Kallioperän rakennettavuuteen liittyvien tulkintojen arviointi pääkaupunkiseudulla tunnelikartoitusten ja -tutkimusten perusteella, johtopäätökset

Geologian tutkimuskeskus Arkistoraportti 11/2012 6.2.2012 Espoo Kallioperän rakennettavuuteen liittyvien tulkintojen arviointi pääkaupunkiseudulla tunnelikartoitusten ja -tutkimusten perusteella, johtopäätökset Tuija Elminen, Ossi Ikävalko, Aimo Kuivamäki, Mirva Laine, Marit Wennerström, Markus Vaarma

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro 6.2.2012 Tekijät Tuija Elminen, Ossi Ikävalko, Aimo Kuivamäki, Mirva Laine, Marit Wennerström, Markus Vaarma Raportin laji Arkistoraportti Toimeksiantaja Raportin nimi Kallioperän rakennettavuuteen liittyvien tulkintojen arviointi pääkaupunkiseudulla tunnelikartoitusten ja -tutkimusten perusteella, johtopäätökset Tiivistelmä Lisääntyvä kalliorakentaminen asettaa uusia haasteita kalliolaadun selvittämiselle. Peitteisillä alueilla tulkinnoilla on suuri merkitys, erityisesti suunniteltaessa kairaustutkimuksia. Rikkonaisuustulkintojen paikkansa pitävyyttä on selvitetty kolmen pääkaupunkiseudun mittavan tunnelihankkeen tutkimusten yhteydessä. Selvityskohteiksi on valittu Länsimetro, Savion rautatietunneli ja Päijännetunneli. Havainnot tunnelin kalliolaadusta perustuvat kartoituksiin, kairaustutkimuksiin ja louhintatyön aikana laadittuihin geologisiin raportteihin ja lujitustietoihin. Käytetyt tulkinnat ovat 2000 luvun alussa laadittuja geologisiin kartoitushavaintoihin, geofysiikan mittauksiin ja lineamenttiselvityksiin perustuvia tulkintoja. Yleisesti ottaen esitetyt tulkinnat osuvat varsin hyvin kallion rikkonaisuusvyöhykkeisiin, vaikkakin eroavuuksia oli arvioidussa rikkonaisuuden määrässä ja vyöhykkeiden suunnassa. Erot voivat johtua mittavien kallioperän rakenteiden liian suppeasta tarkastelumittakaavasta tunnelissa. Tulkittujen vyöhykkeiden tarkka paikantaminen on lisäksi vaikeaa tunnelissa, koska sijaintia, kaadetta ja mahdollista kaareutumista tai polveilua (katkeilua) ei tunneta. Kehittämistoimenpiteinä ehdotetaan kehitettävän alueellisia yhteisiä kallioperämalleja, joihin voitaisiin koota havaintoja, tulkintoja ja erilaista rakentamisen yhteydessä kertyvää tietoa. Tämä edellyttäisi koottavan tiedon yhteistä määrittelemistä ja harmonisointia. Tämä antaisi paremmat edellytykset rikkonaisuutta synnyttävien geologisten prosessien tutkimiselle ja ymmärtämiselle, ja parantaisi sitä kautta tulkintoja. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Kallioperä, rikkonaisuus, rakoilu, heikkousvyöhyke, kalliorakentaminen, Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Uusimaa Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistotunnus Kokonaissivumäärä Kieli Suomi Hinta Julkisuus Yksikkö ja vastuualue, VA 211 Allekirjoitus/nimen selvennys Hanketunnus 2183003 Allekirjoitus/nimen selvennys Kirsti Loukola-Ruskeeniemi Ossi Ikävalko

Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 ARVIOINNISSA KÄYTETYT TUTKIMUSAINEISTOT JA TULKINNAT 1 3 RAKENNETTAVUUSMALLIN HEIKKOUSVYÖHYKETULKINNAN ARVIOINTI SAVION TUNNELIN KARTOITUSHAVAINTOJEN POHJALTA 3 3.1 Savion tunnelihavainnot 3 3.2 Heikkousvyöhykekartan ja tunnelihavaintojen vertailu 4 3.3 Savion rautatietunnelin rakoilu verrattuna kallion pinnalta tehtyihin havaintoihin 7 4 LÄNSIMETRON RIKKONAISUUSTULKINNAT 8 4.1 Ongelma-alueiden arviointi 10 4.1.1 Lineamenttitulkinnan arviointi 12 5 KALLIOINFO-ALUEEN HEIKKOUSVYÖHYKETULKINNAN ARVIOINTI PÄIJÄNNETUNNELIHAVAINTOJEN PERUSTEELLA 14 5.1 Päijännetunneli 14 5.2 Päijännetunnelin tutkimusaineisto 14 5.3 5.3 KallioINFO-alueen heikkousvyöhyketulkinta Päijännetunnelin alueella 15 5.4 Heikkousvyöhyketulkinnan ja Päijännetunneliaineistojen vertailu 18 6 TULOSTEN TARKASTELU 21 7 KEHITTÄMISEHDOTUKSIA 22 8 YHTEENVETO 23 KIRJALLISUUSLUETTELO 24

Geologian tutkimuskeskus 1 1 JOHDANTO Kalliorakentaminen on lisääntynyt pääkaupunkiseudulla runsaasti. Yhä suurempia tiloja ja pitempiä tunneliyhteyksiä tehdään. Kalliotilojen suunnittelussa on pystyttävä riittävällä tarkkuudella arvioimaan kalliolaatua. Rikkonainen kallio lisää rakentamiskustannuksia, erityisesti viivästyttämällä rakentamisaikatauluja. Siksi on tärkeää, että tunnetaan ennakolta ne paikat, joissa vaikeuksia saattaa esiintyä. Suunnittelun alkuvaiheessa yleiset laaja-alaiset tulkinnat ovat lähtökohtana, mutta hankkeen edetessä tarvitaan yhä tarkempia tietoja. Kallionäytekairaukset ovat viimeisimpiä käytettäviä tutkimusmenetelmiä ja myös kaikkein kalleimpia. Kallioperän rikkonaisuuden arviointi perustuu olemassa olevan tiedon perusteella tehtyihin tulkintoihin. Erilaiset tulkinnat ohjaavat yleensä muiden käytettävien tutkimusmenetelmien käyttöä, geofysiikan käyttöä ja kairauksia. Pääkaupunkiseudulla ja sen lähiympäristössä on tehty useassa eri vaiheessa tulkintoja kallioperän rikkonaisuudesta. Viime vuosina alueelle on myös rakennettu useita eri kalliotunneleita, joista on päästy arvioimaan kallion laatua. Geologian tutkimuskeskuksen kartoittajat ovat koonneet yhteistyössä alan konsulttien kanssa kartoitusaineistoja näistä tunneleista. Tässä selvityksessä on vertailtu keskeisiä alueella tehtyjä tulkintoja kalliotunneleiden tutkimuksissa saatuihin tuloksiin. 2 ARVIOINNISSA KÄYTETYT TUTKIMUSAINEISTOT JA TULKINNAT Geologian tutkimuskeskus (GTK) on tutkinut pääkaupunkiseudulla kallioperän rakennettavuutta alueellisesti vuodesta 1999 (Pajunen ja muut 2002a). "Kallioperän rakennettavuusmalli taajamiin" oli vuosina 1999 2002 Geologian tutkimuskeskuksessa toteutettu yhteistyöprojekti, jossa tuotettiin kallioperän kehitykseen pohjautuva rakennettavuusluokittelu palvelemaan erilaisia kallioperäsovelluksia, erityisesti kalliorakentamista (Pajunen ja muut 2002a). Projektissa tuotettiin kallioperän rakennettavuuskartta 1 : 50 000 - Espoo, Helsinki, Vantaa (Pajunen ja muut 2002b), jossa kuvataan tuon ajankohdan tiedon pohjalta rikkonaisuusarviointi kohdealueelta. KallioINFO-projketin yhteydessä tehtiin Etelä-Suomesta 80 x 100 km:n suuruiselta alueelta morfologisten kartta-aineistojen pohjalta 1: 20 000 mittakaavainen heikkousvyöhyketulkinta (Kuivamäki ja muut 2006). Tutkimusalueen (80 km x 100 km) geomorfologisiin lineamenttitulkintoihin käytettiin useita eri tutkimusaineistoja (Kuivamäki ja muut 2006). Kuvassa 1 on esitetty Sipoon Hindsbyn alueella lineamenttitulkinnoissa käytettyjä morfologisia aineistoja. Länsimetron suunnitteluvaiheessa GTK:ssa koottiin olemassa oleva tutkimusaineisto ja tehtiin Kallioperän rikkonaisuusarviointi Matinkylän ja Ruoholahden välillä (Pajunen ja muut 2007, Ikävalko ja muut 2007). Jatkossa GTK teki tilauksesta selvityksen Länsimetron kallioperän rikkonaisuusarviointi Matinkylän ja Ruoholahden välillä (Pajunen ja muut 2007, Ikävalko ja muut

Geologian tutkimuskeskus 2 2007). Siinä on määritetty länsimetron alueelta Helsingissä ja Espoossa kalliorakentamiseen mahdollisesti vaikuttavia kallioperän ongelmakohtia sekä kuvattu yhtenäisten kalliolohkojen rakoiluominaisuudet. Selvityksessä käytettiin GTK:n 1: 100 000 mittakaavaista kallioperäkartoitusaineistoa, "Kallioperän rakennettavuusmalli taajamiin"-hankkeen tuloksia ja aineistoja sekä Espoon kaupungin ja Helsingin kaupungin kallioperäkartoitusaineistoja. Maastotutkimuksia ei selvitysvaiheessa tehty. Vertailussa on käytetty Savion rautatietunnelin rakennegeologista (GTK:n kartoitus) ja rakennusgeologista (Pöyry Infra Oy:n kartoitus) kartoitusaineistoa, Länsimetrotunnelista ennen louhintaa tehtyjä kallioperätutkimuksia (lähinnä tutkimuskairauksia), Päijännetunnelista kerättyä geologista havaintoaineistoa (Suominen 1998;) sekä Pääkaupukiseudun Vesi Oy:ltä saatuja Päijännetunnelin lujitus- ja videokuvaustietoja. Vertailu tapahtuu paikallisesti tunneleiden kohdalla. Myöhemmin on tarkoitus hyödyntää näitä arvioita ja Länsimetrotunnelin louhinnan aikana tehtäviä kartoituksia koko pääkaupunkiseudun kallion rakennettavuusmallin tarkentamiseen. a) b) Kuva 1. Morfologisen 1:20 000 lineamenttitulkinnan lähtöaineistoa, esimerkkialueena Sipoon Hindsbyn alue. a) maastokartta 1: 50 000; b) 1:20 000 digitaalinen korkeusmalli. Pohjakartat: Maanmittauslaitos, lupanro 13/MML/12.

Geologian tutkimuskeskus 3 3 RAKENNETTAVUUSMALLIN HEIKKOUSVYÖHYKETULKINNAN AR- VIOINTI SAVION TUNNELIN KARTOITUSHAVAINTOJEN POHJALTA Tähän raporttiin on koottu lyhennelmä seikkaperäisemmästä tutkimuksesta, joka on tekeillä Savion rautatietunnelin aineistosta. Työstä on tulossa raportti, joka sisältää myös heikkousvyöhyketulkinnan yksityiskohtaisen arvioinnin. Savion 13.5 km pitkä rautatietunneli kuuluu Vuosaaren sataman liikennejärjestelyihin. Se lävistää peruskalliota Vantaan, Sipoon ja Keravan alueilla pohjois-eteläsuuntaisesti. Geologian tutkimuskeskuksen geologit kartoittivat kallioperän rakenteita tunnelissa louhinnan yhteydessä maaliskuulta 2005 joulukuulle 2006. Kartoitus tapahtui samanaikaisesti Pöyry Infra Oy:n (nykyään Pöyry Suomi) rakennusgeologisen kartoituksen kanssa. Tunnelista selvitettiin kivilajit, tektoniikka, erilaiset siirros- ja heikkousvyöhykkeet sekä rakoilun luonne. Havaintoja koottiin 1670, osa pistemäisesti ja osa tunnelijaksoina. Myös Pöyryn rakennusgeologinen kartoitusaineisto on käytettävissä jatkotutkimuksia varten. Kallioperän rakennettavuusmallissa heikkousvyöhykkeiden sijainti ja ulottuvuus arvioitiin kallioperän pitkänomaisten painanteiden (peruskartat 1:20 000, käsitellyt korkeusaineistot) ja magneettisten anomalioiden (geofysiikan lentoaineisto) perusteella. Maastohavaintojen perusteella arvioitiin niiden geologisia piirteitä. Eräiden aiemmin louhittujen tunneleiden piirustuksista (Helsingin kaupungilta) haettiin heikkousvyöhykkeet ja niiden RG-luokitukset. Integroimalla eri aineistoja laadittiin kartta, johon oli merkitty yli kilometrin pituiset mahdolliset heikkousvyöhykkeet, jotka oli luokiteltu kolmeen eri rakennettavuusluokkaan. Niissä rapautumista (Rp), kalliolaatua (Ri), lohkarekokoa ja vedenjohtavuutta oli arvioitu pahimman todennäköisen laadun mukaan. Yksityiskohdat mallin laatimisesta on kuvattu raportissa Pajunen ja muut 2002a. 3.1 Savion tunnelihavainnot Tunneli kartoitettiin urakoitsijoiden tiukan aikataulun mukaan. Kartoitukseen on jäänyt joitakin aukkopaikkoja. Usein kyseessä on ollut pikaista betonointia vaativat kohteet, eli juuri heikkousvyöhykkeitä on voinut jäädä tällöin kartoittamatta. Vertailuun saatiin GTK:n omien geologisten havaintojen lisäksi Pöyryn rakennusaikaiset rakennusgeologiset havainnot. Tunnelista selvitettiin kivilajit, tektoniikka, erilaiset siirros- ja heikkousvyöhykkeet sekä rakoilun luonne. Geologisten havaintojen laatu ja mittausmenetelmät on kuvattu tarkemmin raportissa Savion rautatietunnelin rakennegeologinen kartoitus (Elminen ja muut 2007). Heikkousvyöhykkeitä tarkasteltaessa siirrokset ovat tärkeimpiä tekijöitä. Tämän lisäksi kivilajit ja niiden kontaktit, liuskeisuuden suunta ja voimakkuus ja rakoilu vaikuttavat heikkousvyöhykkeiden syntyyn. Pöyryltä saaduista rakennusgeologisista havainnoista käytettiin vertailuun seuraavia havaintotyyppejä: kalliolaatu (Ri), rapautuneisuus (Rp), rakotäytteet, rakoavaumat, vyöhykkeen leveys, vedenjohtavuus.

Geologian tutkimuskeskus 4 3.2 Heikkousvyöhykekartan ja tunnelihavaintojen vertailu Kallioperän rakennettavuusmallin sisältämää tulkintaa tehtäessä (Pajunen ja muut 2002 a,b) heikkousvyöhykeviivat on sijoitettu suunnilleen topografisten painanteiden keskelle tarkoittaen että kyseisen painanteen alueella saattaa esiintyä rikkonaisia rakenteita. Laajimmat painanteet alueella olivat 160 m leveitä. Kaadetulkintoja ei karttaa laadittaessa tehty. Useimmat suorina lineaarisina painanteina esiintyvät vyöhykkeet ovat jyrkkä- tai keskikaateisia (kaateet 45 90 ). Tällöin oletettu vyöhykkeen sijainti ei syvemmällä poikkea kovinkaan paljon pinnan tulkinnasta. Tunnelissa tehtyjen havaintojen sijaintitarkkuudessa on vaihtelua. Yleensä rakenteet saatiin paikallistettua metrin tarkkuudella, mutta paikoin paalulukuja puuttui seiniltä kymmenien metrien väleiltä, jolloin päästiin suunnilleen viiden metrin tarkkuuteen. Paalulukujen koordinaattien laskussa koordinaattipisteitä oli viiden metrin välein, mihin havainnot pyöristyivät. Tällöin pahimmillaan havainnon sijainti heittää vajaat kymmenen metriä, mistä ei ole haittaa tiedon käsittelyssä. Kallioperän rakennettavuusmallin heikkousvyöhyketulkinta (Pajunen ja muut 2002 a,b) projisoitiin tunnelitasoon ja verrattiin viivojen ja havaintopisteiden osuvuutta. Ottaen huomioon sijaintitietojen epätarkkuudet ja tulkinnan marginaalit tunneliin projisoidun heikkousvyöhyketulkinnan leveydeksi valittiin 160 metriä. Kallioperän rakennettavuusmallissa oli tunnelia leikkaavia heikkousvyöhyketulkintoja 44. Jos alueelle tulkitun viivan kohdalle tunnelissa osui SZ- (Shear Zone, siirros) tai Ri-rakenne, jolla oli sama kulkusuunta ja kaade yli 45, katsottiin tulkinta onnistuneeksi. Kuvassa 2 siniset viivat edustavat tällaisia tulkintoja. Tulkintaviivoista 30:n kohdalla on SZ/Ri-rakenteita. 14 viivan kohdalla ei ole merkintää. Niistä kuitenkin viiden kohdalla on betonointia, ja jos ne lasketaan rikkonaisiksi rakenteiksi, saadaan osumiksi 35 ja 9 jää ilman havaintoja. Rikkonaisuusrakenteitahan voi toki kuitenkin esiintyä matalammilla syvyyksillä kuin missä tunneli on louhittu.

Geologian tutkimuskeskus 5 Kuva 2. Tunnelin kohdalle osuneet heikkousvyöhyketulkinnat (Pajunen ja muut 2002 a,b) luokiteltuna sen mukaan, oliko tunnelista SZ/Ri-havaintoja vai ei. Pöyry Infran Savion tunnelin kartoitusaineistosta koottiin kartalle vyöhykkeet, joiden Ri-luokka oli RiIV, RiIII IV tai RiIII (Kuva 3). Näitä kutsutaan tässä rikkonaisuus-, eli Ri-vyöhykkeiksi. RiIV-luokkaan kuuluvat havainnot otettiin kaikki mukaan, RiIII IV- ja RiIII-vyöhykkeistä otettiin 2 metriä ja sitä leveämmät vyöhykkeet sekä 1-2 metriä leveät vyöhykkeet, mikäli niissä esiintyi vesivuotoa. Kuvassa 10 esitetään vain vyöhykkeet, joiden kaade on 45.

Geologian tutkimuskeskus 6 Kuva 3. Tunnelissa todetut RiIII IV-luokitellut rikkonaisuusvyöhykkeet havainnollistettuna kartalla, jossa pohjana heikkousvyöhyketulkinta (Pajunen ja muut 2002b). Alle 200 cm leveiden vyöhykkeiden symbolit ovat 1 km ja yli 200 cm leveiden 2 km pituisina. Rikkonaisuusvyöhykkeistä (Kuva 3) löytyy sekä yhtäläisyyksiä että eroavaisuuksia siinä pohjalla esitettyyn rakennettavuusmalliin. Jotkut merkittävät vyöhykkeet on ennustettu hyvin, osasta ei ole ollut merkkiä. Alueellinen osuvuus on sikäli hyvä, että mallissa eheiksi jääneillä alueilla ei tunnelissakaan esiintynyt rikkonaisuutta ja taas paljon ennusteviivoja sisältävillä alueilla rikkonaisuusvyöhykkeitä esiintyi tunnelissa runsaasti.

Geologian tutkimuskeskus 7 3.3 Savion rautatietunnelin rakoilu verrattuna kallion pinnalta tehtyihin havaintoihin Savion rautatietunnelikartoituksissa rakoilu on havainnoitu yhtenä pääominaisuutena. Rakohavaintoja on GTK:n kartoitusaineistossa melko runsaasti (608) ja melko tasaisesti koko linjan matkalta. Havainnot tehtiin rakosuunnittain, eli yksi havainto edustaa rakoparvea, jossa ominaisuudet on todettu. Tunnelihavaintoja on nyt verrattu kallion pinnalta GTK:n "Kallioperän Rakennettavuusmalli taajamiin" -hankkeessa tehtyihin mittauksiin (Pajunen ja muut 2002a), jossa havaintopistetarkkuus oli n. 1 havainto per km2. Raoista verrattiin päärakosuuntia ja 3 rakentamisen kannalta huomionarvoista ominaisuutta: rakoryhmät, savitäytteiset raot ja vaakaraot. Tunnelissa havaintoja tekivät GTK:n kartoittajat ja konsulttiyhtiö Pöyryn Infran kartoittajat. Tarkastelussa ovat olleet mukana nämä molemmat aineistot. Savion tunnelissa tehtyjä rakohavaintoja verrattaessa kallion pinnalta tehtyihin havaintoihin voidaan esittää seuraavaa: Luode kaakko-suunta on sekä tunnelissa että pinnalla dominoiva päärakosuunta. Lounas koillinen-suunta on pinnalla toinen hallitseva suunta, kun taas tunnelissa toinen vallitseva päärakosuunta kulkee pohjois-koilliseen. Tunnelissa itä läntinen-suunta on myös hyvin edustettuna, pinnalla heikommin. Savitäytteisten rakojen pääsuunnat vastaavat kallion pinnalta tunnelin ympäristöstä (10 km leveä vyöhyke tunnelin suunnassa) mitattuja päärakosuuntia. Rakoryhmien suunnat tunnelissa poikkeavat pinnalta mitatuista päärakosuunnista keskittyen itäkoillinen länsilounas-suuntaan. Rakoryhmille ja savitäytteisille raoille löytyy pinnalta tunnelin lähistöltä (0 200 m etäisyydellä) usein vastaavat päärakosuunnat. Tunnelissa havaituille rakoryhmille löytyi kallion pinnalta vain muutamia paikallisesti samansuuntaisia rakoryhmiä. Savitäytteisiä rakoja ei pinnalta ole löytynyt tunnelin läheisyydestä. Rakotäytteet rapautuvat ja huuhtoutuvat kallion pinnalta yleensä ajan kuluessa. Vaakarakoilua esiintyy Savion tunnelissa paikoin vyöhykkeittäin, useassa havaintokohdassa peräkkäin. Kallion pinnalta vaakarakoja ei ole aina havaittu, vaikka niitä tunnelissa samoissa kohdin on mitattukin. Kallion pinnalta GTK:n "Kallioperän Rakennettavuusmalli taajamiin" -hankkeessa tehdyissä mittauksissa havaintopistetiheys oli n. 1 havainto/ km 2 (Pajunen ja muut 2002a). Tälläkin havaintotiheydellä rakosuunnissa on yhtäläisyyttä verrattaessa tunneli- ja pintamittauksia. Jatkossa tulisi tehdä tiheämpää kartoitusta kallion pinnalta suunniteltujen kalliorakentamiskohteiden alueella. Tällöin pinta-aineiston hyödyntäminen rako-ominaisuuksien osalta kalliolaadun arvioinnissa maan alle olisi tehokkaampaa.

Geologian tutkimuskeskus 8 4 LÄNSIMETRON RIKKONAISUUSTULKINNAT Länsimetron tunneli on 13,9 km pitkä ja se koostuu kahdesta vierekkäisestä koko matkan maan alla kulkevasta tunnelista. Tunneleiden louhinta aloitettiin 2011, raporttia laadittaessa. Geologian tutkimuskeskus laati tilaustyönä vuonna 2007 selvityksen Länsimetron kallioperän rikkonaisuusarviointi Matinkylän ja Ruoholahden välillä (Pajunen ja muut 2007, Ikävalko ja muut 2007). Työssä määritettiin eri tahojen tekemien kartoitusten ja pääkaupunkiseudun kallioperäselvitysten perusteella Länsimetroalueelta kallioperän ongelmakohtia (kuva 4). Lisäksi laadittiin yksityiskohtainen kalliopintamalli (kuva 5), johon perustuen rikkonaisuustulkintaa täydennettiin mittakaavassa 1:2000 1:5000 tehdyllä lineamenttitulkinnalla (kuva 6). Kuva 4. Länsimetron alueen tulkitut ongelma-alueet Ikävalko ja muut 2007 mukaan.

Geologian tutkimuskeskus 9 Kuva 5. Kallionpintamalli Otaniemen Tapiolan -alueelta kuva-ala n. 2.5 x 3.5 km. Malli perustuu Espoon ja Helsingin kaupunkien kantakartta-aineistoihin ja pohjatutkimustietoihin. Kuva 6. Kalliopintamalliin perustuva lineamenttitulkinta Länsimetron alueella. Yhteensä 64 Länsimetronlinjausta leikkaavaa rakennetta.

Geologian tutkimuskeskus 10 Rikkonaisuustulkintojen arvioinnissa on käytetty alueella tehtyjä kallionäytekairaustutkimuksia. Vuonna 2009 GTK laati Länsimetro Oy:lle päivityksen Espoon alueen rikkonaisuuskuvasta huomioiden tehtyjen uusien kallioperätutkimusten tulokset (Ikävalko, 2009). Länsimetro Oy päätti vuonna 2010 edelleen täydentää tätä selvitystä myös Helsingin aluetta koskien ja niin että myös Espoon alueella tehdyt uudet tutkimukset huomioitiin. Selvityksen laativat yhteistyössä johtava tutkija Ossi Ikävalko GTK:sta sekä geologi Gustav Westerlund Kalliosuunnittelu Oy Rockplan Ltd:stä. Kaiken kaikkiaan kairausaineisto käsittää n. 19.5 km sydännäytereikää (kuva 7) joista 120 reiässä on tehty videotutkimus. 4.1 Ongelma-alueiden arviointi Ongelma-alueista on jätetty pois ne, jotka eivät ole nykyisellä metrolinjalla tai joista ei ole saatavilla tutkimusaineistoa. Jäljelle jääneiden 22 ongelma-alueen arvioinnista on tehty taulukko, jossa alueet on arvioitu sen mukaan miten hyvin rikkonaisuustulkinnat ja tutkimustulokset korreloivat (taulukko 1). Tulkintoja arvioitaessa on huomioitava, että geologisen rakenteen suunta, erityisesti kaade, ja rikkonaisuusominaisuudet voivat vaihdella syvyyden mukaan. Näin ollen kairauksessa ei välttämättä ole tavoitettu tiettyä rakennetta, mutta myöhempi tutkimus voi silti todistaa sen olemassaolon. Vaakarakoilu Länsimetron alueella melko yleinen vaakarakoilu aiheuttaa paikoin ongelmia louhinnalle. Voimakasta vaakarakoilua esiintyi Matinkylän, Tapiolan, Otaniemen ja Salmisaaren ongelmaalueilla tehdyissä kairauksissa. Matinkylän alueen (ongelma-alue 3) vaakarakoilu on kairausten perusteella tiheää ja tutkimusten perusteella alueella on todettu olevan rikkonaisuusarviointitulkintojen mukaisesti useita paikallisia risteäviä heikkousvyöhykkeitä. Useassa kairareiässä on tavattu hyvin rikkonaista kalliota ja joskus myös savirakoja. Tapiolan aseman ympäristössä kairatuissa rei issä esiintyvä vaakarakoilu on hieman tiiviimpää kuin Matinkylässä. Rakoilu on paikoin hyvin voimakasta, mutta savisuutta ei esiinny. Kairausten perusteella Salmisaaren alueella (ongelma-alue 24) esiintyy rikkonaisuutta melko laajalla alueella. Tämä tulee selvästi esille myös vesimenekkimittauksilla. Lauttasaarensalmen painanne vaikuttaa kairausten perusteella koostuvan sarjasta NW - suuntaisia pystyhköjä vyöhykkeitä, sekä paikoin selvästi havaittavasta runsaasta vaaka- tai loiva-asentoisesta rakoilusta. Paikoin esiintyy myös savirakoja. Siirrosten leikkauskohdat Kehä II:n, Tapiolan, Karhusaaren ja Koivusaaren alueilla on ongelma-alueita, jotka sijoittuvat erisuuntaisten siirrosten leikkauskohtaan. Länsiväylän ja Kehä II:n risteysalueen painanne (ongelma-alue 4) sijoittuu NE - ja NW -suuntaisten hauraiden siirrosrakenteiden leikkauskohtaan. Alueen lähes kaikissa kairauksissa esiintyy rikkonaista kalliota ja päärakosuuntana kairareikien perusteella alueella erottuu selvästi NW SE. Useiden videokuvattujen reikien perusteella rikkonaisuus alueella vaikuttaisi liittyvän sekä länteen kaatuvaan loiva-asentoiseen Ri-vyöhykkeeseen, että NNE - suuntaiseen pystyhköön tiheään avoimeen rakoiluun. Kairatuissa kivissä on nähtävissä voimakkaat hiertymisen merkit, mitkä ilmenevät graniitin suuntauksessa ja lukuisten täytteisten ja kiinni olevien hiusmaisten

Geologian tutkimuskeskus 11 Taulukko 1. Arvio ongelma-alueista. Arviossa käytetty luokittelua: 0= Ei merkkejä rikkonaisuudesta, 1= Esiintyy vähäistä rikkonaisuutta, 2= Selvää rikkonaisuutta ja 3= Voimakkaasti rikkonaista kalliota. Ongelma-alue Arvio Muuta huomioitavaa 1 ei linjalla 2 3 voimakkaasti rapautunut NW -suuntainen heikkousvyöhyke 3 3 tiheä vaakarakoilu 4 2 viitteitä voimakkaasta hiertovyöhykkeestä (myloniittiutunut graniitti) 5 0 ei tavattu merkittävää rikkonaisuutta 6 3 loiva-asentoinen NE -suuntainen rikkonaisuusvyöhyke 7 1 ehjää kalliota, hieman vaakarakoilua 8 2 rakenteessa siirrosbreksiaa ja savisuutta 9 3 voimakas vaakarakoilu 10 3 voimakas vaakarakoilu 11 3 NW -suuntaisia rakoparvia 12 ei kairaustietoa 13 3 tiheää rakoilua ja muutama paha vaaka mururakovyöhyke 14 2 voimakas vaakarakoilu hieman idempänä, savirakoilua 15 1 ei mainittavaa rikkonaisuutta 16 3 laajalti rikkonaista kalliota, jossa paikoin korppukiveä 17 1 kapeita rakotihentymiä, ei heikkousvyhykettä 18 2 heikkousvyöhykeellä hematiittiutunutta sarvivälkegneissiä 19 3 monta eri rikkonaisuusvyöhykettä 20 2 monta eri rikkonaisuusvyöhykettä, ei ehkä yhtä laaja kuin tulkinta 21 3 hiertovyöhyke; siirrosbreksiaa jossa hematiitti-iskosta 22 0 kairauksissa ei tavoitettu merkittävää rikkonaisuutta 23 ei kairaustietoa 24 3 tulkinan mukainen, muutama kapea heikosti rikkonainen vyöhyke 25 3 runsaasti NW-suuntaisia kapeita rikkonaisuusvyöhykkeitä 26 ei kairaustietoa hiertorakojen esiintymisenä. Lisäksi esiintyy savista- ja korppurapautumista. Tämä sama rakenne on tulkittu myös länsiväylän N-puolelle ongelma-alueelle 5, mutta tällä alueella kairauksissa ei ole tavoitettu rikkonaisuutta. Tapiolan itäpuolinen alue (ongelma-alueet 11 ja 13) on tulkittu heikkousrakenteiden risteysalueeksi. Merkittävimmät rakenteet alueella ovat NW -suuntainen siirros ja N - suuntaiset hauraat siirrosrakenteet. Alueella tehdyissä kairauksissa saatiin päärakosuunnaksi 210/35, missä suunnassa myös useimmat rikkonaiset vyöhykkeet ovat. Rikkonaisuus on kairareikien perusteella usein E W -suuntaisina voimakkaina, pystyinä ja avoimina rakotihentyminä. NW SE - suunnassa esiintyy myös usein tiheää rakoilua.

Geologian tutkimuskeskus 12 Karhusaaren ja Koivusaaren alueella (ongelma-alueet 18,19 ja 20) GTK:n arvioinnissa esitetään NE- suuntaisia monivaiheisia siirrosrakenteita, joita edustavat mm. breksiat ja rakotihentymät. Nämä rakenteet leikkaavat voimakasta E W -suuntaista hiertovyöhykettä. Ikävalko ja Westerlund (2010) ovat kuvanneet alueelle useita erisuuntaisia heikkousvyöhykkeitä ja rikkonaista kalliota esiintyy kairauksissa hyvin yleisesti. Kairaustulokset tukevat alueesta esitettyä tulkintaa. Länsiväylän alla olevista kairauksista on tavattu merkittävää rikkonaisuutta, ESE - suuntaisella vyöhykkeellä on leveyttä noin 60 metriä. NW-SE suuntaiset raot GTK:n rikkonaisuusarvioinnin mukaan koko alueella yleisesti esiintyvät pystyhköt NW SE - suuntaiset raot liittyvät samansuuntaisiin siirroksiin. Länsimetron tutkimusalueella näitä NW - suuntaisia rakenteita esiintyy kairausten perusteella hyvin yleisesti. Matinkylän, Tapiolan, Otaniemen ja Salmisaaren kohteissa avoimet NW -rakenteet näkyvät selvimmin. Tiistilän painanteen alueella (ongelma-alue 2) kairaus lävistää rikkonaisuusvyöhykettä, joka kairasydänreiästä tehdyn videokuvauksen perusteella muodostuu tiheästä rakoilusta suunnassa 45/60. Kairauksissa esiintyy huomattavia loiva-asentoisia avoimia rakoja, jotka ainakin kallion pintaosissa ovat savitäytteisiä. Länsiväylän ja Kehä II:n risteysalueella NW SE -suunta erottuu selvästi kairauksissa päärakosuuntana alueella. Kairauksissa on saatu lukuisia kapeita lävistyksiä rikkonaisesta kalliosta. Alueella näyttäisi olevan myös rakotihentymiä. Tapiolan kirkon (ongelma-alue 11) alueella on voimakkaaksi päärakosuunnaksi määritetty kairasydänreiästä tehtävän videokuvauksen perusteella 210/35. Alueelle on tulkittu NW - suuntainen lineamentti, jota kairausten perusteella edustavat kapeat, melko voimakkaasti rapautuneet rakoparvet. Rakoparvien päärakosuuntina esiintyvät pystyhköt NW SE ja NE SW, sekä vaakarakoilu. Alueen kallio on hyvin laajasti rikkonaista. 4.1.1 Lineamenttitulkinnan arviointi Arvioinnissa on käsitelty kallionpintamallin 1:5000 lineamenttitulkinnat (kuva 7). Tulkittuja vyöhykkeitä (kuva 6) arvioitiin kallionäytekairausten perusteella. Metrolinjaukselle tulkituista 64 lineamenttivyöhykkeestä on kairaamalla lävistetty 55 kpl. Vain 9 kpl tulkintaa on lävistämättä.

Geologian tutkimuskeskus 13 Kuva 7. Länsimetron kallionäytekairauksia vaalean sinisellä, punainen väri kuvastaa kalliolaatua RiIV, sininen RiIII. Reikien pituudet n. 100 m. Mustat viivat edustavat erilaisia tulkittuja lineamentteja (no 5 ja 6). Metrotunneli harmaalla. Lineamentin 6 kohdalla on kairauksilla tavoitettu selvästi rikkonaista kalliota. Vyöhyke 5 erottuu heikommin Kallionäytekairausten tulokset olivat käytettävissä 3D -mallina Länsimetron alueelta. Tulkintojen paikkansapitävyyttä arvioitiin kunkin vyöhykkeen osalta seuraavalla luokittelulla: Ei merkkejä rikkonaisuudesta Esiintyy vähäistä rikkonaisuutta Selvää rikkonaisuutta Voimakkaasti rikkonaista kalliota Arvioinnin tulokset on esitetty kuvassa 8. Arviointitulosten perusteella voidaan sanoa, että laaditut tulkinnat pitävät erinomaisen hyvin paikkansa. Kallionäytekairausten perusteella on kuitenkin melko vaikeaa arvioida lävistettyjen vyöhykkeiden todellisia suuntia. Tulkinnat korreloituvat hyvin havaitun rikkonaisuuden kanssa, mutta edustavatko tulkinnat myös suunnaltaan kallioperän rakennetta on kysymys, johon saadaan vastaus vasta tunnelin louhinnan ja kartoituksen jälkeen.

Geologian tutkimuskeskus 14 45 % 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Ei merkkejä rikkonaisuudesta Esiintyy vähäistä rikkonaisuutta Selvää rikkonaisuutta Voimakkaasti rikkonaista kalliota Kuva 8. Rikkonaisuuden esiintyminen (%) kalliopintamallista tulkituissa lineamenteissa (N=64). 5 KALLIOINFO-ALUEEN HEIKKOUSVYÖHYKETULKINNAN ARVIOINTI PÄIJÄNNETUNNELIHAVAINTOJEN PERUSTEELLA 5.1 Päijännetunneli Päijännetunneli johtaa raakavettä Päijänteestä Helsingin seudulle ja se turvaa noin miljoonan ihmisen puhtaan veden saannin. Tunnelin louhinta kesti noin 10 vuotta ja se valmistui v. 1982. Päijännetunnelin kokonaispituus on 120 km ja se on maailman pisin yhtenäinen kalliotunneli. Tunneli kulkee 30 100 metrin syvyydellä maan pinnasta. Päijänne-tunnelin 64 km pitkä pohjoisosa peruskorjattiin vuonna 2001 tunnelissa tapahtuneen sortuman vuoksi. Eteläosa peruskorjattiin vuonna 2008. Sellaisia sortumakohtia kuin pohjoisosalla ei ole eteläosalla havaittu. Peruskorjaustarve aiheutui siitä, että suomalaisen kallioperän kestävyys osoittautui aikaisempaa käsitystä huonommaksi varsinkin veden täyttämissä rakenteissa. Kalliota vahvistettiin erityisesti ruiskubetoniverhouksella olennaisesti enemmän kuin 1970- luvulla tehtiin. Korjaustyön jälkeen noin 30 % tunnelin seinistä ja katosta on nyt vahvistettu. 5.2 Päijännetunnelin tutkimusaineisto Geologian tutkimuskeskus teki omana työnä Päijännetunnelin louhintavaiheessa 1972 1982 tunnelin geologisen kartoituksen (Suominen 1998). Työn ensisijainen tarkoitus oli tehdä havain-

Geologian tutkimuskeskus 15 toja kallioperästä sen selvittämiseksi kuinka vain hyvin pieneltä osalta paljastuneesta kallioperästä tehdyt 1:100 000 kallioperäkartat pitivät paikkansa. Päijännetunnelista saatu vertailuaineisto osoitti Suomisen mukaan yksiselitteisesti, että kallioperäkartat kuvaavat hyvin alueensa kallioperää. Päijännetunnelin geologista kartoitusta varten GTK:n kartoitusryhmä (3 4 henkeä) sai yleensä luovutuskunnossa olevassa tunnelissa kullekin kuiluvälille 2 työpäivää, siis yhden päivän n. 8 km:n pituisen tunneliosuuden kartoitusta varten ja toisen päivän näytteiden ottoon ja valokuvaukseen. Päijännetunnelin geologisen kartoituksen päähuomio kohdistui tunnelin kivilajivaihteluun ja tavallisimpien rakenteiden (liuskeisuus ja viivaus) suuntausmittauksiin. Rakoilua ja ruhjeita ei kireän aikataulun vuoksi voitu kartoittaa systemaattisesti, mutta niistäkin tehtiin havaintoja ja otettiin valokuvia sekä näytteitä. Kallioperän rakoilu- ja rikkonaisuustarkastelun kannalta GTK:n tekemän geologisen kallioperäkartoitusaineiston rajoitteena on se, että geologinen kartoitusta päästiin tekemään Päijännetunnelissa vasta siinä vaiheessa, kun tunnelin rikkonaisimmat kohdat oli jo betonoitu. Pääkaupunkiseudun Vesi Oy:ltä on saatu työkäyttöä varten Päijännetunnelin sijainti- ja lujitusaineistot sekä videokuvausaineistot tunnelin eteläosasta (paaluluvut 0 64000). Lujitus- ja videokuvaushavainnot on esitetty profiilipiirroksina siten, että kukin piirros kattaa 500 m: n pituisen osuuden tunnelista. Profiilipiirroksissa on esitetty 1: 1000 mittakaavassa erikseen eri vaiheissa tehdyt betonoinnit, pultitukset ja injektoinnit sekä videokuvauksissa havaitut asiat, kuten sortumat, pohjalle tippuneet kivet, vesivuodot ja saostumat. Lisäksi profiilissa on esitetty tärkeimpiä havaintoja GTK:n tekemän geologisen kartoituksen tuloksista. Profiilissa on myös tunnelin korkeustason lisäksi maanpinnan taso ja kalliopinnan asema, jos se on määritetty. 5.3 5.3 KallioINFO-alueen heikkousvyöhyketulkinta Päijännetunnelin alueella Päijännetunnelin eteläosa sijaitsee noin 64 km:n osuudelta KallioINFO-hankkeen tutkimusalueella. Kuvassa 9 on esitetty Päijännetunnelin sijainti KallioINFO-alueen heikkousvyöhyketulkintakartalla. Heikkousvyöhykkeet on tulkintakartassa luokiteltu eri suuruusluokkiin taulukon 2 mukaista luokittelua käyttäen. Tehdyn tarkastelun perusteella Päijännetunnelilinjan poikki kulkee 159 tulkittua heikkousvyöhykettä jakaantuen eri suuruusluokkiin seuraavasti: 1A luokka = Erittäin suuria alueellisia heikkousvyöhykkeitä 5 kpl 1B luokka = Suuria alueellisia heikkousvyöhykkeitä 20 kpl II luokka = Alueellisia heikkousvyöhykkeitä 42 kpl III luokka = Merkittäviä paikallisia heikkousvyöhykkeitä 92 kpl

Geologian tutkimuskeskus 16 Taulukko 1. 1:20 000 lineamenttitulkinnan tuloksen luokitteluun käytetty kallioperän heikkousvyöhykkeiden suuruusluokittelu. Suuruusluokittelu on modifioitu aiemmasta luokittelusta (Salmi et al. 1985). Heikkousvyöhykkeen suuruusluokka 1A Erittäin suuri alueellinen heikkousvyöhyke 1B Suuri alueellinen heikkousvyöhyke II alueellinen heikkousvyöhyke III Merkittävä paikallinen heikkousvyöhyke Heikkousvyöhykkeen pituus (km) Heikkousvyöhykkeen leveys pinnalla (m) Syvemmällä vyöhyke kapeampi (Niini 1968) 40 useita satoja Kokonaisleveys 200 yli 1000 muodostuu useista vierekkäisistä 1b IV luokan heikkousvyöhykkeistä 20 40 50 200 5 20 10 50 1 5 2 10

Geologian tutkimuskeskus 17 Kuva 9. Päijännetunnelin eteläosan sijainti KallioINFO-alueen heikkousvyöhyketulkintakartalla