisuus ja rapautuneisuus
Rakoilun parametrit ovat rakojen esiintymistiheys, avoi
muus, mutkaisuus eli karheus, rakopintojen laatu, rakotäyt- teen laatu ja ominaisuudet sekä rakojen pituus ja yhteys toisiinsa. Rakojen esiintymistiheyden kasvaessa pienenee yleensä kallion lujuus ja mikäli on useita päärakosuuntia pilkkoutuu kallio kappaleiksi, joiden todennäköisyys irrota kalliotilan katosta tai seiniltä on sitä suurempi mitä
useampia rakosuuntia esiintyy.
Kalliolohkareen mahdollisuuteen irrota vaikuttaa edellä mainitun lisäksi raon leikkauslujuus, joka on raon koheesi
on ja rakopintojen kitkertoimen funktio. Mikäli rako on avoin, jolloin koheesio ja kitka ovat nollia, on kalliokap- paleen irtoaminen helpompaa kuin jos rako on tiivis ja sen rakopinnat ovat rosoiset. Rakojen koheesio ja kitka ovat pienet, jos rakopinnoilla esiintyy kiillemineraaleja. Rako
jen kaateen ollessa jyrkkä tapahtuu sortuminen helposti tälläista pintaa pitkin.
Rakotäytteen laadulla ja paksuudella on merkittävä vaikutus raon lujuuteen. Raon lujuus voi joskus jopa ylittää kallion lujuuden (kiinni iskostuneet juonet). Lujuus on huomatta
vasti pienempi, jos rakotäyte on ruhjoutunutta materiaalia, pahimmassa tapauksessa täytemateriaali on paisuvaa savea.
Rakojen ollessa jatkuvia eli niiden ollessa pitempiä kuin esim. perän leveys kasvaa kalliokappaleiden irtoamisalttius lyhyisiin rakoihin verrattuna.
Ruhjeet muodostuvat useista toisiinsa liittyvistä raoista ja ne sisältävät usein irrallista materiaalia täytteenään.
Ruhjeiden vaikutus on yleensä hyvin suuri. Ruhjeet ovat useimmiten alunperin muodostuneet siirroksina. Siirros voi muodostaa paitsi heikkouskohdan, myös terävän epäjatkuvuus- linjan jota pitkin kalliotila saattaa holvautua. Liuskei- suuteen ja kerroksellisuuteen liittyy usein niiden suuntai
nen rakoilu, jota myöten tapahtuu kallion laattautuminen.
Kerrospaksuuden pienetessä ja liuskeisuuden kasvaessa li- 17
säärvtyy yleensä kivilaattojen irtoamisalttius.
3.23 Vedenjohtavuus
Veden virtaus kalliossa on riippuvainen kahdesta tekijästä, hydraulisesta gradientista ja kallion vedenjohtavuudesta.
Vedenjohtavuutta kuvataan kertoimella k, joka määritetään:
k = v / i
jossa k vedenjohtavuus (m/s) v virtausnopeus (m/s)
i hydraulinen gradientti (m/m), eli vedenpaineen aleneminen tarkasteluvälillä.
Vedenjohtavuus puolestaan riippuu kallion huokoisuudesta ja huokosten muodosta, suunnista ja keskinäisistä yhteyksistä.
Kiteisen kallioperämme kivilajit eivät itsessään ole huo
koisia kuten sedimenttiset kivet tai kvartäärisen maaperäm
me maalajit. Vesi liikkuu kallioperässämme pääasiassa vain avonaisissa raoissa. Rakojen avonaisuus riippuu puolestaan mm. vallitsevasta jännitystilasta. Rakojen määrä ja rakoi- lusysteemien yhtenäisyys sekä rakojen täytteisyys ja ra- kosuunnat ovat vaikuttavia tekijöitä. Pohjavettä johtavat ja varastoivat eniten ruhjeet.
Vedenjohtavuuteen vaikuttaa myös rapautumisaste. Pitkälle rapautuneissa tai mineraaleiltaan voimakkaasti muuntuneissa ruhjeissa vedenjohtokyky on jonkin verran laskenut.
3.24 Anisotropie ja epähomogeenisuus
Anisotropia merkitsee aina jonkin materiaaliominaisuuden riippuvuutta suunnasta, joten tämän riippuvuuden määrittä
minen edellyttää aina suuntautuneisuuden peruslaadun tark
kaa määrittämistä ja suunnan mittaamista sekä tarkastelta
van muun ominaisuuden arvon määrittämistä sen suhteen
useissa eri suunnissa. Suuntautuneisuus voi ilmetä seuraa
vasti :
- Sedimenttikivilajien alkuperäisenä eri koostumuksisten patjojen muodostamana kerroksellisuutena tai kerrallisuu
tena. Materiaalisten vaihteluiden skaala vaihtelee mil
leistä kilometreihin.
- Magmakivien alkuperäisinä terävinä koostumusrajoina (kon
takteina), joita voivat aiheuttaa juonet, kerrosintruusi- ot, perättäiset laavapurkaukset tai jähmettynyt juoksura- kenne.
- Sedimentti- tai magmakivimassiivin metamorfoosissa saama
na liuskeisuutena tai viivauksena, joka on suunnannut tiettyjä mineraaleja tilastollisesti yhdensuuntaisiksi.
Tämänlaatuinen anisotropia voi leikata edellä mainittuja anisotropioita aiheuttaen monimutkaista epähomogeenisuut- ta.
19
- Minkä tahansa edellä mainitun tyypin tai koostumukseltaan homogeenisen kallion suuntautuneena rakoiluna. Muuten suuntautumattomassa kalliomassassa pelkkä pinnanläheinen ja pinnansuuntainen rakoiinkin saattaa aiheuttaa selvän muihin ominaisuuksiin vaikuttavan anisotropian.5
Anisotropia jakautuu, kuten kaikki muutkin geologiset omi
naisuudet, vaihtelevan kokoisiin ja muotoisiin osueisiin, kalliolohkoihin, jotka liittyvät toisiinsa yksilöllisen epäsäännöllisesti.Tästä aiheutuu vähänkin suuremmalla alu
eella aina ilmenevä kiusallinen epähomogeenisuus. Kal
liomassan keskeisten materiaaliominaisuuksien anisotropiaan ja epähomogeenisuuteen voimakkaimmin vaikuttavia geologisia tekijöitä ovat rakoilu ja varsinkin rikkonaisuusvyöhykkeet.
5H. Niini, P. Patrikainen ja K. Lumiaho, Korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoitukseen vaikuttavat kallion materi
aaliominaisuudet, GTK 1983, s. 10 - 11.
3.3 DYNAAMISET TEKIJÄT
3.31 Kallion rikkoutuminen ja sortuminen
Kallion primäärijännitystila vaikuttaa tilan pysyvyyteen lähinnä louhitun tilan ympärille muodostuvien sekundääri- jännitysten laadusta ja suuruudesta riippuen. Lujitustar- peeseen vaikuttaa itse asiassa kallion jännitystilan suhde lujuuteen. Mitä suurempi tämä suhde on, sitä suurempi
yleensä lujitustarvekin on. Jännitystilan merkitys kasvaa pääsääntöisesti syvemmällä kalliossa, kun taas lähellä maanpintaa on rakoilulla suurempi merkitys.
Suomessa suoritettujen jännitystilamittauksien mukaan val
litsevat kalliossa melko suuret vaakasuorat jännitykset jo lähellä kallion pintaa ja jännitystilan suurin komponentti on usein geologisen kulun suuntainen.
Suomessa tavattavien kivilajien murtolujuudet vaihtelevat välillä 1000-3000 kp/cm2 ja vastaavat vetomurtolujuudet ovat vain 0.5-2.5 % puristusmurtolujuudesta. Koska kal
lioperässä esiintyy aina sellaisia heikkoustekijöitä, joi
den huomioon ottaminen ei ole mahdollista, on arvoja käy
täntöön sovellettaessa käytettävä varmuuskerrointa.
Kallioon louhitun tilan ympärilleen aiheuttama jännitys- kenttä aiheuttaa kallion särkymistä, lohkaroitumista, mikä
li jännitykset paikallisestikin ylittävät kivilajin murto- lujuuden. Lohkaroituminen havaitaan komujen irtoamisena ja voimakkaina ääniefekteinä, nk. kallioräiskeenä. Lohkaroitu- misen etenemistä voidaan myös tarkkailla mm. mikroseismi- sillä mittauksilla. Lohkaroitumistapahtuman vaikutuksesta kokonaistilanteen uudelleen muotoutuminen tapahtuu seuraa
vasti :
Lohkaroitumisen vaikutuksesta tilan muoto muuttuu ja samal
la muuttuvat tilan pinnalla vallitsevat tangentiaalijänni
tykset. Jo lohkaroituneen osan käyttäytymistä ja ominai
suuksia voidaan approksimoida plastisella käyttäytymisellä.
Lohkaroituminen etenee niin pitkälle, että on saavutettu
21
"tilanne, jolloin jännitykset ovat laskeneet arvoihin, jotka ovat pysyvästi kiven murtolujuuksia pienempiä. Lohkaroitu- neen osan stabiilius riippuu lohkareiden välisissä rakopin- noissa vaikuttavasta kitkasta. Jos lohkareiden välinen kit
ka ei ole tarpeeksi suuri pitämään niitä paikallaan, ne irtoavat komuina. Tällöin voivat komujen muodostumiseen vaikuttaa edistävästi useat tekijät, kuten rakopinnoilla liikkuva vesi tai tärinäaallot. Niiden vaikutus on sekun
däärinen. Primäärisenä syynä heikkoon stabiiliuteen on jän
nitystilan aiheuttama lohkaroituminen.
Huomattavia ihmisen aiheuttamia maanvieremiä on tapahtunut erilaisissa maakerroksissa varsinkin maa- ja vesirakennus- töiden yhteydessä. Jyrkissä kallioleikkauksissa ja avo
louhoksissa on myös tapahtunut lähinnä pieniä kalliosortu
mia. Kaivoksissa tapahtuneista sortumista enemmän kai- vosesimerkkien yhteydessä tuonnempana (ks. luku 4.3).
Tyypillisiä maanvieremiä kuvassa 2. Useimmat maanvieremät ovat osittain eri tyyppien yhdistelmiä.
4
Kuva 2: Suomen maanvieremätyyppejä: 1 kivivyöry, 2 laatta- liuku, 3 rotaatiovieremä, 4 mutavirta.6
6Niini, H.: Ihmisen vaikutus maanvieremiin, Geologian tutki
muskeskus, Tutkimusraportti 105, 1991
Huomattavin osa maanvieremistä tapahtuu aina yllätykselli
sesti. Varsinkin erilaisten maanrakennustöiden kuten teiden ja rautateiden louhintatärinöiden seurauksena voi tapahtua pieniä odottamattomia maanvieremiä. Yllätyksellisyys riip
puu paljolti siitä, kuinka hyvin paikalliset olosuhteen tunnetaan ja on otettu huomioon.
3.32 Veden vuotaminen
Veden runsas esiintyminen kalliossa aiheuttaa pysyvyyson- gelmia sekä työn aikana että tilojen jatkokäytössä. Vesi aiheuttaa raoissa ja ruhjeissa liikkuessaan raontäytteen poishuuhtoutumista ja se toimii ikäänkuin voiteluaineena rakopintojen välillä. Veden paineen ollessa suuri aiheuttaa se rakopintojen erilleen työntävän voiman ja pienentää tä
ten raon leikkauslujuutta.
Vesi nopeuttaa kallion rapautumista ja heikentää näin kal
lion lujuutta. Vesi voi myös estää tiettyjen lujitus- menetelmien käytön esim. huutomalla ruiskubetonimassan pois. Vesi kiihdyttää myös pulttiteräksen ruostumista, jol
loin lujitus on mahdollisesti uusittava tietyin välein.
Koska kalliotilojen stabiilius riippuu viime kädessä rako- pintojen rajoittamien kalliolohkojen välisestä kitkasta, on vedellä stabiiliutta heikentävä vaikutus. Tämä johtuu mm.
seuraavista asioista:
- Rakosysteemiä pitkin liikkuva vesi kuljettaa helposti mu
kanaan rakojen täyteainekset ja vähentää siten lohkojen välistä kitkaa.
- Veden oma hydrostaattinen paine vaikuttaa stabiiliutta heikentävästi.
- Vesi toimii lohkojen välissä voiteluaineena.
- Veden vaikutukset ovat yleensä jatkuvia.
- Veden jäätyminen
Pohjaveden huomattava vuotaminen kalliotiloihin ja pois- pumppaaminen aiheuttaa myös aina pöhj avesioloj en muutoksia kalliotilan päällä ja lähistöllä muine seurausvaikutuksi
neen, joista tarkemmin luvussa 4.2 .
3.33 Hydraulinen gradientti ja sen muutokset
Huokoisessa väliaineessa virtaavan veden nopeus voidaan määrittää Darcyn yhtälöstä v=ki (ks. 18).
Virtaamanopeus on virtaama jaettuna huokoisen aineen poik
kileikkauksen kokonaispinta-alalla, johon kuuluvat sekä kiinteä aines että virtaukselle avoin huokostila. Virtaa
manopeus ilmoittaa vesimäärän suuruuden aikayksikössä pin
ta-ala yksikköä kohden.
Darcyn lain mukaisista pohjaveden virtausnopeutta säätele
vistä parametreistä vedenjohtavuus on merkityksellisin. Sen vaihtelu on luonnon muodostumissa erittäin laaja. Poikkeuk
sellisen suuria johtavuuksia esiintyy onkalomaisissa raken
teissa. Mitä hienojakoisempaan väliaineeseen siirrytään, sen pienempiä vedenjohtavuudet ovat.
Hydraulinen gradientti vaihtelee myös suuresti riippuen muodostumien olosuhteista. Kun pöhjavedenpinta hienorakei- sissa maalajeissa, loivapiirteisen topografian vallitessa myötäilee maanpinnan muotoa, kuvastaa tämä myös pohja- vesialtaan hydraulista gradienttia.
Veden kierto kallioperässä riippuu topografisista, hydrolo
gisista, ja geologisista olosuhteista. Veden liike edellyt
tää gradientin muodostumista hydraulisesti yhtenäisissä kalliovesivyöhykkeissä, joita pääasiassa esiintyy vain kal
lioperän pintaosissa.
Ilmeisesti kiteisen kallioperän luonnollinen rakoilusystee- mi muodostaa monimutkaisen kolmiulotteisen virtausverkon heterogeenisessä, anisotrooppisessa kallioperässä. Olosuh
teet kiteisessä kallioperässä viittaavat paremminkin syväl
le vajoavan ja syvällä esiintyvän pohjaveden kerääntymiseen stagnanttiin tilaan osassa kallioperää ja toisaalta osassa kallioperää syvällekin ulottuvaan lyhyeen virtaukseen.7
23
7Seppo Mustonen, Sovellettu hydrologia,1986, s. 113.
Kaikki louhitut kalliotilat, jopa kairaus- ja porausreiät muuttavat lopullista hydraulista gradienttia, mistä voi aiheutua radikaaleja seurausvaikutuksia.
3.34 Hidas deformaatio
Louhittujen tilojen stabiiliutta heikentävät ilmiöt eivät ilmene kaikki välittömästi louhinnan jälkeen, vaan niiden ilmenemiseen saattaa kulua jopa useita vuosia siitä kun louhinta on suoritettu. Tämän takia aikatekijä on aina huo
mioitava.
Koska kallioperän sisäisten ilmiöiden tarkkailu louhittujen tilojen ulkopuolella on vaikeaa, perustuvat aikatekijää koskevat tutkimukset kokemusperäisiin havaintoihin ja niis
tä vedettyihin johtopäätöksiin. Kuvassa (3) on esitetty eräässä öljyliuskeeseen louhitussa säiliötilassa suoritetut tutkimukset. Tuloksista voidaan havaita stabiiliuden (katon painumisen) olevan yhteydessä louhinnan etenemiseen, mutta katto painuu myös muina aikoina. Seuranneesta epästabiilis
ta tilanteesta on seurannut sortuminen, joka on ollut yh
teydessä myös tilan muotoon. Kuvaajista näkyy muototekijöi
den voimakas vaikutus.
Osittaisen tai täydellisen sortuman tarkkaa ajankohtaa on vaikea arvioida. Siihen vaikuttaa näennäisesti vähämerki
tykselliset asiat kuten vesi ja liikenteen tai teollisuuden aiheuttama tärinä. Häiriön jatkuvavaikutteisuus on yksi keskeinen tekijä. Rakenteiden käyttöönoton jälkeenkin olisi tilannetta pystyttävä jatkuvasti seuraamaan esimerkiksi tarkkuusgeodeettisilla mittauksilla, joilla tarkkaillaan tilaa rajoittavien pintojen liikkeitä, mikroseismisillä mittauksilla ja jännitystilan muutosten mittauksilla.
I 25
Phase
J__ü_L U__I_1
Plan—dimensjons of the testroom
8
. 2
Phase 5
8 8
X X
34x100 40x100
= v
50x100—
In h
SX o 1 o pj 6
X o . 7
3 CG
8 3
9
P
“ïcT
iti
il pj
12 13
Kuva 3: Öljysäiliön katon painuminen.
3.35 Radonin purkautuminen
Radon on hajuton, mauton ja näkymätön radioaktiivinen kaa
su, joka pääsee helposti liikkumaan maaperän huokosissa.
Radonia syntyy jatkuvasti kallio- ja maaperässä olevan uraanin hajotessa ja muuttuessa lopulta lyijyksi. Radonin puoliintumisaika on 3,8 vrk. Se hajoaa edelleen lyhytikäi
siksi hajoamistuotteikseen, jotka helposti tarttuvat ilmas
sa oleviin hiukkasiin. Hengitysilman mukana hajoamistuot
teita joutuu myös keuhkoihin. Radonpitoisuus ilmoitetaan becquereleinä (Bq) ilman kuutiometriä kohti.
Kohonneita radonpitoisuuksia voi esiintyä maanalaisissa tiloissa ja rakennusten pohjakerroksissa. Tyypillisiä esi
merkkejä ovat kaivokset ja louhintatyömaat, varastot ja tunnelit. Näiden yhteisenä tunnusmerkkinä on, että tiloja käytetään louhinnan jäljiltä sellaisenaan.
Yleiseen käyttöön louhituissa kalliotiloissa saa olla vain alhaisia radonpitoisuuksia. Näissä vesivuodot onkin yleensä tukittu tai vesi johdettu nopeasti pois kalliotiloista, kalliopinnat ruiskubetonoitu ja maalattu, sekä tiloissa on koneellinen ilmanvaihto.
Suomen kaivoksissa on radonsäteilystä tehty havaintoja jo 1950-luvun lopulla. 1970-luvulta lähtien on radonmittauksia suoritettu kaikissa kaivoksissa. Kaivosmiesten radonaltis
tus on saatu hyvin pieneksi siitä lähtien, kun asia tiedos
tettiin ja kaivosten tuuletustekniikkaa kehitettiin. Yksit
täisissä kaivoksissa on kuitenkin esiintynyt suurehkojakin radonpitoisuuksia, sillä suuret vaihtelut johtuvat primää
risesti kallioperän uraanipitoisuuden suurista vaihteluista eri kivilajeissa. Niissä kaivoksissa, joissa säteilyannok
sen on oletettu ylittävän yhden kolmasosan sallitusta vuo- siannoksesta, on pidetty luetteloa laskennallisista henki
lökohtaisista annoksista. Sallitun vuosiannoksen ylittäviä annoksia ei tiettävästi ole esiintynyt.
Tuuletus on tärkein teknillinen toimenpide radonin torjun
nassa. Vaikka radontilanne on kaikissa kaivoksissa ollut hallinnassa kehittyneen tuuletustekniikan ansiosta, on jat
kuva tarkkailu silti tarpeen. Kaivoksissa, joissa radonia esiintyy, sitä kerääntyy tuulettamattomiin tiloihin. 8 Taulukko 1: Radonin esiintyminen työpaikoilla.
ERITYYPPISILLÄ TYÖPAIKOILLA MITATTUJA RADONPITOISUUKSIA
v^Vv-r-
Työpaikan tyyppi
Radonpitoisuus (0<|/m41 Maksimi Kaivokset 0-1 r>00 25 noo Louhinta työmaat 0-2 000 18 000 Maanalaiset huoltotilat 0-2 000 30 000 Maanalaiset
miehitetyt valvomot 0-200 500
Toimistot 0-600 4 000
Koulut ja päiväkodit 0 -400 10 000
8Koponen, Matti, Alara n:o 1/92, s. 11 - 14.
27 4. ESIMERKKEJÄ ERILAISISTA KOHTEISTA
4.1 VEDENSIIRTOTUNNELI: PÄIJÄNNETUNNELI 4.11 Yleistä
Päi jännetunneli on raakavesitunneli, joka johtaa vettä Päi
jänteestä pääkaupunkiseudulle (kuva 4). Se on maailman pi
sin yhtenäinen kalliotunneli, 120 km pitkä ja poikkipinta- alaltaan 15.5 m2. Tunneli täyttää pääkaupunkiseudun veden- tarpeen pitkälle tulevaisuuteen jo virtaamallaan 9.6 kuu
tiota sekunnissa, joka saadaan aikaan 36 m:n vapaalla pudo
tuksella (kuva 4). Virtaama voidaan kaksinkertaistaa pump
paamalla. Tunneli on myös suuri vesivarasto, jossa veden laatu ei juuri muutu.
Kuva 4: Päijännetunnelin linjaus.
PAIJANNE MW» 7t,1
Kuva 5: Päijännetunnelin pituusleikkaus ja paineviivat eri virtaamilla.
Päij ännetunneli alkaa Asikkalanselältä. Etelässä tunneli johtaa Silvolan tekoaltaaseen, joka samalla tasaa vesimää
riä, ja josta se jatkuu sekä Pitkäkosken että Vanhan kau
pungin puhdistamoihin. Lisäksi tunnelista on yhteys Vantaan jokeen. Tunnelin lisäksi hankkeeseen kuului Asikkalanselän vedenottamo, Kalliomäen pumppaamo ja Ylästön sulkukeskus Silvolan tekoaltaan lähellä sekä nykyisin myös Pulkkilan- harjun tekopohjavesilaitos. Lukuunottamatta Asikkalanselän vedenottamoa ja tekopohjavesilaitosta muut sijaitsevat kal
lioon louhituissa tiloissa ja kaikkien toimintaa ohjataan kauko-ohjauksella Helsingistä.
Tunnelin rakennuttajana oli Pääkaupunkiseudun Vesi Oy, jon
ka osakkaina ovat Helsinki, Espoo, Vantaa, Kauniainen, Hy
vinkää, Nurmijärvi, Sipoo, Porvoon maalaiskunta, Kirkkonum
29 mi, Tuusulan Seudun Vesilaitos kl. ja Oy Alko Ab. Työt teh
tiin vuosina 1973-82 kolmena, 35 km:n, 59 km:n ja 26 km:n pituisena rakennusjaksona, jotka jakautuivat 23 osuuteen ajotunneleiden sijaitessa keskimäärin 5 km:n etäisyydellä toisistaan. Ajotunneleiden kaltevuus oli 1:7 ja 30 - 130 m maanpinnan alapuolella olevan päätunnelin sijainnista riip
puen niiden pituus vaihteli 60 - 650 m.
Päätunneli louhittiin kaksiperälouhintana keskimääräisen etenemän ollessa 80 - 100 m/viikossa kuiluosuutta kohden, silloin kun työn keskeyttäviä vahvistustöitä ei jouduttu tekemään. Louhintatyön laajuutta kuvaavat seuraavat luvut :
- kallioon porattiin räjähteille reikää n. 9000 km - räjähdysaineita käytettiin yli 8 milj. kg
- kalliota räjäytettiin 40 000 kertaa
- louhintatyöhön kului yli 1.5 milj. miestyötuntia - kallion lujittamiseen on käytetty teräspultteja
90 km
- ruiskubetonoitua tunnelin seinä- ja kattopintaa on yhteensä 275000 m2 eli noin kuudesosa tunne
lista on ruiskubetonoitu
- kallioon on louhittu tilaa yhteensä 2.5 milj.m3, josta louhetta on syntynyt 4.5 milj. m3
Tunnelin sijainnin on pääasiallisesti määrännyt vesihuol
toon liittyvät tekijät ja suunnittelussa on pyritty mahdol
lisimman lyhyeen tunneliin. Kallioperän rikkonaisuusvyöhyk
keet on otettu huomioon välttämällä tunnelin suuntaisia rikkonaisia kalliopainanteita ja viemällä tunneli mahdolli
simman edullisesti muiden rikkonaisuusvyöhykkeiden läpi.
Koska paineviiva sijaitsi tunnelin eteläisimmillä kui- luosuuksilla lähellä maan pintaa ja osittain sen yläpuolel
la, tarvittiin siellä injektointitöitä. Muita vahvistustöi
tä tehtiin melko säännöllisesti muuallakin linjalla kustan
nusten ollessa n. 10% kokonaiskustannuksista. Päijännetun- nelin kokonaiskustannukset olivat 530 milj. mk (kustannus
taso 1981). 9
9J.Roinisto: Kalliorakentaminen Suomessa, 1986. s. 20-24.
4.12 Geologiset esitutkimukset
Tunnelin suunnittelulle ja sen vaatimille tutkimuksille tunnelin pituus asetti erityisiä vaatimuksia. Ennen var
sinaisten tunnelirakenteiden ja —louhintatoimien suunnitte
lua oli selvitettävä ja määritettävä
- tunnelin edullisin taso ja linjaus kalliotopo- grafiältään ja muilta geologisilta olosuhteil
taan vaihtelevalla vyöhykkeellä. Tätä varten oli selvitettävä
- vyöhykkeen yksityiskohtainen irtomaakerroksen alainen kalliotopografia ja geologinen rakenne kivilajeineen ja tektonisine ilmentymineen sekä - ne periaatteelliset maasto- ja kustannustekijät,
joista linjaus riippui. Näitä varten oli puoles
taan selvitettävä
- ne tutkimusmenetelmät, -vaiheet ja -kustannuk
set, joilla mainitut tekijät voitiin luotetta
vasti selvittää.
Tunnelin poikkeuksellisen pituuden erityinen merkitys koko Päij änne-tunnelihankkeessa painottuu yleissuunnittelun vaa
timiin luonteenomaisiin ja pitkäaikaisiin geologisiin esi
tutkimuksiin, jotka oli jaettu neljään eri alueeseen: kal
liotopograf ia, kivilajit, rikkonaiset vyöhykkeet ja pohja
vesi. Pitkien linjavaihtoehtojen väliset suuret kustan
nuserot johtuvat lähinnä ruhjeitten ja epäedullisten kivi
lajien aiheuttamista lujitus- ja tiivistystarpeen vaihte
luista. Tällaisten geologisten perustekijäin selvittäminen oli ja on aina aikaaviepä mutta pitkien tunneleitten kus
tannusten minimoinnissa ratkaisevan keskeinen työvaihe.10
10Niini, Heikki, Rakennustekniikka n:o 8, 1982, s. 499.
4.13 Rikkona!suusrakenteen vaikutus sisäänmenoihin
31
Päijänne-tunnelin linjauksen samoin kuin syvyystasonkin määrittämiseen vaikutti myös sisäänmenokohtien ennakoitu sijainti. Siksi pyrittiin ennustamaan rakennushetkel1ä so
pivin sisäänmenotunnelien välimatka. Sen perusteella etsit
tiin kultakin vaihtoehtolinjalta 5 km välein kohtia, joista kaavailtiin päästävän kallion sisään mahdollisimman helpos
ti, ja joista matka tunneliin 1:7-kaltevuudella olisi mah
dollisimman lyhyt.
Tutkimusvyöhykkeellä on paljon kallioruhjeita, jotka pirs
tovat kallioperän suurilohkoiseksi mosaiikiksi. Pitkien linjojen on sen tähden mahdotonta kokonaan välttää tällai
sia rikkonaisuusvyöhykkeitä (kuva 5). Rikkonaisten ja sa
malla vettä johtavien ruhjekohtien välttäminen on kuitenkin ollut tärkein tekijä eri linjavaihtoehtojen suuntaamisessa ja eritoten lopullisen tunnelireitin linjauksessa. Kallion rikkonaisten vyöhykkeiden selvitysten perusteella suoritet
tiin vaihtoehtolinj oj en lujitustarpeen arviointi ja lasket
tiin kokonaiskustannukset. Sisäänmenojen osalta rikkonaisia vyöhykkeitä sekä vältettiin että kierrettiin.
Kuva 6: Tunnelilinja (=1) pyrkii välttämään kallioperän painannevyöhykkeitä(=2).
4.14 Rakoilun vaikutus pöh javesivahinkoihin
Pohjavesi huomioitiin tunnelin linjauksessa samalla kun yleensä vettä johtavia ruhjevyöhykkeitä pyrittiin välttä
mään ja arvioimaan vaihtoehtolinjoille silti jääneiden ruh
jeiden tiivistystarvetta. Lisäksi pohjavesivuotojen aiheut
tamien ympäristömuutosten arvioimiseksi ja korvaamiseksi käynnistettiin vuonna 1967 850 kaivon säännölliset havain- tomittaukset tunnelivyöhykkeellä.11 Tunnelivyöhyke oli le
veydeltään 400 - 2000 metriä. Muutokset pohjaveden pinnan korkeudessa ja laadussa havainnoitiin tarkasti. Vuosina 1973 - 80 tunnelityömaa aiheutti n. 250 kaivon kuivumisen.
Töiden jälkeen pohjaveden pinta on noussut normaalille ta
solle muutamia pieniä poikkeuksia lukuunottamatta.12
Tiiviiden, kiteisten kivilajien huokoisuus Päijännetunnelin alueella, kuten koko Suomessa, on hyvin vähäistä, mikä tar
koittaa, että kivilajien vedenjohtavuus on käytännöllisesti katsoen olematonta. Pohjaveden virtauksen kannalta raot, halkeamat ja rajapinnat ovat keskeisiä. Yhdessä säännölli
sempien ja tiiviimpien rakojen kanssa ne muodostavat hyd
raulisen systeemin, missä vesi voi liikkua joka suuntaan.
Päijännetunnelin alueella vedenjohtavuus vaihtelee pää
asiallisesti arvosta k = 10 m/s arvoon k = 10 .
Kivilajikoostumuksen vaikutuksesta vuotovesimääriin on ve
dettävissä se johtopäätös, että pääasiallisesti gneissiä tai gneissin ja graniitin muodostamaa seosta eli migmatiit- tia olevien kalliomassojen rakoilu on huonommin vettä joh
tavaa kuin puhtaasti graniittisten tai granodioriittisten.
Edellisessähän on normaalisti vain yksi hyvin kehittynyt liuskeisuuden kulun ja kaateen suuntainen rakoiluj ärj estel- mä sekä toinen, heikommin kehittynyt, lähes kohtisuorassa
“Niini, Heikki & Ekholm, Matti 1976. Ground-watwr damage in connection with tunnelling indicated by physiographic and fracture-porosity measurements. Rak.-geol. yhd. iulk
10:74. J J
Niini,Heikki,The world's longest bedrock tunnel and envi
ronmental geology, Rakennusgeologinen yhdistys, vol.12 kirjoitus n:o 94.
33 tätä vastaan. Vaaka- ja loivakaateinen rakoiin on usein lisäksi heikosti kehittynyttä. Sen sijaan graniitissa ja granodioriitissa esiintyy tyypillisimmillään ortogoninen rakoilujärjestelmä ja etenkin kehittynyt loivakaateinen ja/tai vaakasuora rakoilu aiheuttaa veden virtausta pit
kienkin matkojen takaa.13
Taulukko 2: Vuotovesimäärät kalliosäiliöihin jotka sijait
sevat erilaisista kivilajeista koostuneissa kallioissa.
Kivilaji
Vuotovesimäärä vuorokaudessa m3 per 100 000 m3
hyötytilavuus
litraa per m2 kalliopinta-alaa
Gneissi 16,9 0,84
Migmatiitti 3,1 0,26
Graniitti ja granodioriitti
47,8 2,71
Diabaasi 37,2 1,90
Rapakivi 155,0 8,89
4.2 HELSINGIN METRO: OSUUS KAMPPI-RUOHOLAHTI 4.21 Yleistä
Metro on pyritty suunnittelemaan nopeaksi, luotettavaksi, turvalliseksi, taloudelliseksi ja palvelutasoltaan hyväksi sekä Helsingin olosuhteisiin soveltuvaksi. Metron suunnit
telussa pyritään ottamaan huomioon tulevaisuudessa tapahtu
va matkustustarpeen kehitys, teknillinen kehitys, rakennus
töiden koneellistuminen ja teollistuminen, ympäristön miel
lyttävyys ja melun vähentämiseen tähtäävät toimenpiteet, turvallisuuden kohottaminen ja matkanopeuden nostaminen.
13Johansson, Stig, Vesitalous 1/1985, Vuotovesihavaintoja Suomen kalliosäiliöissä.
Lisäksi pyritään automatiikan lisäämiseen ja sen avulla pieneen käyttöhenkilökunnan määrään.14
Metro on miellyttävä, taloudellinen, ja luontoa säästävä kulkumuoto. Helsinki on riittävän suuri kaupunki metrolle, ja se tullee laajenemaan Espooseen seuraavien vuosikymme
nien aikana. Metron suunnittelussa pyritään siihen, että kokonaismatka-aika pääosasta esikaupunkiasuntoja keskustan työpaikkoihin on korkeintaan n. 40 min. ja matkanopeus kes- kikaupunkiosuuksilla n.35 km/h sekä esikaupunkiosuuksilla 40-50 km/h. Näin ollen metroverkosto kannattaa ulottaa n.
20 km:n etäisyydelle keskustasta asemavälien ollessa 600- 2000m.15 Ruoholahti-Kamppi-metrorataosuus vähentää län
sisuunnan liikenteen ruuhkasuutta sekä nopeuttaa liikkumis
ta pääkaupunkiseudun itä- ja länsiosien välillä. Helsingin kaupunginvaltuusto hyväksyi metron rataosuuden Kamppi - Ruoholahti perustamissuunnitelman vuonna 1985. Louhintatyöt on saatu jo päätökseen ja metroliikenne välillä Kamppi-Ruo- holahti on tarkoitus käynnistää 1993. Suunnittelusta vasta
sivat yhteisvastullisesti Helsingin kaupungin rakennusvi
rasto, Maa ja Vesi Oy, Insinööritoimisto Saanio ja Riekko
la, Ekono Oy sekä Insinööritoimisto Tauno Nissinen Oy. Kal- liorakennustyöt urakoivat YIT-yhtymä Oy ja Lemminkäinen Oy.
Kamppi-Ruoholahti metrorataosuus tulee maksamaan 245.2 Mmk.
Ruoholahden asematöiden osuus on 133 Mmk, ratatunneleiden 61.6 Mmk, päällysrakenteiden ja virtakiskolaitoksen 22,7 Mmk, ja sähkö- ja turvalaitteiden osuus 27.9 Mmk. Varsi
naisen louhinnan osuus oli 22 Mmk, lujitustöiden 15,1 Mmk ja pohjatutkimusten osuus 2 Mmk.
Louhinta on tehty neljässä urakassa ja työ on kestänyt yh
teensä noin viisi vuotta. Louhinnan osuus urakasta on noin 50 Mmk.16
14Helsingin kaupungin metrotoimisto, Helsingin metron yleis- suunnitteluohjeet, 11.12.1970 s. 3
15Helsingin kaupungin metrotoimisto, Helsingin metron yleis- suunnitteluohjeet, 11.12.1970, s. 4
16Helsingin kaupungin rakennusvirasto, Rakennuttamistoimisto 31.8.1991
KAMPPI-RUOHOLAHTI METRO-OSUUS
35 Kamppi-Ruoholahti raetrotunneleiden sijainti ja urakkajako kuvassa 7.
5 2«
n3NNfUsni3nnXN3HIH '31x7;
Kuva 7: Kamppi - Ruoholahti metrotunneleiden sijainti ja urakkajako.
4.22 Kalliotutkimukset:
Kamppi-Ruoholahti metro-osuuden rakentaminen edellytti ase
makaavan laatimista sekä metrotunneleiden että maanpäällis
ten rakennusten osalta. Kalliotekninen toteuttamiskelpoi
suus tuli siksi varmistaa riittävin tutkimuksin jo yleis- suunnitteluvaiheessa, koska kaavoitustyö tehtiin yleissuun
nitelman perusteella.
Kalliopinnan korkeusasemaa tutkittiin porakonekairauksin noin 150 pisteessä. Kalliolaadun tutkimiseksi kairattiin kahdeksan kallionnäytekairausreikää, yhteispituudeltaan noin 450 m. Sekä porakonekairaukset että kallionäyte- kairaukset keskittyivät pääasiassa Mechelininkadun painan
teeseen. Noin yksi vuosi ennen ratatunneleiden rakentamis
vaiheen alkua rakennettiin metroradan vaikutuspiirin alu
eelle noin 25 havaintoputkea käsittävä pöhjavedenhavainto- verkosto alueen pohjavesipinnan korkeuden ja sen vuotuisen vaihtelun selvittämiseksi.
Metrotunneleiden louhintavaiheessa tutkittiin kalliolaatua ja kallion vedenjohtavuutta systemaattisin tunnustelupo- rauksin. Tutkimusmenetelmänä käytettiin louhintajumbolla suoritettua jatkotankoporausta ja reikäpituutena 10-20m.
Metrotunneleissa porattiin normaalisti yksi tutkimusreikä kattoon ja yksi lattiaan. Kääntöraidetunnelissa ja vaihde- tunneleissa reikämäärä oli kaksinkertainen. Muissa tunne
leissa porattiin yksi reikä kattoon. Tutkimusreiät suunnat
tiin siten, että niitä voitiin tarvittaessa käyttää esi
in jektointiin. Tutkimusretkien vesipainekokeet tehtiin 0,5 MPa:n ylipaineella. Tunneleiden vuotovesimääriä seurattiin urakka-aikana mittapatojen avulla.
Kampissa, Ruoholahden ja Töölön raiteiden risteyksessä, SAS-hotellin alapuolella tehtiin louhinnan aikana ja sen jälkeen kalliomekaanisia konvergenssimittauksia tarkkuus- mittanauhalla kallion käyttäytymisen seuraamiseksi.
37 4.23 Geologinen kuvaus
Helsingin alueen kallioperä on suurimmaksi osaksi kovaa peruskalliota. Ramppi-Ruoholahti metrotunnelin kohdalla kallioperä on myös melko ehyttä. Mechelininkadun kohdalle sattui kuitenkin ruhjelaakso, joka kaipasi vahvistusta.
Koska junan täytyy kulkea suoraviivaisesti suuria mutkia tekemättä, geologista rakennetta ei voitu hyödyntää sijain
nin valinnassa kuten monissa muissa kallionrakennuskohteis- sa, esimerkiksi ruhjevyöhykettä ei voi kiertää. Metroradan rakentamisessa geologiaa käytetään kuitenkin hyväksi konst
ruktioiden ja lujituksen sekä muun työn suunnittelussa, työvaiheiden jaksotuksessa ja kustannusarvion tekemisessä.
Ramppi-Ruoholahti-metron alueella pääkivilajina on migmaat- tinen kiillegneissi. Muita kivilajeja ovat graniitti ja amfiboliitti, siten että amfiboliittia on enemmän Ruoholah
den päässä.17 Kalliokairausnäytteiden mukaan alueella oleva graniitti on pääosin massamaista ja suuntauksetonta. Kiil- legneissin liuskeisuusaste vaihtelee heikosta kohtalaiseen.
Alueen kallioperän päämineraalit ovat kvartsi, maasälpä ja kiilteet. Lisäksi näytteistä löytyi granaatteja, ja akses- sorisina mineraaleina kloriittia ja epidoottia, jotka
esiintyivät kairausnäytteissä rakopinnoilla.
Alueen kivilajien raekoko on keskirakeista (3-5 mm) ja ki
vilajit pääasiassa rapautumattomia. Mechelininkadun kohdal
la on sekä vähän että täysin rapautuneita kohtia. Kalliope
rä Itämerenkadun alueella on kiinteää liuske- tai seosra- kenteista kalliota. Rikkonaisia kohtia on kuitenkin run
saasti Mechelininkadun kohdalla ja paikoitellen ne osuvat samoihin korkeuksiin rapautuneiden alueiden kanssa. Rikko
naiset vyöhykkeet ovat enimmäkseen murrosrakenteisia mutta savi- ja ruhjerakenteisiakin kohtia esiintyy. Koko alueella esiintyy rakoilua vähärakoisesta runsasrakoiseen. Yleisesti voidaan sanoa, että alueen kiillegneissi on runsasrakoista ja graniitti vähärakoista. Rakoilu on runsasta siellä, mis-
17Helsingin kaupungin rakennusvirasto, Kamppi-Ruoholahti metroradan yleissuunnitelma, 6.6. 1986 s.10
sä myös rikkonaisuus ja rapautuneisuus ovat suurimmillaan.
Rakoilua esiintyy eniten samassa suunnassa liuskeisuuden kulun kanssa, mikä Ruoholahden länsiosissa on kaakko-luode suuntaista ja Kampissa itälänsi suuntaista. Kaateet ovat jyrkkiä.18
Kalliopinnan korkeussuhteet vaihtelevat melko paljon Kampin ja Ruoholahden välillä. Kampissa Malminkadun eteläpuolella kallionpinta sijaitsee seitsemästä neljääntoista metriä merenpinnan yläpuolella. Syvin kalliopainanne sijaitsee Mechelininkadun kohdalla. Siellä kallionpinta on n. 13 m merenpinnan alapuolella. Ruoholahden länsipäässä kallion
pinta on syvimmillään n. 6 m merenpinnan alapuolella, mikä näkyy myös aikaisemmista kairausprofiilikuvista. Kuvassa 8 metro-osuuden Kamppi-Ruoholahti pituusleikkaus pohjoisen linjaraiteen kohdalta.19
KÖYOENPUNOJANKAOUN KUILU
ITÄMERENKADUN TASAUS
TÖÖLÖN
ET. RAIDE KAMPIN ASEMA
RUOHOLAHDEN
HIILITUNNELI
Kuva 8: Metro-osuuden Kamppi-Ruoholahti pituusleikkaus.
18Helsingin kaupungin geotekninen osasto, Kamppi-Ruoholahti- metroradan kallionäytekairaukset 1986-87
19Helsingin kaupungin rakennusvirasto, Kamppi-Ruoholahti metroradan yleissuunnitelma 6.6. 1986, s.9
39 4.24 Geologian merkitys metroradan rakentamisessa
Geologisen rakenteen hyväksikäyttö on metrotunnelin raken
tamisessa vaikeaa, koska junan kulku on suoraviivaista, jolloin ruhjeiden ja heikkousvyöhykkeiden kiertäminen on mahdotonta. Vaakasuorassa tasossa kaarresäteen on oltava normaalisti 600 m tai enemmän ja aina vähintään 300 m. Va
rikkoalueilla minimisäde on 100 m. Pystysuorassa suunnassa kaarresäteiden on asemien väleillä oltava 5000 m, asemien päissä 3000m ja muilla raiteilla 1500 m. Asemien kohdalla rata pyritään suunnittelemaan sekä pysty- että vaakasuun- nissa suoraksi.20
Radan pystygeometriassa ei ole ollut edellytyksiä noudattaa ns. keinulautaperiaatetta asemien suuresta korkeuserosta johtuen.21 Keinulautaperiaatteen mukaan asemat sijoitetaan muita rataosuuksia korkeammalla, jotta lähtökiihdytys ja lähestymisjarrutus sujuisivat helpommin. Ruoholahden aseman korkeustasoon vaikutti myös radan jatkaminen Lauttasaareen.
Rata on loivaa alamäkeä Kämpistä Ruoholahteen (n. 1.5 %).
Asemavälin vuotovedet johdetaan Ruoholahden aseman itäpääs
sä sijaitsevaan pumppaamoon.
Kääntöraiteen pystygeometria on suunniteltu siten, että kääntöraiteella olevat vaunut eivät voi rullata pääraiteel- le. Vuotovedet pitäisi tästäkin voida johtaa mahdollisimman pienin louhintakaivannoin työtunnelin pumppaamoon.22
Pohjaveden pinta sijaitsee alueella 2-4 metriä maanpinnan alapuolella. Ruoholahden täyttömaa-alueilla se noudattaa yleensä merenpinnan korkeutta. Ruoholahdessa pohjaveden korvautuvuus on meren läheisyyden ja vettä läpäisevien ma
teriaalien ansiosta hyvä. Kampin kallioisilla alueilla se
20Helsingin kaupungin metrotoimisto, Helsingin metron yleis- suunnitteluohjeet, 11.12.1970 s.7
21Helsingin kaupungin rakennusvirasto, Kamppi-Ruoholahti metron yleissuunnitelma, 6.6.1986,s.6
22Helsingin kaupungin rakennusvirasto, Kamppi-Ruoholahti metron yleissuunnitelma,6.61986, s.6
