Hästholmenin kallioperän luokittelu loppusijoitustilojen rakennettavuuden kannalta

Työraportti 99-73 Hästholmenin kallioperän luokittelu loppusijoitustilojen rakennettavuuden kannalta Kari Äikäs (toim.) Annika Hagros Erik.Johansson Hanna Malmlund Ursula Sievänen Henry Ahokas Eero Heikkinen Petri.Jääskeläinen Paula Ruotsalainen Pauli Saksa.Joulukuu 999 POSIVA OY Mikonkatu 5 A, FIN-0000 HELSINKI, FINLAND Tel. +358-9-2280 30 Fax +358-9-2280 379

INSINÖÖRITOIMISTO SAANIO & RIEKKOLA OY SAA TE Sö:. 999 2<3. t"l.. TYÖRAPORTIN KÄSIKIRJOITUKSEN TARKASTAMINEN JA TILAAJA: Posiva Oy Mikonkatu 5 A 0000 HELSINKI TILAUS: 95499/AJH Saanio & Riekkola Oy J/. j _ YHTEYSHENKILÖT: Ff Aimo Hautajärvi Dl Reijo Riekkola PosivaOy ~~~- Saanio & Riekkola Oy TYÖRAPORTTI: 99-73 HÄSTHOLMENIN KALLIOPERÄN LUOKITTELU LOPPU SIJOITUSTILOJEN RAKENNETTAVUUDEN KANNALTA TEKIJÄT: TkL Kari Äikäs ( toim.) Saanio & Riekkola Oy ~ nsson Saanio & Riekkola Oy Saanio & Riekkola Oy?!}~~~'\ Dl Hanna Malmlund Saanio & Riekkola Oy ')~ ~\~~ FM Ursula Sievänen Saanio & Riekkola Oy TARKASTAJA: &--~ Dl Timo Saanio varatoimitusjohtaja Saanio & Riekkola Oy HYVÄKSYJÄ: ~/ / ~ Rci;?Rlekkola Saanio & Riekkola Oy toimitusjohtaja Osoite Saanio & Riekkola Oy Laulukuja 4 00420 HELSINKI Puhelin (09) 566 6500 Telefax (09) 566 3354 Krnro 227.854 Helsinki

Työraportti 99-73 Hästholmenin kallioperän luokittelu loppusijoitustilojen rakennettavuuden kannalta Kari Äikäs (toim.) Annika Hagros Erik Johansson Hanna Malmlund Ursula Sievänen Henry Ahokas Eero Heikkinen Petri Jääskeläinen Paula Ruotsalainen Pauli Saksa Joulukuu 999

Työraportti 99-7 3 Hästholmenin kallioperän luokittelu loppusijoitustilojen rakennettavuuden kannalta Kari Äikäs (toim.) Annika Hagros Erik Johansson Hanna Malmlund Ursula Sievänen Saanio & Riekkola Oy Henry Ahokas Eero Heikkinen Petri Jääskeläinen Paula Ruotsalainen Pauli Saksa Fintact Oy Joulukuu 999 Karttaoikeudet: Maanmittauslaitos lupa nro 4 /MYY/99 Pasivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia. Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.

HÄSTHOLMENIN KALLIOPERÄN LUOKITTELU LOPPUSIJOITUSTILOJEN RAKENNETTAVUUDEN KANNALTA TIIVISTELMÄ Loviisan Hästholmenin kallioperää on tutkittu yhtenä vaihtoehtoisena loppusijoituspaikkana Suomen ydinvoimalaitosten käytetylle polttoaineelle. Loppusijoitusvaraston sijoitussyvyyteen, sijaintiin ja pohjaratkaisun muotoon vaikuttaa kallioperän rakennettavuus. Rakennettavuus puolestaan riippuu useista kallioperän ominaisuuksista kuten kivilaji-, rakoilu- ja hydrogeologisista ominaisuuksista, kallion jännitystilasta, pohjavesikemiasta ja kallioteknisistä ominaisuuksista. RakenneHavuutta voidaan arvioida luokittelumenetelmällä, joka perustuu kalliotilaa ympäröivän kalliomassan ominaisuuksien kokemusperäiseen arviointiin. Tämä voi perustua osittain esimerkiksi jännitystilan ja kivinäytteiden mittaustuloksiin, mutta erityisesti se perustuu kalliorakentamisesta saatuihin käytännön kokemuksiin. Tämän rakennettavuusluokituksen tarkoituksena on osoittaa Hästholmenin kallioperästä loppusijoitustilojen rakentamiseen soveltuvat alueet. Kalliomassa luokitellaan kolmeen rakennettavuusluokkaan: normaali-luokkaan, vaativa-luokkaan ja erittäin vaativa -luokkaan. Vertailukelpoisuuden vuoksi esitetään myös kansainvälisesti tunnettu NGI-luokitus (Q-luku). Luokittelu perustuu Hästholmenin alueella tehtyihin karakterisointitutkimuksiin, jotka käsittävät maan pinta- ja reikätutkimuksia. Useat kallion rakennettavuuteen vaikuttavat luokitusparametrit näyttäisivät riippuvan selvimmin siitä, kuuluuko tarkasteltava kalliotilavuus kiinteään kallioon vai rakenteeseen, sekä kallion sijaintisyvyydestä. Kiinteän kallion kivilajien väliset ja sisäiset laatuerot tutkimusalueelia näyttäisivät vähäisiltä. Suoritetun kallioluokituksen perusteella Hästholmenin kaikki kivilajit ja kalliolohkot sijoittuvat rakennettavuudeltaan normaali-luokkaan noin 600 m syvyyteen asti. Tasarakeinen rapakivi sijoittuu normaali-luokkaan myös tätä syvemmällä. Yli 600 m syvyydessä loppusijoitustilojen rakennettavuuden arvioidaan vaikeutuvan merkittävästi viborgiitti-pyterliitissä ja porfyyrisessä rapakivessä empiirisen NGI-luokituksen perusteella, johtuen kallioperässä vallitsevasta jännitystilasta. Tärkeimpiä loppusijoitustilojen asemointia rajoittavia tekijöitä syvyyden ohella ovat eräät hydrogeologisesti tai kallioteknisesti merkittävät rakoiluvyöhykkeet. Avainsanat: Y dinjäte, loppusijoitus, rakennettavuus, kallio, luokittelu, Q-luku, Hästholmen

ENGINEERING ROCK MASS CLASSIFICATION OF THE HÄSTHOLMEN INVESTIGATION SITE ABSTRACT Hästholmen in Loviisa has been investigated as a possible site for the fmal disposal of spent nuclear fuel from the Finnish nuclear power plants. The selection of the depth, placement and layout of the repository is affected by the constructability of the bedrock. The constructability, in tum, is influenced by several properties of the host rock, such as its lithology, the extent of fracturing, its hydrogeological properties and rock engineering characteristics and also by the magnitude and orientation of the in situ stresses and the chemistry ofthe groundwater. The constructability can be evaluated by the application of a rock classification system in which the properties of the host rock are assessed against common rock engineering judgments associated with underground construction. These judgments are based partly on measurements of in situ stresses and the properties of the bedrock determined from rock samples, but an important aspect is also the practical experience gained from underground excavation in general. The aim of the engineering rock mass classification was to determine suitable bedrock volumes for the construction of the repository and has used data from the site characterization programme carried out at Hästholmen, which consisted of both surface studies and borehole investigations. The classification specifies three categories of constructability - normal, demanding and very demanding. In addition, rock mass quality has also been classified according to the empirical Q-system to enable a comparison to be made. The rock mass parameters that determine the constructability of the bedrock at Hästholmen depend primarily on the depth, as well as on whether construction takes place in intact or in fractured rock. The differences in the characteristics of intact rock within a single rock type and between different rock types have been shown to be small. The major lithological units at Hästholmen, the viborgite-pyterlite rapakivi granite and the even-grained rapakivi granite, lie in the normal category of constructability to a depth of 600 m (viborgite-pyterlite) or 700 m (even-grained rapakivi). At greater depths the level of constructability decreases, due to increased levels of in situ stress, and the construction of a repository would become more difficult. The most important factor that is likely to determine the location of a repository at Hästholmen besides the depth is the presence of particular fracture zones. Keywords: Nuclear waste, fmal disposal, constructability, rock mass, classification, Q-system, Hästholmen

ESIPUHE Teollisuuden Voima Oy (TVO) ja Fortum Power and Heat Oy varautuvat käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoittamiseen Suomen kallioperään. Loppusijoituspaikka valitaan vuoden 2000 loppuun mennessä. Loppusijoituksesta ja sitä varten tehtävästä tutkimusja kehitystyöstä huolehtii voimayhtiöiden omistama Posiva Oy. Tässä raportissa käsitelty kallioluokitus on osa PARVI-projektin työtä. Luokituksen avulla on tarkoitus paikantaa loppusijoitustilojen rakentamiseen soveltuvat kalliotilavuudet Hästholmenin tutkimusalueella. Vastaava kallioluokitus on tehty Kivetyn, Olkiluodon ja Romuvaaran tutkimusalueilta. Tämän raportin luvut, 3, 5 ja 6 sekä kappaleet 4.., 4..2, 4..3, 4..5, 4..6, 4.2., 4.2.4, 4.3.3, 4.4., 4.4.2, 4.4.4, 4.5, 4.7 ja 4.8 on laadittu Saanio & Riekkola Oy:ssä. Luku 2 sekä kappaleet 4..4, 4.2.2, 4.2.3, 4.2.5, 4.3., 4.3.2, 4.4.3 ja 4.6 on laadittu Fintact Oy:ssä. Raportin kokoaminen on tehty Saanio & Riekkola Oy:ssä.

SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ESIPUHE SISÄLLYSLUETTELO... JOHDANTO... 3 2 HÄSTHOLMENIN KALLIOMALLI........ 5 2. Yleistä... 5 2.2 Kivilajimalli... 8 2.3 Rakennemalli... 2 2.4 Kalliolohkot... 5 3 KALLION RAKENNETTAVUUDEN ARVIOINTI... 23 3. Yleistä... 23 3.2 Kallion luokitteluparametrit... 26 3.3 Rakennettavuusluokat... 28 3.4 Alueelliset muuttujat... 32 4 KALLION LUOKITTELU... 35 4. Kivilajiominaisuudet... 35 4.. Mineraalikoostumus... 35 4..2 Liuskeisuusaste... 36 4..3 Raekoko... 36 4..4 Rapautumisaste... 36 4..5 Lujuus- ja muodonmuutosominaisuudet.... 39 4..6 Lämpötekniset ominaisuudet... 42 4.2 Rakoiluominaisuudet... 44 4.2. Päärakosuunnat... 44 4.2.2 Rakotiheys... 44 4.2.3 Rakopituus... 47 4.2.4 Rakojen kitkaominaisuudet... 48 4.2.5 Rakoavauma... 62

2 4.3 Hydrogeologiset ominaisuudet... 56 4.3. Kiinteän kallion vedenjohtavuus... 56 4.3.2 Rako- ja rikkonaisuusvyöhykkeiden vedenjohtavuus... 58 4.3.3 Kallion tiivistystarve ja tiivistettävyys... 60 4.4 Rakennetyyppi... 64 4.4. Yleistä... 64 4.4.2 Kiinteä, rikkanainen ja ruhjeinen kallio... 64 4.4.3 Vettäjohtava kallio... 67 4.4.4 Rakennettavuus... 67 4.5 Jännitystila... 68 4.5. Mittaukset ja jännitystila... 68 4.5.2 Lujuus-jännityssuhde... 69 4.6 Pohjavesikemia... 72 4.6. Tutkimusaineisto... 72 4.6.2 Pohjaveden ph... 72 4.6.3 Sulfaattipitoisuus... 73 4.6.4 Vapaa hiilidioksidi... 73 4.6.5 Ammoniumpitoisuus... 75 4.6.6 Magnesiumpitoisuus... 75 4.6.7 Kloridipitoisuus... 76 4.6.8 Radanpitoisuus... 77 4. 7 Kalliotekniset ominaisuudet... 79 4.7. Porattavuus... 79 4.7.2 Räjäytettävyys... 80 4.7.3 Murskattavuus... 80 4. 7.4 Lujitettavuus... 80 4.8 NGI-Iuokitus (Q-Iuku)... 84 4.8. Q-luvun määrittäminen... 84 4.8.2 Kalliolaatu Q-luvun perusteella... 87 5 TULOSTEN TARKASTELU JA JOHTOPÄÄTÖKSET... 99 6 YHTEENVETO... 09 LÄHDELUETTELO... 3 LIITE : Rakenteiden kitkaominaisuuksien jakautuminen met reinä ja prosentuaalisesti keskimäärin yhtä kairauslävistystä kohti... 7 LIITE 2: Hästholmenin rakenteiden mitatut vedenjohta vuudet ja vettäjohtavaksi arvioitu rakoilu... 9 LIITE 3: Vedenjohtavuusominaisuuksien rakennekohtainen tarkastelu... 23

3 JOHDANTO Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitos (kuva -) käsittää suunnitelmien mukaan maanpinnalla sijaitsevan laitosalueen ja sen alapuolella sijaitsevaan kallioon louhittavat loppusijoitustilat Maanpinnan ja loppusijoitustilojen väliset yhteydet hoidetaan kolmen pystykuilun tai mahdollisesti myös ajotunnelin kautta. Loppusijoitustilat käsittävät nykyisen perussuunnitelman mukaan keskustunnelin, sijoitustunnelit ja kuilujen alapään lähistölle sijoitettavat aputilat Käytetty polttoaine pakataan kuparikapseleihin, joiden halkaisija on noin m ja pituus 3.6 tai 4.8 m. Kuparikapselit asennetaan sijoitustuoneleiden lattiaan porattaviin pystysuoriin reikiin, joiden halkaisija on noin.7 m, syvyys 6.6 tai 7.8 m ja keskinäinen etäisyys 7.5-8 m. Kuparikapselin ja kallion väli täytetään bentoniitilla ja sijoitustunnelit täytetään esimerkiksi murskeen ja bentoniitin seoksella. Aikanaan kalliotilat, kuilut mukaan lukien, täytetään esimerkiksi murskeella ja bentoniitilla, ja kuilujen yläpäät suljetaan massiivisilla teräsbetonirakenteilla. Loppusijoitustilojen lopulliseen sijoitussyvyyteen ja tunneliston muotoon vaikuttavat sijoituspaikan kallioperän geologiset, hydrogeologiset, hydrogeokemialliset ja kalliomekaaniset ominaisuudet. Tässä raportissa kuvataan Hästholmenin tutkimusalueen kallioperäominaisuudet kallioluokituksen avulla. Työn tarkoituksena on arvioida alueen kallioperän rakennettavuutta loppusijoitustilojen asemoinnin kannalta. Luokittelun lähtöaineistona ovat Hästholmenissa tehdyt sijoituspaikkatutkimukset ja niiden perusteella laadittu kolmiulotteinen kalliomalli. Sijoituspaikkatutkimukset käsittävät sekä maanpinta- että reikätutkimuksia. Luokitustyössä käytettiin reikätutkimuksista vain Hästholmenin saarella kairattuja tutkimusreikiä KR - KR4, joiden tulokset oli huomioitu kalliomallissa luokitustyön aloitusvaiheessa. Myöhemmin kairattujen tutkimusreikien KR5 - KR9 tuloksia ei siten ole huomioitu. Rakennettavuusluokitus perustuu pääosin kalliorakentamisesta saatuihin käytännön kokemuksiin. Kalliolaadusta esitetään vertailukelpoisuuden vuoksi lisäksi kansainvälisesti tunnettu NGI-luokitus (Q-luku), jota käytetään yleisesti kalliorakentamisessa. V alitulla loppusijoituspaikalla tullaan tekemään tarkentavia maanalaisia lisätutkimuksia ennen loppusijoituslaitoksen rakentamisen aloittamista. Merkittävin osa näistä tutkimuksista on suunniteltu suoritettavaksi rakennettavasta tutkimuskuilusta ja/tai -tunnelista käsin.

4 LAITOSALUE KESKUSTUNNELI SDOITUSfUNNELI Kuva -. Loppusijoituslaitoksen periaatekuva.

5 2 HÄSTHOLMENIN KALLIOMALLI 2. Yleistä Kalliomalli kuvaa tutkimusalueen kallioperän kivilajeja sekä niitä halkovia, ympäristöään runsaammin rakoilleita rako- ja rikkonaisuusvyöhykkeitä. Kalliomalli esittää havainnollisessa muodossa kenttämittaustulosten perusteella tehdyt tulkinnat ja päätelmät kivilajien ja rikkonaisuusvyöhykkeiden sijainnista ja ominaisuuksista. Malli edustaa käytettävissä olevan tutkimustiedon perusteella todennäköisintä kuvausta tutkimusalueen kallio-oloista. Kalliomallin lähtötietoja ovat kenttämittaustulokset, niiden perusteella tehdyt tulkinnat sekä asiantuntija-arviot. Kivilajit ja rikkonaisuusvyöhykkeet on mallinnettu erillisiksi kivilaji- ja rakennemalleiksi. Mallin rakenteet on luokiteltu niistä olevan tiedon määrän ja havaintojen laadun perusteella. Kalliomalli on laadittu käyttäen Pesivan tietokoneavusteista kalliomallinnusjärjestelmää, ROCK-CADiä (Saksa 995). Kalliomalli tarjoaa alueen tutkimuksia suunnitteleville ja kenttämittausten tuloksia tulkitseville asiantuntijoille yhtenäisen kuvan alueen kallioperästä. Pohjavesivirtausten arvioimiseksi laaditut laskentamallit samoin kuin geokemiallista kehitystä valottavat mallit perustuvat kalliomallissa esitettyihin geometria- ja ominaisuustietoihin. Mallia on käytetty myös yhtenä tämän uoki tusraportin lähtöaineistona. Hästholmenin kalliomallin kattama alue on suuruudeltaan noin 30 km 2 ja se käsittää Hästholmenin ja Tallholmenin saarten sekä Källan niemen lisäksi runsaasti merialueita. Osa mallinnetusta alueesta on esitetty kuvassa 2.-. Mallinnettu kalliotilavuus on kaikkiaan yli 45 km 3 ja se ulottuu 500 metrin syvyyteen. Kalliomallissa käytetyt merkinnät ja selitykset on esitetty kuvassa 2.-2. Tässä työssä tarkastellaan ainoastaan maanpintaja kairaustutkimusten kattamaa Hästholmenin saaren aluetta (kuva 2.2-). Loppusijoitustila on suunniteltu rakennettavan kuvassa 2.2- esitetylle alueelle. Kallioluokituksessa on käytetty Hästholmenin kivilajimallin versiota 2.0 ja rakennemallin versiota 2.0 (Lindh et al. 998). Malleissa on huomioitu kairanrei'istä KR - KR4 tehtyjen havaintojen lisäksi VLJ-tutkimusten aikaisten tärkeimpien Y-tutkimusreikien sekä porakone- ja pohjavesireikien tiedot (Anttila 988, IVO International 996).

6 3463500 6695000,,,,,,,, ITASARAK.RAPAKI WFGR.......-_.n ----...,..--=---==~~... IPYTI 0 m 500 ~ Kuva 2.-. Kalliomallin kivilajien ja rakenteiden maanpintakartta Hästholmenin alueelta.

7 LOV 5A KALLIOMALLI Luokitus JO graafiset merkinnät RAKENTEET Laji Nimiosu Todettu Avonoista toi l"unsaampao l"okoiluo Rakovyöhyke Rikkonoisuusvyöhyke C>Ri tai ~Rp2) Ruhjevyöhyke KIVILAJIT XX XX XX @ ~ 6 Varmuusluokka Todennäköinen Mahdollinen Muu v i i te ~.,., m fl L_J,..--.., ~~ ~ 'o(jj 'o(jj,~,~ 'f 'f - -- - -- r---.., r---- VIBORGIITTI ~[TI[] r- PYTERL II TT ~IPYTI ~ TUMMA PYTERLIITTI ~ ITUMPYTI r- VIBORGIITTI-PYTERLIITTI L j IVIBPYTI r- TASARAKEINEN RAPAKIVI ~ ITASRPGRI r- PORFYYR NEN RAPAK V ~ IPORRPGRI MUUT MERKINNÄT K~tf 4.- KAIRANREIKÄ ~ SUUNNITELTU KAIRANREIKÄ KR ~ MAAN ALTA ALKAVA KAIRANREIKÄ REIÄN REUNAVIIVAN TYYPPI: REIÄN ETÄISYYS LEIKKAUSTASOSTA Om-20m 20m-00m >00m EP ~ LPVA ö ERITASOPIETSOMETRI POHJAVESIASEMA PORANREIKÄ MAAN ALTA ALKAVA PORANREIKÄ Kl INTOPISTE '"'''"" VON TONT N RAJA ~ KAADEMERKINTÄ ""o.. POIKKILEIKKAUKSEN SIJAINTI TOPOGRAFIA RANTAVIIVA KORKEUSKÄYRÄT HÄSTHOLMEN MUU ALUE 2, 4, 6 m 2.5 jo 5 m --- 8, 0, 2 m 0 m 4, 6,... m 5, 20,... m Kuva 2.-2. Hästholmenin kalliomallin merkintöjen selitykset.

8 2.2 Kivilajimalli Kivilajimalli on laadittu paljastumakartoitusten ja aerogeofysiikan magneettisten tulosten perusteella. Tutkimusrei'istä on saatu tietoja kivilajien rajapinnoista ja muutoksista syvyyden suhteen. Hästholmenin tutkimusalue kuuluu geologisesti laajaan Kaakkois Suomen rapakivialueeseen. Kivilajien esiintyminen maanpinnalla on esitetty kuvissa 2.- ja 2.2- sekä 500 m syvyydellä kuvassa 2.2-2. Kivilajien asentoa ja esiintymistä tutkimusalueen keskiosassa on havainnollistettu kuvassa 2.2-3. Kivilajimalli kuvaa eri kivilajien suhteellisia osuuksia ja niiden keskinäisiä suhteita. Monien kivilajiyksiköiden laajuus, syvyysulottuvuus, kaade ja kaarlesuunta ovat epävarmoja. Mikäli niiden kaadetta ei tunneta, se on oletettu pystyksi. Kairausnäytteiden perusteella kivilajikontaktit eivät yleensä yhdy rakovyöhykkeisiin. Kuitenkin esimerkiksi rakenne R8 seuraa tasarakeisen rapakivigraniitin ja viborgiitti-pyterliitin kontaktia. Kivilajikontakteissa ei yleensä esiinny sen runsaampaa rakoilua tai rapautumista kuin kivilajiyksiköiden sisälläkään. Kivilajikontaktien vallitseva kaarlesuunta on pohjoiseen - itään. Hästholmenin tutkimusalueen pääkivilaji on viborgiitti-pyterliitti (VIBPYT). Rapakivigraniitin muita alatyyppejä, viborgiittiä, pyterliittiä ja tummaa pyterliittiä esiintyy myös tutkimusalueella, mutta ne kaikki on mallinnetto viborgiitti-pyterliitiksi. Eri alatyyppien esiintymisalueet on kuitenkin esitetty maanpintakartoissa eri värisävyin. Viborgiitti-pyterliitin lisäksi kivilajimallissa on eroteltu omiksi yksiköikseen tasarakeisen rapakivigraniitin (TASRPGR) ja porfyyrisen rapakivigraniitin (PORRPGR) esiintymät. Laajin yhtenäinen, maanpinnalle puhkeava tasarakeisen rapakivigraniitin esiintymä sijaitsee Hästholmenin saaren lounaispuolisella merialueella. Vaihtelevan paksuisena vyöhyke ulottuu koilliseen Hästholmenin saaren ja mantereen välistä vesialuetta myötäillen. Muodostuma on jyrkkäkaateinen. Siihen liittynee Hästholmenin saaren alla oleva loivasti itään- koilliseen kaatuva tasarakeisen rapakivigraniitin vyöhyke. Porfyyristä rapakivigraniittia esiintyy tasarakeisen rapakivigraniitin seassa pieninä osueina. Keskimäärin esiintymien kaarlesuunta on noin 0 ja kaade noin 20.

9 VIBPYT Kuva 2.2-. Hästholmenin saaren alueella sijaitsevien kivilajien sekä todettu- ja todennäköinen-luokan rako- ja rikkonaisuusvyöhykkeiden maanpintakartta. Vihreä katkoviiva esittää viborgiitti-pyterliitin ja pyterliitin esiintymisalueen rajaa.

0 ITASRPGRI 6695000 ',,,,,,,,,,,,,,,,,, ',,,,,,,,,,,,,,,,, 0 m 250 Z = -500 m,.........,,,, ' Kuva 2.2-2. Hästholmenin saaren alueen kivilajien sekä rako- ja rikkonaisuusvyöhykkeiden sijainti 500 m syvyydellä. Kairanreikien projektiaan on merkitty pisteellä tällä syvyydellä sijaitseva kohta.

m E 0 CD CD c 0.w () () (f) Kuva 2.2-3. Kivilajien ja rakenteiden sijainti pohjoisluode-eteläkaakkosuuntaisessa, reikien KRI ja KR3 välistä kulkevassa leikkauksessa, katselusuunta länsilounaasta. Reikien KRJ ja KR3 kivilaji- ja rakennehavainnot on projisoitu leikkaustasoon.

2 2.3 Rakennemalli Hästholmenin kallioperä on valtaosin kiinteää, harvaan rakoillutta kalliota. Ympäröivää kalliota selvästi voimakkaammin rakoilleet tai rikkanaiset vyöhykkeet on kuvattu kalliomallissa erillisinä rakenteina. Malliin sisältyy yhteensä 25 nimettyä rakennetta (tunnus R+numero). Lisäksi malliin sisältyy muita, mahdollisia rakenneviitteitä. Rakenteiden osuus mallinnustilavuudesta on laskentatavasta riippuen 5-5 %. Niiden sijainnin ja ominaisuuksien tunteminen on tärkeää loppusijoitustilojen asemoinoin ja esimerkiksi pohjaveden virtausreittien arvioinnin kannalta. Rakenteiden sijaintia ja ominaisuuksia on mallinnettu mm. seuraavien tutkimustulosten perusteella: kallionäytekairaukset, aerogeofysiikan mittaukset, hydrauliset kokeet sekä geofysikaalisetmaanpinta-ja reikämittaukset Rakenteet on luokiteltu sekä rakoiluominaisuuksiensa että niistä käytettävissä olevan tiedon mukaan. Rakenteiden paksuus vaihtelee muutamasta metristä muutamaan kymmeneen metriin ja niiden pituusulottuvuus vaihtelee sadoista metreistä kymmeniin kilometreihin. Rakenteet oletetaan jatkuviksi ja paloittain tasomaisiksi. Mallinnettuihin rakenteisiin voi sisältyä myös ehjää (kiinteää) kalliota. Rakoiluominaisuuksiensa perusteella rakenteet on luokiteltu neljään ryhmään. Avonaista tai runsaampaa rakoilua ryhmään kuuluvat jaksot, joiden geometria on tulkittu ja joiden rakotiheys on pieni. Näissä on kuitenkin havaittu vähintään yksi vettäjohtava, jatkuva avorako. Näitä vyöhykkeitä on tavattu yksi kappale. Rakovyöhykkeiksi on luokiteltu jaksot, joiden rakoilu kuuluu rakennusgeologisen kallioluokituksen (Korhonen et al. 974) mukaan luokkiin Rill-illja rapautuminen luokkiin Rp0-. Rakennemalli sisältää yhdeksän rakovyöhykettä. Rikkonaisuusvyöhykkeisiin kuuluviksi luetaan jaksot, joiden rikkonaisuusluokitus on suurempi kuin Riill tai ne kuuluvat rapautumisasteeltaan luokkaan Rp2 tai suurempi. Rikkonaisuusvyöhykkeissä rakotiheys on suurempi kuin 0 kpllm ja raot ovat täytteisiä tai avoimia. Rikkonaisuusvyöhykkeitä on mallinnettu 5 kappaletta. Niistä osa on moniosaisia ja tietyt osat on voitu luokitella rakovyöhykkeiksi. Voimakkaimmin ruhjeiset ja rapautuneet jaksot kuuluvat ruhjevyöhykkeisiin. Alueelliset rakenteet ovat Hästholmenin mallissa pääosin eri asteisia lineamentteja (merkitty LIN-tunnuksin). Rakenteet on luokiteltu myös niistä käytössä olevan tiedon perusteella neljään luokkaan. Todettuihin rakenteisiin kuuluvat ne rakenteet, joista on vähintään yksi suora paljastuma- tai reikähavainto. Hästholmenin mallissa on lisäksi VLJ-mallin mukaiset rakenteet R, R2 ja R3 luokiteltu todettuihin, vaikka niistä ei ole suoria havaintoja (NO International 996). Todennäköisistä rakenteista on saatu viitteitä vähintään kahdella epäsuoralla menetelmällä, esimerkiksi geofysikaalisilla mittauksilla ja lineamenttitulkinnalla. Asiantuntija-arvion perusteella todennäköinen rakenne on voitu luokitella todettuihin rakenteisiin, jos siitä on saatu tietoa useilla tutkimusmenetelmillä. Mahdollinen-luokkaan kuuluvasta rakenteesta on saatu tietoja yhdellä epäsuoralla menetelmällä. Mahdollisia rakenteita ovat R5 ja R6, jotka kuvaavat muutaman samansuuntaisen raon muodostamaa parvea eikä niitä pidetä rakennettavuuden kannalta merkittävinä (NO Intemational 996). Muihin rakenteisiin kuuluvat epävarmat tai vaihtoehtoiset rakenneviitteet, joiden on arvioitu olevan hyödyksi tulkinnassa ja jatkotutkimusten suunnittelussa. Rakenne-

3 mallin rakenteista 9 on todettuja, 4 todennäköistä ja 2 mahdollista. Alueen rakennemalliin sisältyviä muita rakenteita ei käsitellä tässä yhteydessä. Taulukossa 2.3- on esitetty rakenteiden havaintokohdat, asennot ja todelliset paksuudet kairanrei' issä. Rakenteiden geometrinen tieto, ulottuvuus, kaade ja kaadesuunta, perustuu epäsuoriin mittauksiin ja niiden tulkintaan kuten tutkimusrei'issä tehtyihin seismisiin heijastusluotauksiin, VLJ-vaiheen sähköisiin reikien välisiin luotauksiin tai koepumppausten tuloksiin. Rakennemallin suurimmat epävarmuudet ovat rakenteiden ulottuvuudet ja niiden asento. Malli on tarkin kairanreikien KR- KR4 kattamalla alueella. Tulkintojen perusteella rakenteista 4 kpl on jyrkkäkaateista (kaade yli 60 ), loivakaateisia (kaade alle 30 ) rakenteita on 0 kpl ja keskikaateisia on yksi. Rakenteiden pääasiallinen kaarlesuunta on pohjoiseen-itään. Mallinnettujen rakenteiden lisäksi kairanrei'istä on tavattu rakennelävistyksiä, joita ei ole pystytty yhdistämään muitten reikien rakennelävistyksiin tai joiden ulottuvuudesta ja asennosta ei ole saatu tietoa muilla menetelmillä. Nämä lävistykset on varustettu RX -tunnuksella. Mallintamattomien rakennelävistysten osuus on suhteellisen suuri (noin 45 % reikäpituudesta), koska rakennemallin päivitys 2.0 on laadittu reikätutkimusten tulkintojen ollessa vielä kesken. Kallion rako- ja rikkonaisuusvyöhykkeiden esiintymistä tutkimusalueen maanpinnan tasossa on havainnollistettu kuvissa 2.- ja 2.2- sekä 500 m syvyydessä kuvassa 2.2-2. Kuvassa 2.2-3 on esitetty pohjoisluode-eteläkaakkosuuntainen leikkaus Hästholmenin saaren poikki. Siitä voidaan havaita kivilajien ja rakenteiden pohjoiseen- itään viettävä kaarletrendi sekä loiva-asentoisten, moniosaisten rakenteiden runsaslukuisuus.

4 Taulukko 2.3-. Hästholmenin kairanrei'issä lävistettyjen, rakennemalliin sisältyvien rakenteiden leikkaus kohdat, asennot ja paksuudet. Rakenne- Reikä Alkupiste Loppupiste Kaarlesuunta Kaade Todellinen tunnus (m) (m) (0) CO) paksuus (m) - - Rl A KR 75 20 20 4 40.4 A KR2 05 25 20 4 9.5 c 36 39 20 4 2.9 A KR3 92 00 20 4 7.5 c 27 32 20 4 4.7 B KR4 2 5 20 4 2.8 A 5 25 20 4 9.2 c 49 52 20 4 2.8 R3 KR2 375 380 34 3 4.9 KR3 276 284 34 3 6.6 KR4 79 84 34 3 4.8 R7 KR3 348 352 25 60 3. R9 B KR 53 532 35 75 0.7 R8 A KR2 424 45 30 20 26.0 B 460 478 30 20 7.4 c 484 49 30 20 6.8 A KR3 308 329 30 20 5.9 B 337 348 30 20 8.3 B 352 364 30 20 9. c 397 404 30 20 5.3 B KR4 23 22 30 20 7.7 c 266 270 30 20 3.8 - - - -------r ----- --- ---- -- R9 A KR 858 86 225 5 2.5 B 88 883 220 5.7 c 887 890 225 5 2.5 D 903 908 225 5 4. E 94 95 220 5 8.3 F : 967 97 225 5 3.3 A KR2 793 796 225 5 2.6 B 808 82 220 5 3.5 c 86 820 225 5 3.5 D 850 855 225 5 4.4 E 879 884 220 5 4.4 F 908 90 225 5.8 R20 KR 248 254 90 6 5.4 KR2 24 248 90 6 6.9 R2 KR 603 608 80 29 4.6 R22 KR4 526 533 250 20 6.2

5 2.4 Kalliolohkot Tarkastelualueen kallio jaettiin lohkoihin rakennettavuuden arviointia varten. Lohkot ovat mallinnusvaiheessa kallioteknisesti ja/tai hydrogeologisesti (Lindh et al. 998) merkittävimmiksi arvioitujen rakenteiden rajaamia kalliotilavuuksia. Lohkoittain tehtävä arviointi antaa kuvan rakennettavuuteen vaikuttavien tekijöiden alueellisesta vaihtelusta. Lohkojaon lähtökohtana oli alueen kalliomalli. Työn teknistä suoritusta varten kehitettiin työtapa ja sovellusohjelmisto (Nummela 998). Lohkojaon periaatetta on havainnollistettu kuvassa 2.4-. Lohkoja tarkastelutilavuuden reunoilla rajaavat rakenteet ja lohkojen väliset rakenteet on esitetty taulukossa 2.4-. Rakenteet R ja R3 eivät ole hydrologisesti merkittäviä eikä niiden kalliomekaanista merkitystä tunneta. Nämä rakenteet kulkevat pitkin Hästholmenin saaren rantoja rajaten siten luontevasti tarkastelutilavuuden Hästholmenin saarelle. Rakenteet R, R3 ja R9 eivät ulotu maanpintaan tarkastelualueella. Lohkot kattavat syvyysvälin maanpinnalta 000 metriin. Lohkojaossa pyrittiin siihen, että kustakin lohkosta olisi käytettävissä riittävästi tutkimusaineistoa rakennettavuuden arvioimiseksi ja lohkojen vertailemiseksi. Lohkotarkastelu kattaa Hästholmenin saaren alueen ja sen pohjoispuolisen merialueen. Källan niemi ja Tallholmenin saari muodostavat myös kumpikin oman lohkonsa. Niitä ei kuitenkaan otettu tarkasteluun mukaan, koska näiltä alueilta ei ole käytettävissä kairaustietoa. Kalliomallin rakenteiden lisäksi tarkastelualuetta rajaa lännessä linja Y = 3463500. Lohkojaon tuloksena syntyi seitsemän lohkoa, joiden ominaisuudet on esitetty taulukossa 2.4-3. Lohkojen sijainti maanpinnalla, 500 m syvyydellä sekä tutkimusreikien kautta piirretyissä pystyleikkauksissa on esitetty kuvissa 2.4-2- 2.4-5. Kuvassa 2.4-6 on kolmiulotteinen havainnollistus lohkojen sijainnista. Kuva 2.4-. Havainnekuva kalliolohkosta sitä rajaavine rakenteineen (Nummela 998).

6 RakenneHavuutta eri kriteerein arvioitaessa lohkoja rajaavien rakenteiden ominaisuuksia ei sisällytetty lohkojen ominaisuuksiin. Lohkojen sisään jäävät rakenteet käsiteltiin joko erillisinä tai niiden ominaisuudet sisällytettiin lohkojen ominaisuuksiin luokittelukriteeristä riippuen. Rakenteiden sijoittuminen eri lohkoihin on esitetty taulukossa 2.4-2. Taulukko 2.4-. Lohkojaon perustana olevat rakenteet ja niiden arvioitu merkittävyys. Rakennetunnus Kalliotekninen Hydrogeologinen merkittävyys merkittävyys (T-arvo 500 m syvyydellä) RlA-B merkittävä ei merkittävä (le-06) R3 merkittävä merkittävä (le-05) R7 merkittävä merkittävä (le-05) RlOB ei merkittävä merkittävä (le-05) Rll ei tietoa ei merkittävä (le-06) R2 ei tietoa merkittävä (le-05) R3 ei tietoa ei merkittävä (le-06) R5 ei merkittävä merkittävä (le-05) R9 merkittävä merkittävä (le-05) Taulukko 2.4-2. Rakenteiden sijoittuminen kalliolohkoihin. Lohko/ Lohkoa rajaavat rakenteet Lohkoa leikkaavat rakenteet Rakenne Lohko Rl, R7, Rll, Rl2, Rl 3, Rl 5 R2, R4, R5, R6, R9A, R9B, Rl6, Rl 7, R23 Lohko2 Rl, R7, Rl OB, Rll R2, R8,R9A, R9B,RlOA Lohko 3 Rl, R3, R7, RlOB R2, R4, R8, R9A, R9B, RlOA, R20, R2 --- - - Lohko4 R3, R7, RlOB, Rll, R2, R9 R5, R6, R9A, R9B, RlOA, R8A, R8C, R2 Lohko 5 R3, R7, R3, R9 R2, R5, R6, R9A, R6, R7, R8, R22, R23 Lohko 6 RlOB, R5, R9 R5, R6, R9A, R9B Lohko7 Rl, R3, R7, R5 R2,R4,R5,R6,R9A,R20

7 Taulukko 2.4-3. Hästholmenin kalliolohkojen tunnusluvut. Lohko/ Reikäosuudet Tilavuus Ulottuvuudet Kivilajiosuudet Ominaisuus! (m) (milj. m 3 ) X, Y jaz (%) Lohko i KR3 0-92 44 X: 6694700-66960 viborgiitti-pyterliitti 95 % Lohko2 KR4 0-2 Y: 3463500-3464580 tasarakeinen rapakivi 5 % Z: -2-0 0-75 33 X: 6695400-6696980 viborgiitti-pyterliitti 5 % :~! 0-05 Y: 3463500-3464390 tasarakeinen rapakivi 49% Z: -02-0 Lohko 3 KRl 20-569 247 X: 669530-6697080 viborgiitti-pyterliitti 48 % KR2 25-375 y : 3463500-3464400 tasarakeinen rapakivi 52% Z: -627- -28 Lohko4 KRl 569-858 300 X: 6694730-669670 viborgiitti-pyterliitti 29 % KR2 380-793 y : 3463500-3464660 tasarakeinen rapaki vi 69 % KR3 352-803 Z: -875--27 porfyyrinen rapakivi 2% Lohko 5 KR3 284-348 209 X: 6694540-6695850 viborgiitti-pyterliitti 34 % KR4 84-00 y: 3463500-3464650 tasarakeinen rapaki vi 66 % Z: -99- -23 Lohko 6 KRl 97-002 3 X: 6694650-6696700 viborgiitti-pyterliitti 80 % KR2 90-006 y: 3463500-3464680 tasarakeinen rapaki vi 20 % i Z: -000--735 Lohko 7 KR3 00-276 4 X: 669520-6696060 viborgiitti-pyterliitti 95 % KR4 25-79 Y: 3463500-3464430 tasarakeinen rapakivi 5 % Z: -334- -63

8 3464000 4500.................. 6695000...,... 0 m 250 r.ok 2. 0/Lhk 0/PS/ Kuva 2.4-2. Maanpintakartta kalliolohkoista. Kuvassa on lisäksi esitetty kairanreiät ja maanpintaan puhkeavat R-rakenteet todettu-luokasta mahdollinen-luokkaan.

9 3464000 3464500............... 6695000...,..................,,,,,,,,,, \............... 0 m 250... '...... ' 2-NOV-99o.l Lhk/ Kuva 2.4-3. Vaakaleikkaus Hästholmenin kalliolohkaista 500 m syvyydeltä. Reiän sijainti tällä syvyydellä on merkitty ympyrällä.

20 Y:346345 X:6696526 Z: 0 Y:3463794 X:669699 Y:346472 X:6695872 Lohko2 R20 Lohko3 Z:-500 Z:-000 0. Z: 0 Y:3464390 X:6695782 Lohko6 0. 250 3 win 33~.359 55.6 63.8863 37.353 Kuva 2.4-4. Kalliolohkojen ja rakenteiden sijainti reikien KRJ ja KR2 kautta kulkevissa pystyleikkauksissa.

2 Lohko2 Y:34648 X:6695987 Lohko6 O 250 Yz3464046 Xz6695499 Yz3464255 Xz6695045 Kuva 2.4-5. Kalliolohkojen ja rakenteiden sijainti reikien KR3 ja KR4 kautta kulkevissa pystyleikkauksissa.

22 'OF P'l j::: 'OF 0 "' N N ~ N 'OF "' 0 "' 'OF 0 Dl c :J: ~ Q. '.l<t :5 _, Dl Dl ~., Dl N..w :5 ' N 0..w 0 '-..w.t::. ' _, ' ~ (. ' :l..., c ~ ~ 0... c LI.. Kuva 2.4-6. Kolmiulotteinen havainnekuva lohkojen sijainnista. Kallio on leikattu auki länsiluode-itäkaakkosuunnassa reikien KR3 ja KR4 kautta, katselusuunta on etelälounaasta.

23 3 KALLION RAKENNETTAVUUDEN ARVIOINTI 3. Yleistä Kallion käyttäytyminen kalliotiloja louhittaessa riippuu kiven materiaaliominaisuuksista, kallion sisältämien rakojen määrästä ja ominaisuuksista sekä kalliossa vallitsevasta jännitystilasta. Arvioitaessa kallion laatua loppusijoitustilojen rakennettavuuden kannalta, on edellä mainittujen tekijöiden lisäksi huomioitava myös kallion hydrauliset ominaisuudet, pohjaveden kemiallinen koostumus ja kalliotekniset ominaisuudet. Koska kaikki edellä mainitut osatekijät saattavat samankin tunnelin tai luolaston alueella vaihdella huomattavasti, voi erilaisia huomioon otettavia kallio-olosuhteita olla suuri määrä. Kalliotilojen suunnittelussa ja rakentamisessa ei kallio-olosuhteiden vähäistä vaihtelua ole aina mahdollista tai tarpeenkaan huomioida. Kallion monimuotoisuudesta johtuen sen keskeiset olosuhteet on pyritty yksinkertaistamaan kallion luokittelun avulla samankaltaiset ominaisuudet omaaviin ja samalla tavoin käyttäytyviin kalliotyyppeihin. Luokitukset rajoittuvat yleensä kalliolaadun kuvailemiseen rakennettavuuden kannalta. Luokituksissa kallion laatu määritellään tavallisesti kvalitatiivisesti kallion laatuominaisuuksia kuvailemalla tai kvantitatiivisesti laskemalla kalliolle sen joitakin laatuominaisuuksia kuvaava indeksi. Ensin mainittuun ryhmään kuuluu esim. Suomessa käytetty rakennus geologinen kallioluokitus (Korhonen et al. 974, Gardemeister et al. 976). Toiseen ryhmään kuuluvat esim. sellaiset maailmassa laajalti käytetyt luokitusmenetelmät kuin RQD-luku (Hoek & Brown 982), NGI-luokitus (Barton et al. 974, Grimstad & Barton 993) ja RMR-luokitus (Bieniawski 976). RQD-luvulla tarkoitetaan yli 00 mm pituisten, kiinteiden kairausnäyteosasten prosentuaalista osuutta kairausnäytteen pituudesta eli se voi vaihdella välillä 0-00 %. RQDluku määritetään useimmiten reikämetriä kohti. Sen määrittämisessä huomioidaan raot ja rapaumat. Kairaustekniikasta ja näytteen käsittelystä aiheutuneita katkoksia tai näytteen rikkoutumista ei lasketa mukaan. RQD-luvun ja kalliolaadun välinen riippuvuus ilmenee taulukosta 3.-. Rakomäärän ja rapaumien lisäksi kallion rakennettavuusominaisuuksiin vaikuttaa moni muukin kallio-ominaisuus, eikä RQD-lukua voi siten pitää yksinään kovin hyvänä kalliolaatua kuvaavana tunnuslukuna. Sen määrityksen helppouden vuoksi RQD-lukua käytetään yleisesti suuntaa antavana indeksinä. Taulukko 3.-. RQD-luvunja kalliolaadun välinen riippuvuus (Hoek & Brown 982). RQD-Iuku Kalliolaatu < 25 o/o Erittäin huono 25-50% Huono 50-75% Kohtalainen 75-90% Hyvä 90-00% Erinomainen

24 RMR-luku määritellään kuuden pisteytetyn kalliomuuttujan avulla, jotka ovat yksiaksiaalinen puristusmurtolujuus (pisteytys 0-5), RQD-luku (pisteytys 3-20), rakoväli (pisteytys 5-20), rakojen laatu (rakopituus, avauma, rakopintojen karkeus, rakotäyte ja rapautuneisuus; pisteytys yhteensä 0-30), pohjavesiolosuhteet (pisteytys 0-5) ja rakosuuntien vaikutus (pisteytys 0 - -60). Kallion RMR-luku määritellään kalliomuuttujien pistesummanaja kalliolaatu sen avulla taulukon 3.-2 mukaisesti. NGI-luokituksessa kallion laatuluku Q (taulukko 3.-3) määritellään kuuden kalliomuuttujan avulla (kaava 3.-), jotka ovat RQD-luku (vaihteluväli 0-00), rakosuuntien lukumäärä Jn (vaihteluväli 0.5-20), rakopintojen karkeus Jr (vaihteluväli 0.5-4), rakopintojen muuttuneisuus Ja (vaihteluväli 0.75-20), kallion vedenläpäisevyys Jw ( vaihteluväli 0.05 - ) ja jännitystilaluku SRF ( vaihteluväli 0.5-400). Tarkemmin Q-luvun määritys on esitetty luvussa 4.8. 3.- Hoek et al. (995) mukaan Q-luku voidaan muuttaa RMR-luvuksi kaavalla 3.-2. Muutoskaava perustuu viitteen mukaan vertailukohteisiin, joissa RMR on ollut 85 tai pienempi. RMR = 9lnQ + 44 3.-2 Jos muutetaan kaavan 3.-2 avulla NGI-luokituksen heikko-luokka (Q = - 4) RMR-luvuksi, saadaan tätä vastaavaksi RMR-luvuksi 44-56, joka sijoittuu RMR-luokituksessa kohtalainen-luokkaan. RMR-luku siten yliarvioi kalliolaatua Q-lukuun verrattuna. Olennaisimmin RMR- ja Q-luku poikkeavat toisistaan siinä, että Q-luku huomioi jännitystilan ja pohjaveden paineen yhteisvaikutuksen, mutta ei rakoilun suuntausta suhteessa tunnelin suuntaan ja rakopituutta, jotka taas RMR-luku huomioi. Q-luku mittaa kallion laatuominaisuuksia melko monipuolisesti, mutta se ei kuitenkaan huomioi esim. pohjavesikemiaa eikä kallioteknisiä ominaisuuksia, jotka kuitenkin vaikuttavat loppusijoitustilojen rakennettavuuteen. Q-luku voi olla saman suuruinen kahdella louhinnassa hyvin erilaisesti käyttäytyvällä kalliolaadulla, esimerkiksi ehjällä, korkeassa jännityksessä olevalla kalliolaadulla ja rikkonaisella, alhaisessa jännitystilassa olevalla kalliolaadulla. Tämä merkitsee sitä, että kaksi saman Q-luvun omaavaa kalliota voi käyttäytyä louhinnassa eri tavoin ja vaatia myös erilaisen louhinta- ja lujitustavan. Myös RMR-luku mittaa kallion laatuominaisuuksia melko monipuolisesti, mutta se ei esim. huomioi jännitystilaa, pohjavesikemiaa eikä kallioteknisiä ominaisuuksia. Vaikka RMR-luku huomioikin rakoilun suunnan suhteessa tunnelin suuntaan, ei sitä ominaisuutta voitaisi tässä työssä käyttää, koska loppusijoitustunneleiden suuntaa suhteessa rakosuuntiin ei vielä tiedetä.

25 Taulukko 3.-2. Kalliolaatu RMR-luvun perusteella. Kallio laatu/ Kallioluokat ----- Luokka II IV V RMR-Iuku (pistesumma) Kalliolaadun kuvaus 00-8 80-6 60-4 40-2 ~20 erittäin hyvä hyvä kohtalainen huono erittäin huono Taulukko 3.-3. Kalliolaatu Q-luvun perusteella. Kallion laatuluokka Q-Iuku A Poikkeuksellisen hyvä (Exceptionally good) 400-000 Erittäin hyvä (Extremely good) 00-400 Varsin hyvä (Very good) 40-00 B Hyvä (Good) 0-40 c Kohtalainen (Fair) 4-0 D Heikko (Poor) -4 E Hyvin heikko (Very poor) 0.- F Erittäin heikko (Extremely poor) 0.0-0. G Poikkeuksellisen heikko (Exceptionally poor) 0.00-0.0 Tässä työssä kallion luokittelussa päädyttiin kuvailevaan, empiiriseen tarkastelutapaan. Luokittelu tehtiin läpinäkyvästi siten, että kallion rakennettavuusolosuhteet ovat jäljitettävissä kallioperän yksittäisiin ominaisuuksiin. Lisäksi tehtiin vertailukelpoisuuden vuoksi NGI-luokitus. Se valittiin siksi, että NGI-luokitus (Q-luku) on kansainvälisesti tunnettu ja se huomioi kallioperän jännitystilan ja pohjaveden paineen, jotka ovat kumpikin tärkeitä ominaisuuksia syvällä sijaitsevien kalliotunneleiden rakennettavuuden kannalta. Q-lukua käytettiin myös lujitettavuuden arviointiin. Tehdyn kallioluokituksen tavoitteena on ollut loppusijoituspaikkojen kalliotutkimustietojen systemaattinen analysointi rakennettavuuden kannalta. Tarkoituksena ei ole ollut uuden kallioluokitusmenetelmän kehittäminen. Rakennettavuusluokitus perustuu pääasiassa kallionäytekairauksiin ja kairanrei'issä tehtyihin tutkimuksiin, mutta myös pintatutkimustuloksia on käytetty. Yhtenä olennaisena lähtötietona on lisäksi käytetty kalliomallia.

26 3.2 Kallion luokitteluparametrit Luokitteluun mukaan otettujen kallio-ominaisuuksien valintaperusteena oli niiden kokemusperäisesti arvioitu merkittävyys kalliotilojen rakennettavuuden kannalta. Luokiteltaviksi kallio-ominaisuuksiksi valittiin ) kallion laatutekijät, 2) jännitystila, 3) pohjavesikemia ja 4) kalliotekniset ominaisuudet. Näitä kuvaavat luokitusparametrit on esitetty taulukossa 3.2-. Kallion laatutekijät ryhmiteltiin kivilajiominaisuuksiin, rakoiluominaisuuksiin ja hydrogeologisiin ominaisuuksiin (taulukko 3.2-). Näiden avulla määriteltiin lisäksi kallion rakennetyyppi, joka kuvaa kalliolaatua sen merkittävimpien rakennettavuuteen vaikuttavien laatutekijöiden avulla (taulukko 3.2-2). Rakennetyypeistä kiinteä kallio, rikkanainen kallio ja ruhjeinen kallioovat toisensa poissulkevia rakennetyyppejä. Ne kaikki luokiteltiin myös vettäjohtavaksi kallioksi, jos niiden vedenjohtavuus K ~ E-8 rnls. Taulukko 3.2-. Loppusijoituskallion luokitusparametrit.. Kallion laatutekijät 2. Jännitystila 3. Pohjavesi- 4. Kalliotekniset kemia ominaisuudet A. Kivilajiominaisuudet: - suurin vaaka- -ph - porattavuus - mineraalikoostumus jännitys (crh) - liuskeisuusaste - hiilidioksidi - räjäytettävyys - raekoko - pienin vaaka- (vapaa) - rapautumisaste jännitys ( crh) - murskattavuus - lujuusominaisuudet - ammonium - lämpötekniset ominaisuudet - pystyjännitys (crv) - lujitettavuus - magnesium B. Rakoiluominaisuudet: - lujuus-jännitys- - päärakosuuntien lukumäärä suhde (UCS/crH) - sulfaatti - rakotiheys - rakopituus - kloridi - rakojen kitkaominaisuudet - rakoavauma - radon C. Hydrogeologiset ominaisuudet: - vedenjohtavuus - tiivistettävyys - arvioitu vuotovesimäärä D. Rakennetyyppi

27 Taulukko 3.2-2. Kallion rakennetyypit. Kallion rakennetyyppi Kiinteäkallio Rakennetyypin kuvaus - kivilajiominaisuudet voivat vaihdella vapaasti, lukuunottamatta rapautumisastetta -kivi rapautumatonta tai korkeintaan melko runsaasti rapautunutta (Rp-2) - rakotiheys vaihtelee harvarakoisesta runsasrakoiseen - kairausnäytteen rakoluku on enintään 0 kpl/m r:akojen jakamien kalliolohkojen koko on vähintään 30 dm 3 --- Rikkonainen kallio rakojen jakamien kalliolohkojen koko on pienempi kuin 30 dm 3 - tiheimmän rakosuunnan rakoväli on alle 0. m - kairausnäytteen rakoluku on suurempi kuin 0 kpl/m - rakojen täytteisyys on vähäistä Ruhjeinen kallio - rakojen jakamien kalliolohkojen koko on pienempi kuin 30 dm 3 Vettäjohtava kallio - tiheimmän rakosuunnan rakoväli on alle 0. m - kairausnäytteen rakoluku on suurempi kuin 0 kpl/m - raoissa on savitäytettä tai kalliosavea esiintyy runsaasti! -kivi voimakkaasti rapautunutta (Rp2, Rp3) - kiinteä, rikkanainen tai ruhjeinen kallio, jonka vedenjohtavuus K ~ E-8 m/s Kallion jännitystilaa varsinaisesti kuvaavia parametreja ovat suurin ja pienin vaakajännitys ja vertikaalijännitys. Luokituksen kannalta tärkein tunnusluku on kuitenkin kiven yksiaksiaalisen puristusmurtolujuuden suhde suurimpaan vaakajännitykseen eli lujuusj ännityssuhde. Pohjavesikemian parametrien valinta perustui muiden kuin radonin osalta betonitekniikassa tunnettuihin kemiallisiin riskitekijöihin (Suomen Betoniyhdistys 992, Leinonen 997). Radon otettiin mukaan, koska säteilylaki edellyttää sen huomioimista työpaikkojen hengitysilmassa. Kallioteknisistä ominaisuuksista porattavuus, räjäytettävyys ja murskattavuus riippuvat paljolti kivilajiominaisuuksista. Lujitettavuus riippuu pääasiassa kallion rakoiluominaisuuksista, hydrogeologisista ominaisuuksista, lujuudesta ja jännitystilasta.

28 3.3 Rakennettavuusluokat Kallio luokiteltiin rakentamisen kannalta merkittäviksi arvioitujen kallioparametrien avulla. Kaikki tarkastellut luokitusparametrit luokiteltiin kolmeen rakennettavuusluokkaan: normaaliin, vaativaan ja erittäin vaativaan (taulukot 3.3- - 3.3-7). Normaali-luokkaan kuuluu kallio, jossa tilat voidaan rakentaa normaaleja kalliotiloissa käytettyjä rakennusmenetelmiä, materiaaleja ja työtehoja käyttäen, ottaen kuitenkin huomioon kohteen vaativuuden. Esimerkiksi räjäytettävyyden ja lujitettavuuden osalta tämä merkitsee tunnelilouhintaa päätylouhintana poraus-räjäytysmenetelmällä 4-5 m katkonpituudella ja kallion lujittamista pulteilla ja ruiskubetonilla pääasiassa louhinnan jälkeen. Vaativa-luokkaan kuuluu kallio, jossa tilojen rakentamisessa joudutaan käyttämään merkittävästi normaalia kalliimpia menetelmiä ja materiaaleja, työ hidastuu merkittävästi tai työturvallisuusriskien hallintaan joudutaan panostamaan merkittävästi normaalia enemmän. Esimerkiksi räjäytettävyyden ja lujitettavuuden osalta tämä merkitsee tarvittaessa esi-injektointia, tunnelilouhintaa päätylouhintana poraus-räjäytysmenetelmällä 3-4 m katkonpituudella, kallion välitöntä lujitusta jokaisen louhintakatkon jälkeen ja lopullista lujitusta pulteilla ja paksuhkolla ruiskubetonilla louhinnan jälkeen. Taulukko 3.3-. Loppusijoitustilojen rakennettavuusluokat kallion kivilajiominaisuuksien perusteella. Kivilaji ominaisuus/ Normaali Vaativa Erittäin vaativa Luokka Mineraalikoostumus tavalliset kivilajeja voimakkaasti paisu- voimakkaasti paisuvien muodostavat mine- vien savimineraalien savimineraalien erittäin raalit merkittävä pitoisuus merkittävä pitoisuus Liuskeisuusaste suuntautumaton - koh- voimakas liuskeisuustalainen liuskeisuus- aste aste --- Raekoko hieno - karkea tiivis Rapautumisaste rapautumaton tai vä- runsaasti rapautunut runsaasti - täysin rapauhän rapautunut kivi- kivilaatu (Rp2) tunut kivilaatu (Rp2-3) laatu (Rp0-) - ------- Lujuusominaisuudet crucs ~ 00 MPa crucs = 50-00 MPa crucs < 50 MPa Lämpötekniset omi- K > 2.5 Wm-I K- K = 2.0-2.5 Wm- K- K < 2.0 Wm- K- naisuudet

29 Erittäin vaativa -luokkaan kuuluu kallio, jossa toteutuksessa joudutaan käyttämään erittäin paljon normaalia kalliimpia menetelmiä ja materiaaleja, työ hidastuu erittäin merkittävästi tai työturvallisuusriskien hallintaan joudutaan panostamaan erittäin merkittävästi normaalia enemmän. Esimerkiksi räjäytettävyyden ja lujitettavuuden osalta tämä merkitsee tarvittaessa esi-injektointia ja ennakkolujitusta, tunnelilouhintaa päätylouhintana poraus-räjäytysmenetelmällä - 3 m katkonpituudella, kallion välitöntä lujitusta jokaisen louhintakatkon jälkeen ja lopullista lujitusta järeällä teräsbetonirakenteella joko ruiskuttamalla tai paikallavaluna. Taulukko 3.3-2. Loppusijoitustilojen rakennettavuusluokat kallion rakoiluominaisuuksien perusteella. Rakoiluominaisuus/ Normaali Vaativa Erittäin vaativa Luokka Päärakosuuntien - 3 4 5 tai enemmän lukumäärä Rakotiheys RQD=5-00 RQD = 26-50 RQD = 0-25 --- - -- ---- ----- - -- Rakopituus <5m 5-0m >0m Kitkaominaisuudet Jr = 4.0-.5 Jr =.0 Jr = 0.5 (karkeus, muuttunei- Ja= 0.75-3.0 Ja= 4.0-8.0 Ja= 0.0-20.0 suus ja kitkakulma) <> ~ 5 5 ~ <> ~ 7 <>< 70 Avauma ei täytettä tai kova kova täyte > 5 mm tai pehmeä täyte > 5 mm, täyte< 5 mm pehmeä täyte < 5 mm erityisesti paisuva savi Taulukko 3.3-3. Loppusijoitustilojen rakennettavuusluokat 300-700 m syvyydellä kallion hydrogeologisten ominaisuuksien perusteella. Hydrogeologiset omi- Normaali Vaativa Erittäin vaativa naisuudet!luokka - -- ---- ------------ -- ---- -.... --- -- -------- Vedenjohtavuus - K < E-9 m/s - K = E-9 - E-8 m/s - K> E-8 m/s - ei lainkaan tai vain -joitakin vettäjohtavia - kohtalaisesti tai harvoja vettäjohtavia rako ja runsaasti vettäjohrako ja tavia rakoja Tiivistettävyys - tiivis kallio, joka ei vaikeasti tiivistettävä erittäin vaikeasti tarvitse tiivistystä kallio, joka voidaan tiivistettävä kallio, (K::; l E-9 m/s) tiivistää vedenjohta- jonka vedenjohtavuuteen le-8 m/s ~ vuus tiivistettynä- - kallio, joka voidaan K> le-9 m/s kin on tiivistää vedenjohta- K> le-8 m/s vuuteen K::; le-9 m/s Vuotomäärä (litraa/ <5 5-20 >20 min/00 m tunnelia)

30 Kuvailtaessa kallion rakennettavuutta tässä raportissa käytetyn rakennettavuusluokituksen avulla, joudutaan aina määrittelemään ne luokitusparametrit, joiden avulla kalliota kuvataan, koska ne voidaan valita tarpeen mukaan. Jos kalliolaatu halutaan kuvata mahdollisimman kattavasti esim. loppusijoitustilojen asemoinnin suunnittelua varten, se tulisi määritellä kaikkien luokitusparametrien avulla. Taulukko 3.3-4. Loppusijoitustilojen rakennettavuusluokat tilatyypeittäin kallion rakennetyypin ja Q-luvun perusteella. Ominaisuus/Luokka Normaali Vaativa Erittäin vaativa - - - -... ---- - -- ------ - -...-----... -- -- - - - - - --------- ----- ------- ---- - Kiinteäkallio suuntaukseton - kohta- voimakkaasti suunlaisesti suuntautunut: tautunut: Rikkonainen kallio tunnelit ja kuilut tunnelit ja kuilut tunnelit ja kuilut Ruhjeinen kallio tunnelit ja kuiut --------- -- -- --- -- Vettäjohtava kallio tunnelit ja kuilut, kun tunnelit ja kuiut, kun tunnelit ja kuilut, (vuotomäärä/00 m vuotomäärä vuotomäärä kun vuotomäärä tunneli pituutta) < 5 /min/00 m 5-20 /min/00 m > 20 /min/00 m Q-luku 000- -0.04 <0.04 Taulukko 3.3-5. Loppusijoitustilojen rakennettavuusluokat tilatyypeittäin kallion lujuus-jännityssuhteen perusteella. Jännitystila/Luokka Normaali Vaativa Erittäin vaativa Stabiili kallio tunnelit ja kuilut CJucsfcrH > 0 - -- - - ------t-- ------- ----- ------ --i-- --- ------- Mahdollinen hilseily tunneli! ja kuilut CJucslcr" = 5-0 Kohtalainen hilseily crucslcr" = 3-5 Kallioräiske CJucsfcrH < 3 tunneit ja kuiut tunnelit ja kuiut

3 Taulukko 3.3-6. Loppusijoitustilojen rakennettavuusluokat pohjaveden kemiallisen koostumuksen perusteella. Pohjaveden koostumus/ Luokka Normaali Vaativa Erittäin vaativa ph-olosuhteet >5.5 5.5-4.5 <4.5 Sulfaatti (mg/) <600 600-3 000 >3 000 --~ -02, vapaa (mg/) - < 30 30-60 >60 Ammonium (mg/) <30 30-60 >60 Magnesium (mg/) <300 300-500 > 500 Kloridi (mg/) < 000 000-4000 >4 000 Radon (Bq/) <500 500-2 000 >2000 - Taulukko 3.3-7. Loppusijoitustilojen rakennettavuusluokat kallioteknisten ominaisuuksien perusteella. Kalliotekninen omi- Normaali Vaativa Erittäin vaativa naisuus /Luokka Porattavuus helposti tai normaa- vaikeasti porattava erittäin vaikeasti poratlisti porattava (esim. tiivisrakeinen tai tava (esim. ruhjeinen erittäin kova kivi) kallio) Räjäytettävyys helposti tai normaa- vaikeasti räjäytettävä erittäin vaikeasti räjäylisti räjäytettävä ( esim. voimakas suun- tettävä (esim. ruhjeinen tautuneisuus tai tiheä kallio) rakoilu) Murskattavuus helposti tai normaa- vaikeasti murskattava erittäin vaikeasti murslisti murskattava ( esim. voimakkaasti kattava (esim. ruhjeinen suuntautunut tai sitkeä kallio) kivi) Lujitettavuus kiinteä kallio, joka vaikeasti lujitettava erittäin vaikeasti lujitetei tarvitse normaalia (esim. vettäjohtava tava (esim. ruhjeinen järeämpää lujitusta kallio tai rikkonainen kallio, joka vaatii järeän kallio, joka vaatii välit- teräsbetonilujituksen) tömän lujituksen)

32 3.4 Alueelliset muuttujat Kallion luokitusparametrien jakautumista eri rakennettavuusluokkiin tarkasteltiin parametrista riippuen viiden alueellisen muuttujan suhteen (taulukko 3.4-). Niistä kivilaji ja syvyys valittiin, koska ne tiedettiin kokemusperäisesti merkittäviksi eräiden luokitusparametrien osalta. Samoin kalliomallin jako kiinteään kallioon ja rakenteisiin valittiin siksi, että se sisältää tulkinnan "hyvään" ja "huonoon" kallioon. Monen luokitusparametrin osalta rakenteet tarkasteltiin erikseen niiden keskinäisten erojen selvittämiseksi. Lohko- ja reikäkohtaisella tarkastelulla tutkittiin luokitusparametrien alueellista jakautumista kalliotilavuudessa. Päätös siitä, minkä muuttujan suhteen kukin luokitusparametri tarkasteltiin, tehtiin osin kokemusperäisesti, ja osin tutkimusaineiston riittävyyteen ja edustavuuteen perustuen. Kivilajiominaisuuksia tarkasteltiin pääasiassa kivilajeittain. Rapautuneisuutta tarkasteltiin kaikkien alueellisten muuttujien suhteen. Rakoiluominaisuuksista rakotiheyttä ja rakoavaumaa tarkasteltiin neljän eri muuttujan (kivilaji, syvyys, kiinteä kallio/rakenne, lohko) suhteen. Muita rakoiluominaisuuksia tarkasteltiin yhden tai kahden muuttujan suhteen. Hydrogeologisista ominaisuuksista kiinteän kallion vedenjohtavuutta tarkasteltiin kaikkien muuttujien suhteen, lukuunottamatta reikäkohtaista tarkastelua. Tiivistystarve tarkasteltiin kiinteän kallion osalta syvyyden suhteen. Rakenteiden osalta tarkasteltiin sekä tiivistystarve että tiivistettävyys. Rakennetyyppi, joka pitää sisällään kivilajiominaisuudet, rakoiluominaisuudet ja hydrogeologiset ominaisuudet, luokiteltiin kiinteän, rikkanaisen ja ruhjeisen kallion osalta kaikkien muiden edellä mainittujen alueellisten muuttujien paitsi syvyyden suhteen. Vettäjohtavan kallion osalta tarkastelu tehtiin syvyyden ja kiinteän kallion/rakenteiden suhteen. Jännitystila ja pohjavesikemia tarkasteltiin yleensä vain syvyyden suhteen. Kalliotekniset ominaisuudet tarkasteltiin yleensä kivilajeittain, lukuunottamatta lujitettavuutta, joka tarkasteltiin myös syvyyden ja kiinteän kallion/rakenteiden suhteen. NGI-luokituksen Q-luku tarkasteltiin kaikkien alueellisten muuttujien suhteen.