Rakennusvaiheen louhinta-, lujitus- ja tiivistystyöt

Työ r a p o r t t i 9 8-4 7 Rakennusvaiheen louhinta-, lujitus- ja tiivistystyöt Pasi Tolppanen. Matti Kokko Tammikuu 2000 POSIVA OY Mikonkatu 15 A, FIN-001 00 HELSINKI, FINLAND Tel. +358-9-2280 30 Fax +358-9-2280 3719

Työ raportti 98-4 7 Rakennusvaiheen louhinta-, lujitus- ja tiivistystyöt Pasi Tolppanen Matti Kokko Tammikuu 2000

INSINÖÖRITOIMISTO SAANIO & RIEKKOLA OY SAATE 14.1.2000 SAA TE TYÖRAPORTIN TARKASTAMISESTA JA HYVÄKSYMISESTÄ TILAAJA: Posiva Oy Mikonkatu 15 A 00100 HELSINKI TILAUS: 9524/99/JPS YHTEYSHENKILÖT: Jukka-Pekka Salo Posiva Oy Reijo Riekkola Saanio & Riekkola Oy TYÖRAPORTTI: 98-47 TEKIJÄT: RAKENNUSVAIHEEN LOUHINTA-, LUllTUS- JA TIIVISTYSTYÖT ~~ Pasi Tolppanen tekniikan lisensiaatti Saanio & Riekkola Oy Matti Kokko insinööri Saanio & Riekkola Oy TARKASTAJA: ej toimitusjohtaja HYVÄKSYJÄ: Saanio & Riekkola Oy

Työraportti 9 8-4 7 Rakennusvaiheen louhinta-, lujitus- ja tiivistystyöt Pasi Tolppanen Matti Kokko Saanio & Riekkola Oy Tammikuu 2000 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.

RAKENNUSVAIHEEN LOUHINTA-, LUJITUS- JA TIIVISTYSTYÖT TIIVISTEL MÄ Raportissa kuvataan käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitustilojen kalliorakennustöihin eli louhinta-, lujitus- ja tiivistystöihin soveltuvia tekniikoita ja kalustoja. Tunnelilouhinnan perusvaihtoehtona on varovaisen poraus-räjäytysmenetelmän käyttö. Louhinta voidaan kuitenkin toteuttaa myös mekaanisella tunnelinlouhintamenetelmällä. Loppusijoitustilojen louhintaan soveltuvia laitteistoja on saatavissa kotimaisilta valmistajilta nykyisistä sarjatuotantomalleista. Maailmalta löytyy myös muita laitevalmistajia, joiden laitteistot soveltuvat louhintatyöhön todennäköisesti vastaavalla tavalla kuin tässä raportissa esitetyt kotimaiset laitteistot. Kallion lujituksessa voidaan käyttää pultitusta yhdessä joko ruiskubetonoinnin tai suojaverkotuksen kanssa. Vesivuotojen tiivistäminen voidaan tehdä pääosin injektoimalla. Kallion lujitus- ja tiivistystöihin on saatavilla sopivia sarjavalmisteisia kalustotyyppejä. Avainsanat: Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus, louhinta, lujitus, tiivistys, rakennusvaihe

EXCAVATION, SUPPORT AND SEALING WORKS AT THE CONSTRUCTION PHASE OF THE HIGH LEVEL WASTE REPOSITORY ABSTRACT Excavation, support and sealing works as well as the machines that are needed at the construction phase of the high level waste repository are described. Basic alternative for tunnel excavation is careful drill and blast method. However, mechanical excavation can also be used for constructing the tunnels. Machines that are suitable for excavation of the repository are presently manyfactured in Finland as duplicate production. Such machines are manufactured in other countries as well. Rock can be supported by rock bolting combined either with shotcrete or steel net. W ater leakages can be sealed mainly by grouting. Suitable duplicate production equipments are available for support and sealing works of the rock. Keywords: Nuclear waste deposition, excavation, supporting, grouting, construction phase

ESIPUHE Raportti on laadittu Posiva Oy:n tilauksesta T2000-ohjelmassa. Posivan yhdyshenkilönä on ollut T2000-ohjelman päällikkö TkL Jukka-Pekka Salo. Raportti on laadittu Saanio & Riekkola Oy:ssä. Raportin on pääosin laatinut TkL Pasi Tolppanen. Lisäksi ovat Saanio & Riekkola Oy:ssä osallistuneet raportointityöhön seuraavat henkilöt: Ins. Matti Kokko on avustanut raportin laadinnassa työmenetelmien ja laitteiden osalta, siht. Päivikki Mäntylä on tehnyt raportin sivuntaiton ja tekn. yo Jari Rautakorpi on avustanut kuvituksen keräämisessä. Dl Reijo Riekkola on vastannut raportin tarkistustöistä Pasi Tolppasen siirryttyä Tukholmaan Kungliga Tekniska Högskolaniin (KTH) valmistelemaan väitöskirjaa. Suuri osa raportin kuvista on saatu Sandvik Tamrockin esiteaineistosta. Työmenetelmien ja laitteistojen arvioinnissa ovat asiantuntija-apua antaneet seuraavat koti- ja ulkomaiset yritykset: Rakennus Oy Lemminkäinen, YIT, SKANSKA, Universale Bau, Sandvik Tamrock Corp. ja Normet.

1 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTEL MÄ ABSTRACT ESIPUHE SISÄLLYSLUETTELO... 1 1 JOHDANTO... 3 2 LOPPUSIJOITUSTILOJEN LOUHINTA... 5 2.1 Louhinnan periaatteet... 5 2.2 Tunnelilouhinta... 7 2.2.1 Tarkkuuslouhintamenetelmät... 7 2.2.2 Poraaminen... 9 2.2.3 Panostus ja räjäyttäminen... 14 2.3 Kapseli- ja henkilökuilun vaihtoehtoiset louhintamenetelmät... 16 2.3.1 Avaus-avarrus-tekniikka... 16 2.3.2 Täysprofiiliporaus... 17 2.3.3 Kuilunajomenetelmien vertailu... 18 2.4 Muut louhittavat kohteet... 19 3 LOUHEEN SIIRTO... 21 3.1 Louheen siirto maanalla... 21 3.2 Louheen nosto maanpinnalle ja läjitys... 23 4 INJEKTOINTI... 25 5 LUJITUS... 29 5.1 Yleiset periaatteet... 29 5.2 Lujitusmenetelmät ja -kalusto loppusijoitustunnelistossa... 31 5.2.1 Lujitus pultein ja ruiskubetonilla... 31 5.2.2 Ruiskubetonin käyttö... 36 6 ERIKOISTAPAUKSET... 37 6. 1 Heikkousvyöhykkeet... 37 6.2 Korkea jännitystila... 37 6.3 Suuret tai hankalat vesivuodet... 39 7 TYÖMAAJÄRJESTELYT... 41 7.1 Henkilökunta...... 41 7.2 Kaluston vaatimat resurssit... 41 7.3 Tukialueet... 41 8 VAIKUTUS MUUSSA SUUNNITTELUSSA... 43 8.1 LVIS-järjestelmät... 43 8.2 Työnaikainen tunnelipohja... 47

2 9 YHTEENVETO... 49 LÄHDEVIITTEET... 51 LIITE 1: ESIMERKKI KESKUSTUNNELIN PORAUS- JA PANOSTUSKAAVIOSTA... 53 LIITE 2: ESIMERKKI SIJOITUSTUNNELIN PORAUS- JA PANOSTUSKAAVIOSTA... 55

3 1 JOHDANTO Ydinvoimalaitosten käytetty polttoaine tullaan nykyisen perusratkaisun mukaan kapseloimaan laitosalueella ja sijoittamaan tiiviissä ja kestävissä kuparisäiliöissä syvälle kallioperään louhittuun loppusijoitustilaan. Loppusijoitustila koostuu keskustunnelista, useista yhdensuuntaisista sijoitustunneleista sekä muista toiminnalle tärkeistä oheistiloista. Polttoainekapselit sijoitetaan sijoitustunnelin lattiaan porattuihin pystysuoriin sijoitusreikiin. Loppusijoitusluolaston päälle maanpinnalle rakennetaan kapselointilaitos ja loppusijoituslaitoksen laitosalue. Loppusijoituslaitoksen eli loppusijoitustilojen, kapselointilaitoksen ja laitosalueen esisuunnitelmat valmistuvat vuoden 2000 loppuun mennessä. Tämä aihekohtainen raportti on laadittu loppusijoitustilojen ja laitosalueen esisuunnitelmien tueksi. Tässä raportissa kuvataan loppusijoitustilojen kalliorakentamisessa tarvittavat työmenetelmät ja soveltuva kalusto. Raportissa keskitytään rakentamisvaiheessa tehtäviin varsinaisen loppusijoitustilan louhinta-, lujitus- ja tiivistystöiden kuvaamiseen. Tutkimuskuilun tai -tunnelin rakentamista ei raportissa tarkastella. Perusratkaisun mukaan loppusijoitustilat louhitaan poraus-räjäytysmenetelmää käyttäen. Louhinta toteutetaan vaiheittain siten, että maanpinnalle johtavat yhteydet, loppusijoitustoimintaa tukevat aputilat, keskustunneli ja ensimmäiset sijoitustunnelit louhitaan rakennusvaiheessa 2010-luvulla muiden sijoitustunneleiden louhinnan ajoittuessa käyttövaiheeseen. Sijoitusreikien porauksessa toteutetaan uutta kokeiltua sokkoreikäporaustekniikkaa. Rakentamisessa saatava louhe varastoidaan ja hyödynnetään loppusijoituslaitoksen maanpäällisessä ja -alaisessa rakentamisessa sekä loppusijoitustilan täyttö- ja sulkemistyössä. Louheen käyttöä on tarkasteltu erillisessä aihekohtaisessa raportissa (Tolppanen 1998). Maanalla rakennusvaiheessa vuosina 2010-2020 tehtäviä tutkimuksia, tunnusteluporauksia lukuunottamatta, ei ole tässä raportissa huomioitu. Niiden vaikutus rajoittuu kuitenkin vain LVIS-toimintojen mitoitukseen sekä aikatauluun lähinnä työjärjestyksen osalta. Työmenetelmien ja laitteistojen soveltuvuutta on arvioitu yhdessä urakoitsijoiden ja laitevalmistajan kanssa (Rak. Oy Lemminkäinen, YIT, SKANSKA, Universale Bau, Tamrock, N ormet).

4

5 2 LOPPUSIJOITUSTILOJEN LOUHINTA 2.1 Louhinnan periaatteet Käytetyn polttoaineen loppusijoitustilojen tilavuus on n. 400.000 m 3 (Taulukko 2.1-1 ), joka vastaa ydinvoimalaitoksen 40 vuoden käyttöaikana kertyvän jätteen loppusijoittamiseksi tarvittavaa tilavuutta (P-tapaus ). Rakennusvaiheessa louhitaan keskustunneli, kapseli- ja henkilökuilu, korjaamo-, varasto-, pysäköinti-, sosiaali- ja pumppaamotilat sekä noin kymmenen sijoitustunnelia. Loput sijoitustunnelit ja kapselireiät tehdään käyttövaiheessa. Tutkimusvaiheessa louhittava kuilu toimii loppusijoitushankkeen myöhemmissä vaiheissa työkuiluna. Tutkimuskuilun sijaan voidaan rakentaa tutkimustunneli. Rakentamisvaiheessa louhittava osuus on n. 200.000 m 3 Kaikkilouhenostetaan maanpinnalle työkuilun kautta. Tunnelilouhinnan perusvaihtoehtona on käytetty tässä raportissa poraus-räjäytystekniikkaa ja varovaista louhintatapaa hyödyntäen. Varovainen louhintatapa edellyttää sijoitustunneleissa korkeintaan n. 4 m:n ja muissa tunneleissa korkeintaan n. 5 m:n katkonpituutta. Vaihtoehtoisena louhintamenetelmänä voidaan käyttää mekaanista louhintaa eli täysprofiiliporausta. Poraus-räjäytystekniikalla louhittaessa voidaan olettaa tapahtuvan n. 8 %:n ylilouhinta, johtuen pääosin reunareikien poraustekniikan vaatimasta "pistosta". Rakentamisvaiheessa irrotettava kokonaislouhemäärä tulee siten olemaan n. 220.000 m 3 ktd. Taulukko 2.1-1. Loppusijoitustilojen teoreettiset laajuustiedot 500 m:n syvyydessä, perusratkaisu (P). Tila Työkuilu Tutkimusperät Sijoitustunnelit Sijoitusreiät Keskustunneli Lastauspaikat Käyttö- ja käytöstäpoistojätehalli Työkuilun alapäähän liittyvät tilat Tunneli kapselikuilulle Henkilökuilun alapäähän liittyvät tilat Henkilökuilu Kapselikuilu Yhteensä Tilavuus, m 3 27 780 1 200 209 200 24 770 73 780 830 3 730 23 220 1 760 4 020 10 850 17 010 398 150

6 Mekaaninen louhinta eli täysprofiiliporaus voidaan tehdä joko TBM-tekniikalla (tunnel boring machine) tai vaakasuuntaisena nousunporaustekniikalla. Mekaaninen louhinta on poraus-räjäytystekniikkaan verrattuna joustamattomampi ja häiriöherkempi eikä se sovellu hallimaisten oheistilojen louhintaan. Mekaanisen louhinnan etuja taas ovat sileämpi louhintapinta ja pienempi häiriövyöhyke kuin räjäyttämällä louhituissa tunneleissa. Vaakasuuntaista nousunporausta on käsitelty raportissa (Lislerud & Vainionpää 1997). Louhinnassa käytettävän kaluston valintaa rajaavat tunneleiden dimensiot. Louhintatöiden järjestysohjeissa (Lakikokoelma 1997) on annettu varoetäisyydet kaluston ja tunnelin seinän välille. Louhintamääriltään suurimpien tunneleiden poikkipinta-alat ovat: keskustunneli n. 33m 2 (Kuva 2.1-1a)ja sijoitustunneli n. 14m 2 (Kuva 2.1-1b). Tunneleihin ja halleihin asennetaan työnaikaista tuuletusta varten tuuletusputki, jonka halkaisijaksi on oletettu keskustunnelissa 1000 mm ja sijoitustunneleissa sekä muissa tiloissa 600 mm. Tämä osaltaan madaltaa tunneleiden hyötykorkeutta. Yhteydet maanpinnan ja kallioon louhitun tilan välillä hoidetaan perusratkaisussa kolmella pystykuilulla. Jos työkuilua käytetään tutkimuskuiluna, louhitaan se ensimmäiseksi perinteisin menetelmin ylhäältä alaspäin. Se louhitaan kallioperän karakterisointia varten jo ennen varsinaista loppusijoitustilan rakentamisvaihetta. Työkuilun halkaisija on alustavien suunnitelmien mukaan noin 8 m. Kapseli- ja henkilökuilun halkaisija on n. 6 m. Niiden louhinnassa voidaan hyödyntää loppusijoitustasolle jo louhittu ja tunneleita. Kapseli- ja henkilökuilujen louhinta voidaan tehdä joko nousuporausmenetelmällä tai ns. avaus-avarrus-tekniikalla. a) 1000.1 b) 600. 1 A = 32.7 m 2 A = 14.0 m 2 6000 3500 Kuva 2.1-1. Loppusijoitustilan keskustunnelin (a) ja sijoitustunnelin (b) poikkileikkaus ja työnaikaisen tuuletusputken koko.

7 2.2 Tunnelilouhinta 2.2.1 Tarkkuuslouhintamenetelmät Tässä kohdassa esitetään alustavia louhintatapoja, joilla loppusijoitustilojen tunneleita voitaisiin louhia. Louhintamenetelmiä tarkistetaan tutkimustilojen louhinnan yhteydessä sekä viime kädessä loppusijoitustilojen louhintatyön alkuvaiheessa. Louhinta suoritetaan tarkkuuslouhintana rikkomatta tarpeettomasti tunnelia ympäröivää kalliota. Tarkkuuslouhinnassa on ensiarvoisen tärkeää reunareikien pienehkö reikäväli, tarkka poraus, oikeansuuruinen panostusaste (räjähdysainemäärä 1 porametri) ja räjäytysnallien aikahajonnan kontrollointi. Tämä on yleensä louhintaurakoitsijoiden tiedostamaa. Koko tarkkuuslouhintatulos voidaan pilata, jos oikea panostusaste huomioidaan vain reunarei'issä ja kentän muut reiät panostetaan varomattomasti. Tällöin kenttäreikien räjähdysainemäärän aiheuttama rikkonaisuusvyöhyke saattaa olla reunareikien aiheuttamaa ja sallittua suurempi. Myös nallien tyyppi ja sarjoitus tulee suunnitella siten, että samalla nallinumerolla kytketyt reiät räjähtäisivät mahdollisimman yhtäaikaisesti. Louhintajälki saadaan paremmaksi ja tunnelia ympäröiväkalliojää ehjemmäksi, jos louhinta suoritetaan vaiheittain ns. jälkilouhintamenetelmällä. Ensimmäisessä vaiheessa irrotetaan esim. pohja- ja keskiosa ja toisessa holviosa (Kuva 2.2-la). Vaihtoehtoisesti voidaan pohjaosa louhia jälkikäteen (Kuva 2.2-1 b ). Tällöin pohjareikien panostusastetta voidaan pienentää ja tunnelin lattiaosassa rikkonaisuusvyöhyke saadaan pienemmäksi. Hankaluutena on ensimmäisessä vaiheessa räjäytettyjen kivien lastaaminen ja pohjan puhdistaminen ennen alaosan reikien poraamista. a) VAIIiiE 2 1 b) ~300mm 1~ n. 300 mm ~ n. 300 mm Kuva 2.2-1. Sijoitustunnelin porauskaavio (esimerkki). Reikiä yhteensä 87 kpl, reikäkoko 45 mm. Esitetty vaihtoehtoiset vaiheittainlouhinnat: a) ensin pohja jå kenttä, lopuksi katto b) ensin katto ja kenttä, lopuksi pohja.

8 Keskustunnelin ensimmäisessä vaiheessa louhitaan keskiosa pohjaa myöten ja toisessa vaiheessa reunaosa kauttaaltaan (Kuva 2.2-2). Suuremman poikkipinta-alan tunneleissa, kuten varasto- ja korjaamohalleissa, voidaan käyttää useampia louhintavaiheita. Louhintavaiheet tehdään peräkkäin. Jälkilouhintamenetelmässä, joka on eniten ja hyvällä menestyksellä käytetty tarkkuuslouhintamenetelmä Suomessa, on seuraavat haittapuolet: - joudutaan räjäyttämään kaksi kertaa - rikkanaisessa kalliossa reunalinjoille mahdollisesti jo poratut reiät saattavat tukkeutua tai reikien poraus on kallion rikkonaisuuden vuoksi hankalaa - pienissä tunneleissa (<20m 2 ) vaiheistus saattaa hidastaa työrytmiä ja siten lisätä louhintakustannuksia. Sijoitustunnelissa jälkilouhintamenetelmän rytmitystä voidaan nopeuttaa, jos 1. ja 2. vaihe (Kuva 2.2-3) räjäytetään yhtäaikaisesti. Niinsanottu pilottiperälouhinta, jossa pilottiperää louhitaan muutaman katkon levennyslouhintaa edellä, saattaa olla käyttökelpoinen keskustunnelissa ja halleissa. Se soveltuu vain suurempien pinta-alojen tunneleihin, joten sijoitustunneleissa sitä ei ole järkevää toteuttaa. 400 mm ~ 400 mm Kuva 2.2-2. Keskustunnelin poraus-ja räjäytyskaavio (esimerkki). Reikäkoko 45 mm.

9 Kuva 2.2-3. Vaiheittaisen louhinnan periaate, pituus leikkaus. Ensimmäistä vaihetta louhitaan yhden katkon edellä, ja edellisen katkon levennys räjäytetään sen kanssa yhtäaikaisesti työkierron nopeuttamiseksi. Tarkkuuslouhinta voidaan tehdä myös esiraonräjäytysmenetelmällä, jossa kallioon räjäytetään rako tai hiushalkeama halutun kallioseinämän kohdalla ennen massojen irrotusta. Raonräjäytysmenetelmä perustuu siihen, että lähekkäisten reikien samanaikainen räjähdys aiheuttaa toisiaan kohtaavia paineaaltoja ja muodostaa raon reikälinjalle. Syntynyt rako suojelee jäljelle jäävää kalliota irrotuslouhinnan paineaallon vaikutuksilta. Esiraon räjäytystä ei tunnelilouhinnassa ole juurikaan käytetty, mutta avolouhinnassa on saatu hyviä tuloksia. Haittatekijänä on suuren pohjapanoksen käyttötarve ja siitä aiheutuva suuri rikkonaisuusalue reiän pohjaosassa sekä epävarmuus raon jatkuvuudesta. Räjäyttäminen aiheuttaa tyypillisesti voimakkaan ilmanpaineaallon. 2.2.2 Poraaminen Tunneleiden louhintareikien poraus tehdään pääosin koneellisesti määrätyn porauskaavion mukaisesti ( esim. kuvat 2.2-1 ja 2.2-2). Työkuilun läheisyydessä ensimmäiset tunnelit joudutaan Iouhimaan joko käsi- tai pienkoneporauksin. Reiät porataan tunnelin peräseinään nähden kohtisuorassa suunnassa vaakasuuntaan ja yhdensuuntaisiksi. Poraukseen soveltuva teräkoko on 41-45 mm:n teräkokoa. Koska loppusijoitustilan tunnelit tehdään tarkkuuslouhinnan periaatteita noudattaen, on porauksen onnistumisella keskeinen merkitys louhintajäljen laatuun. Paksummilla ja jäykemmillä poratangoilla reikien taipuma on vähäisempi. Porauksen aikana voidaan kerätä tietoa kallion epäjatkuvuuskohdista. Reuna- ja pohjarei'issä ei täysin päästä yhdensuuntaisuuteen, vaan porausta joudutaan tekemään hieman tunnelilinjalta ulospäin. Kääntämisestä aiheutuva "pisto" mahdollistaa sen, että seuraavassa katkossa mahdutaan poraamaan tunneli vaaditluun kokoonsa (Kuva 2.2-4). Laitevalmistajan ilmoituksen mukaan tarvittava pistokulma on 2-3. Kokemusperäisen nyrkkisäännön mukaan (Vuolio 1991) minimipisto on 12 cm ja siihen Iisätään virheporausta 3 cm/porametri. Eli reiän suunnan vinous teoreettisesta louhintapinnasta ulospäin on noin 20-3 0 cm katkonpituuksilla 3-5 m.

10 Kuva 2.2-4. Porauksesta aiheutuva ja toisaalta porauksessa tarvittava pisto. Ennen varsinaista louhintaporausta tehdään tunnusteluporaukset. Tunnusteluporauksin paikallistetaan tunnelilinjalta mahdolliset odotetut tai odottamattomat rakenteet ja niissä mahdollisesti esiintyvät vesivuodot ja vuotomäärät Reikiä voidaan käyttää tarvittaessa myös rakenteiden injektointiin. Tunnustelureikä voidaan esim. porata tunnelin jokaiseen nurkkaan. Yhden reiän pituus on n. 20 m, eli se vastaa n. 4-5 katkonpituutta. Tunnelilouhintaan soveltuvat porauslaitteistot ovat kaksi- tai kolmipuomisia. Laitteiston siirto porauspisteisiin tapahtuu dieselmoottorin avulla, mutta varsinainen poraustyö tehdään sähköenergialla. Sähkötehon tarve porauksessa on n. 50-60 kw/porapuomi. Porauksessa käytetään vesihuuhtelua. Huuhteluvettä, joka voi olla myös partikkelitonta eli "kirkasta" kierrätysvettä, tarvitaan n. 150 1/min/laitteisto. Porauslaitteiston tulee olla varustettu ohjaamorakenteella, joka on tullut pakolliseksi Euroopassa vuoden 1996 alusta alkaen kaikissa uusissa ja Euroopan ulkopuolelta ostetuissa käytetyissä porauslaitteistoissa. Sijoitustunnelien louhintaporaukseen soveltuu esim. Tamrockin kaksipuominen MINI 206 D porauslaite (Kuvat 2.2-5 ja 2.2-6), koska sen korkeus on alle 3 m (Taulukko 2.2-1). Sen ulottuvuus riittää myös muiden tilojen louhintareikien poraukseen. Laitteistolla voidaan porata 4,6 m:n reikäpituus, joka vastaa noin 4,3 m:n katkonpituutta. 3175 MINI206 D Kuva 2.2-5. MINI 206 D. \

11 MINI 206 D PARA 206 T 1 316 T 3500 2000 1 1 2500 Kuva 2.2-6. Porauslaitteistojen vaatima tila sijoitustunnelissa työvalmiudessa. Taulukko 2.2-1. Loppusijoitustilan louhintaan soveltuva Tamrock-porauskalusto. Tyyppi MINI206D PARA206T PARA316T Korkeus (mm) 2950 3300 3300 Leveys (mm) 1980 2500 2500 Puomit (kpl) 2 2 3 Vasaratyyppi HL 550 S HL 550 S HL 550 S Maks. reikäpituus (m) 4,6 5,2 5,2 Poraus p-a (m2) 8-53 12-94 12-97.5 Paino (kg) 19.200 26.500 29.800 Kaksipuomineo P ARA 206 T tai kolmipuominen P ARA 316 T soveltuvat pinta-alaltaan suurempien tilojen, kuten keskustunnelin (Kuva 2.2-7) ja muiden oheistilojen louhintaporaukseen. Koska P ARA -laitteistossa on mahdollisuus kolmeen porauspuomiin ja pidempiin poratankoihin (5,2 m), tunnelin kokonaisporausaika lyhenee noin 20 %. PARAlaitteistolla voidaan tarvittaessa louhia myös sijoitustunneleita, mutta tällöin työvarat ovat varsin vähäiset (Kuva 2.2-6). Sekä MINI 206 D että PARA 206 T/316 T ovat ns. Superdrilling sarjaan kuuluvia laitteita, joten niiden porakoneen iskunpaine on 230 bar. Laitteistojen alustoissa on keskinivel, jolla taipuma kaarteissa on saatu paremmaksi. Molemmissa laitteissa on mahdollisuus liittää porapuomin tilalle henkilökoripuomi.

12 PARA 206 T 1 316 T 1000 ' 6000 Kuva 2.2-7. Porauslaitteiden PARA 206 Tja PARA 316 Tvaatima tila keskustunnelissa. Porausautomatiikka Edellä esitetyt laitteistot on mahdollista varustaa ns. täysdata-toiminnolla, jolloin laite poraa automaattisesti tietokoneella ohjelmoidun poraussuunnitelman ja lasersuuntauksen mukaisesti. Data-varustellussa porauksessa toteutuneen porareiän sijainti, syvyys ja suunta tallentuvat automaattisesti muistiin. Laitteistoihin on optioina saatavissa myös: 1) TMS-systematiikka, jossa poraus tapahtuu manuaalisesti ja tallenteina saadaan toteutuneet lähtöpisteet ja porauskulmat. 2) TCAD-systematiikka, joka sisältää täydellisen näyttöautomatiikan mutta ohjaus tapahtuu manuaalisesti. Täysdataan ja TCAD-systematiikkaan on liitettävissä porauksen tiedonkeruuohjelma, jonka avulla saadaan tarkkaa tietoa poraukseen käytettävistä paineista yms. Tällöin mm. kivilaadusta ja heikkousvyöhykkeistä on mahdollista saada tarkempaa tietoa. Kaikissa Tamrockin valmistamissa porauslaitteissa on vakiona ns. lusta-automatiikka, joka estää poraustangon juuttumisen reikään. Automatiikan toiminta on indikaatio epäjatkuvuusvyöhykkeen olemassaolosta. Laitteiden vienti maanalle Kaikki porauslaitteet, myös uudet, tuodaan työmaalle käyttövalmiina ja koekäytettyinä. Koska työkuilun hissin maksimikuorma on 10 t ja porauslaitteistojen paino n. 20-30 t, ei laitetta voida siirtää kokonaisena tunnelitilaan. Laitteet puretaan osiin maanpinnalla ja kuljetetaan loppusijoitustilaan työkuilun kautta hissin pohjasta vaijerin varaan ripustettuna. Purku ja kasaus alasvienteineen kestään. 2 viikkoa. Purku- ja kasaustyössä tarvi-

13 taan nostolaitetta. Mikäli työmaalle hankitaan uudet laitteet ja purku ja kasaus voidaan ottaa huomioon jo laitesuunnittelussa, on siihen kuluvaa aikaa mahdollisuus vähentää. Sekä maanpinnalla että tunnelitiloissa on oltava mahdollisuus nosturin käyttöön. Porauslaite puretaan seuraaviin osiin: - porakone + syöttölaite +puomi - perämoduli - ohjaamo - alusta kokonaisena n.3000 kg n.4000 kg n. 2000 kg n. 10.000 kg. Laitteen alusta joudutaan todennäköisesti purkamaan keskinivelestä ja etu- ja takaosa laskemaan erilliskappaleina alas. Käsikonelouhinnat Ensimmäiset louhittavat tunneliosuudet ennen porausjumbojen käyttöä tehdään käsi- tai pienporakonein. Käsikoneena voidaan käyttää ns. polvisyöttökonetta. Käsikoneporauksen haittana on työtelineiden käyttötarve ja niiden purku räjäytystöiden ajaksi. Kevyt pienporakone esim. Tamrockin Commando (Kuva 2.2-8) tai vastaava on hieman käyttäjäystävällisempi, mutta ei välttämättä käsikonetta yhtään suorituskykyisempi. Commandolle saattaa olla käyttöä esimerkiksi pultin- ja tartuntareikien porauksessa myöhemminkin. Molemmat porausyksiköt voidaan nostaa maanpinnalle hissillä räjäytysten ajaksi. Kuva 2.2-8. Commando-porauslaite.

14 2.2.3 Panostus ja räjäyttäminen Loppusijoitustilojen louhinnassa käytettäviksi räjähdysaineiksi valitaan sellaiset, joilla kiven irrottaminen varmasti ja hallitusti onnistuu, ja joiden aiheuttama rikkonaisuusvyöhyke tunnelin seinämässä on mahdollisimman pieni. Jotta räjäyttäminen olisi hallittua, tulee käytettävän räjähdysaineen olla patrunoitua. Poraustarkkuus ja räjähdysaineiden aiheuttamat rikkonaisuusvyöhykkeet (Taulukko 2.2-2) huomioiden vaihtelee pienin mahdollinen rikkonaisuusvyöhyke tunnelin ympärillä välillä 10-40 cm. Katkon pohjalla saattaa vyöhyke olla hieman suurempi pohjapanoksen vaikutuksesta. Räjähdysainetta valittaessa huomioitavaa on myös se, että kenttäreikien aiheuttama rikkonaisuusvyöhyke ei saa olla reunareikien aiheuttamaa vyöhykettä suurempi. Tässä raportissa rikkonaisuusvyöhykkeen enimmäissyvyytenä käytetään sijoitustunnelissa, henkilö- ja kapselikuiluissa sekä keskustunnelin seinä- ja katto-osissa 100 mm. Keskustunnelin lattiaosassa häiriövyöhykkeeksi sallitaan 300 mm. Sijoitus- ja keskustunnelin poraus- ja panostuskaaviat on esitetty liitteissä 1-2. Sytytysjärjestelmässä olevilla hidasteilla määrätään yhtäaikaisesti räjähtävien panosten määrää ja ohjataan räjähdyksen kulkua. Vaihtoehtona on käyttää joko sähköttömiä Nonel GTff räjäytysnalleja tai V Aff -sähkönalleja. Nonel-nalleissa on mahdollisuus erillisten kytkentäkappaleissa olevien lisähidasteiden ( 17-17 6 ms) käyttöön. Esiraonräjäytysmenetelmää käytettäessä räjähtävä tulilanka on käyttökelpoisin sytytysmenetelmä, mutta se aiheuttaa edellisiin verrattuna suuremman paineiskun (Vuolio 1991). Räjähtävän tulilangan panosmäärä on n. 10 g/m. Räjähdysaineeksi raonräjäytyksessä soveltuvat K 17 - ja F 11 -putkipanokset. Pohjapanokseksi soveltuu hyvin PX-putkipanos, jonka panostusaste on 35 g dyn, tai vaihtoehtoisesti 50 g 0 24 mm dynamiittia. Joissakin tapauksissa, lähinnä avolouhinnassa, on raonräjäytyksen sytytys tehty pelkän räjähtävän tulilangan avulla. Taulukko 2.2-2. Loppusijoitustilan louhintaan soveltuvien räjähdysaineiden aiheuttamat rikkonaisuusvyöhykkeet (Vuolio 1991 ). Räjähdysaine Koko Panostusaste Rikkonaisuusvyöhyke (mm) (kg dynlm) (m) K-putkipanos 17 X 460 0,07 0,06 F-putkipanos 11 X 460 0,063 0,1 F-putkipanos 17 X 460 0,13 0,3 A-putkipanos 22 X 1000 0,42 0,6 A-putkipanos 25 X 1000 0,54 0,9 Aniitti 28 X 430 0,64 1,2 Aniitti 32 X 430 0,90 1,7

15 Jos käytetään sähkönalleja sytytysjärjestelmänä, valitaan ns. tunnelisarjan nallit. Niissä eri numeroiden hidasteväli on n. 25-500 ms. Nailien hidasteiden hajonnat tulee räjäytyssuunnittelussa huomioida. Esimerkiksi käytettäessä lyhythidaste- (L) ja pitkähidastenalleja (P) samassa katkossa ja käytössä on suurempi L-nallinumero kuin 13, on P1-nalli jätettävä käyttämättä. Tämä siksi, että hidasteen sisäisen aikahajonnan vuoksi saattaa P1-nalli räjähtää ennen L13-nallia (Vuolio 1991). Tällä hetkellä on kehitteillä digitaalisesti toimivat nallit. Ne voidaan ohjelmoida räjähtämään haluttuna aikana sytytyksestä. Räjäytystyö saadaan siten onnistumaan varmemmin ja oikea-aikaisesti, jolloin tärinät on helpommin hallittavissa. Nailien koeräjäytyksistä ei ole toistaiseksi saatavissa kuin kerrottua tietoa. Joka tapauksessa nallien hinta tulee olemaan käytössäolevia suurempi. Asiaa tulee seurata. Panostus voidaan suorittaa erillisiltä moottoroiduilta työtasoilta kuten saksilava-alustalta sekä poraus- tai ruiskubetonointilaitteeseen asennetusta miehistökorista (Kuva 2.2-9). Erillistä panostuslaitetta ei tarvita, sillä räjähdysaineiden tulee olla patrunoituja ja ne asennetaan käsin. Kuva 2.2-9. Panostukseen soveltuva työalusta.

16 Räjähdysaineiden hankinta, käsittely ja varastointi on luvanvaraista. Tämän lisäksi panostusta suorittavalla henkilöllä tulee olla vaadittava pätevyys, joko vanhemman panostajantai ylipanostajan pätevyys, sekä kokemusta vaativista räjäytystöistä. Keskeisiä noudatettavia lakeja, määräyksiä, säädöksiä ja ohjeita ovat: - Valtioneuvoston päätös räjäytys- ja louhintatyönjärjestysohjeista; 1996/121 - Työministeriön päätös räjäytys- ja louhintatöitä koskeviksi turvallisuusmääräyksiksi; 495/93 - Panostaja-asetus; 409/86 +asetus panostaja-asetuksen muuttamisesta; 204/93 - Laki räjähdysvaarallisista aineista annetun lain muuttamisesta; 674/93; hallituksen esitys; 39/95 - Räjähdeasetus, säädöskokoelma; 473/93 - Kauppa- ja teollisuusministeriön päätös räjähdystarvikkeista; 130/80 - Työsuojeluhallituksen päätös työmaalla tapahtuvasta räjähdysaineen valmistuksesta; 21.8.1980/1014 - Kauppa- ja teollisuusministeriön päätös kaivosten turvallisuusmääräyksistä; 28.11.1975/921 - Valtioneuvoston päätös viranomaisten yhteistoiminnasta räjähdysainetarkastusten suorittamisessa; 14.4.1978/280. Räjäytystarvikkeiden kuljetuksista ja varastoinnista on osittain säädetty edellämainituissa asiakirjoissa ja osin erikseen. Tarvikkeiden kuljetusta ja varastointia sekä louhintojen tärinävaikutuksia on käsitelty erillisessä raportissa (Tolppanen & Kokko 1998). 2.3 Kapseli- ja henkilökuilun vaihtoehtoiset louhintamenetelmät 2.3.1 Avaus-avarrus-tekniikka A vaus-avarrus-louhinnassa ensin louhitaan avausreikä, joka laajennetaan vaadittuun kokoon ylhäältä alaspäin edeten poraus-räjäytysmenetelmällä. Avausreikä toimii ns. purkureikänä, jonka kautta louhe putoaa alatasolle. Avausreikä voidaan louhia joko 1) täysprofiiliporauksena tai 2) Alimak-hissin käyttöön perustuvalla poraus-räjäytystekniikalla. Kuilujen jälki tiivistys- ja lujitustyöt tapahtuvat avarruslouhinnan yhteydessä. Avausreikä täysprofiiliporauksena suoritetaan kiertoporakoneella. Ensin porataan maanpinnalta alaspäin vaaditun kokoinen pilottireikä. Alatasolla poraustankoon asennetaan ns. avarrusterä, joka vedetään kiertoporauksena porauslaitteelle (Kuvat 2.3-1 ja 2.3-2). Louhe putoaa alatasolle. Nousunporauslaitteistoksi soveltuu mm. RHINO 1298. Teräpäässä, esim. Sandvik CRH 8/8, 0 2,44 m, on 14 kutteria, joiden kestoikä on noin 1500 m porausta. Pilottireiän halkaisijan tulisi olla 12YA". Avausreiän louhiminen täysprofiiliporauksella ja avartaminen poraus-räjäytysmenetelmällä on ko. kuilulouhinnan perusvaihtoehto.

17 Alimak-menetelmässä nousunajohissi kulkee louhitun kuilun seinään asennettua hammastankokiskoa pitkinpaineilma-tai sähkömoottorin käyttämänä (Kuva 2.3-3). Suuremmissa kuin 200 m:n nousuissa tarvitaan dieselhydraulinen käyttöjärjestelmä. Kiskoelementit kiinnitetään seinämään paisuntakuoripulteilla. Hississä on katettu työlava porauslaitteineen. Nousun tuuletuksessa ja porauksessa tarvittavat paineilma ja vesi kulkevat kiskoelementtien putkistoissa. Myös räjäytyksessä käytettävä runkojohto voi kulkea kiskon putkistossa. Räjäytyksen ajaksi hissi ajetaan alas tunneliin. Saavutettava etenemä on yksi katko eli n. 2-3m 1 työvuoro. Sopiva avauskoko Alimak-menetelmällä tehtäessä olisi n. 4-5m 2. Alimak-menetelmä on työturvallisuuden kannalta huono vaihtoehto, jonka täysprofiiliporaus on käytännössä syrjäyttänyt markkinoilta. Molemmissa menetelmissä käytettävät räjähdysaineet ja räjäytysnallit ovat vastaavia kuin tunnelilouhinnassa on esitetty. 2.3.2 Täysprofiiliporaus Täysprofiiliporauksessa (Kuva 2.3-1) kuilut louhitaan suoraan suunniteltuun määräkokoansa (n. 5 m) nousunporauslaitteella. Laitteistoksi soveltuu esim. Tamrockin RlllNO 2006. Tarvittavassa teräpäässä (Sandvik CRH 10 E, 0 4,8 m) on 26 kutteria, joiden kestoikä on n. 500 m porausta. Tällöin pilottireiän halkaisijan tulee olla 13%". Kuva 2.3-1. Nousuporauksen periaate.

18 Kuva 2.3-2. Esimerkki nousuporauksessa käytettävästä avarrusterästä. 2.3.3 Kuilunajomenetelmien vertailu Täysprofiililouhinnan etuina avaus-avarrus-menetelmään verrattuna on menetelmän yksinkertaisuus, louhinnan nopeus, työturvallisuus sekä tasainen louhintajälki. Työnaikaista rusnausta, lujitusta tai tiivistystä ei välttämättä tarvita vaan ne voidaan tehdä järjestelmällisesti kuilun louhinnan valmistuttua. Kriittisenä tekijänä täysprofiiliporauksessa on kiertoporauksen ohjausreikänä toimiva pilottireikä. Pilottireiän on oltava erittäin suora, koska porattu tila toimii hissikuiluna. Pilottireiän porauksessa tulee käyttää suuntausporaustekniikkaa, jossa pilottireikää varten kairataan ensin ohjausreikä. Urakoitsijoiden kokemusten mukaan nousuporauksella voidaan päästä alle 1 %:n taipumaan koko kuilupituuteen nähden. Taipuma 1 % vastaa 5 m:n siirtymää vaakasuunnassa 500 m:n matkalla. Se, että louhitaanko avaus-avarrus-menetelmässä avaus täysprofiililouhintana tai Alimak -menetelmällä, ei aiheuttane kustannuseroa. Täysprofiililouhinnan etuna Alimakmenetelmään verrattuna on työturvallisuus sekä louhinnan yksinkertaisuus ja nopeus.

19 Kuva 2.3-3. Alimak-menetelmän työvaiheet. 2.4 Muut louhittavat kohteet Muita louhintakohteita ovat mm. louheen kaatotila ja louhetunneli, vuotovesien pumppausallas ja pienehköt muut tarkkuuslouhintaa vaativat kohteet kuten keskustunnelin sulkurakenteiden urat. Niissä käytetään samaa poraus-räjäytystekniikka kuin edellä on esitetty.

---------------- ~--~ ---- 20

21 3 LOUHEEN SIIRTO 3.1 Louheen siirto maanalla Louhe kuljetetaan maanalla louhintapisteestä työkuilun viereen louheenkäsittelytilaan, josta se edelleen siirretään kuljettimen ja hissin avulla maanpinnalle. Louheen siirrolle maanalla on kaksi mahdollisuutta. Joko kuljetus tapahtuu lastauslaitteella tai louhe lastataan kuljetettavaksi louheensiirtokalustolla. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että jos kuljetettava matka on yli 150m, tulee louheen siirtoon varata erillinen siirtokalusto. Tapauksessa, jossa kuljetus suoritetaan erityisellä louheensiirtokalustolla, on lastaus mahdollista suorittaa joko diesel-tai sähkökäyttöisellä lastauslaitteistolla. Dieselkäyttöisiä laitteita käytettäessä ilman laadun varmistaminen vaatii tunneleissa tehokkaamman ilmanvaihdon kuin sähkökäyttöisiä laitteita käytettäessä. Louheen siirtoon soveltuvat sekä kuorma-autot että dumpperit. Louheensiirtokalustoa valittaessa on huomioitava tilojen dimensiot sekä voimassa olevat varomääräykset (Valtioneuvoston päätös räjäytys- ja louhintatyön järjestysohjeista 410/86, 66 ). Kuljetustyöstä raiteettomalla kalustolla maanalla tai paikassa, jossa on kiinteitä esteitä, on määrätty seuraavaa: 1) vapaa tila yläpuolella tulee olla 0,5 m 2) vapaa tila sivuilla tulee olla yhteensä 0,8 m, jos jalankulku tunnelissa on estetty 3) vapaa tila sivuilla tulee olla yhteensä 1,5 m, jos jalankulku on sallittu. Raiteettomalle kuormaukselle on vapaan tilan vaatimukseksi asetettu sivuille 0,6 m ja yllä 0,2 m. Koneen tai ajoneuvon nopeuden on oltava olosuhteet huomioon ottaen riittävän alhainen. Sijoitustunnelien leveys yhdessä varomääräysten kanssa asettaa lastauslaitteen suurimmaksi sallituksi leveydeksi 2,7 m. Tällöin lastauslaitteeksi voidaan valita mm. TORO 400 D (Kuva 3.1-1 ), jota on saatavana sekä sähkö- että dieselkäyttöisenä. Kauhatilavuus on 4,3 m 3 Sähkökaapelin pituus on 330 m ja sen halkaisija on 36 mm. Sähkön tarve on n. 160 kw. Sijoitustunnelin korkeus varomääräyksetkin huomioiden on riittävä. Keskeiset dimensiot on esitetty taulukossa 3.1-1. Taulukko 3.1-1. Soveltuvien lastaus- ja kuljetuskalustojen keskeiset mitat. T400D T 1250 * TSOlD T35 Tyyppi lastaus lastaus lastaus kuljetus Korkeus (mm) 2370 2540 2600 2550 Leveys (mm) 2480 2700 2730 3036 Kuormakoko (m3) 4,3 5,0 5,3 16,5 Sisäkaarresäde (mm) 3550 3246 3830 4897 Ulkokaarresäde (mm) 6635 6672 7230 8945 * uusi malli, vastaava kuin TORO 450.

22 Kuva 3.1-1. TORO 400 D. Käytettäessä sijoitustunnelin louheen kuljetuksessa erillistä kalustoa, kuten TORO 35 D dumpperia tai kuorma-autoa, pystytään louhetta siirtämään louhintapisteestä nostokuilulle suurempia määriä kerrallaan. TORO 35 D:n kuljetuskapasiteetti on 16,5 m 3 itr ja kuorma-auton n. 8-11 m 3 itr. Lastaus tapahtuisi sijoitus- ja keskustunnelin risteysalueilla. Muiden tilojen louhinnan lastaustyöhön soveltuvat myös TORO 450 D tai TORO 501, joiden lastaus- ja kuljetustehot ovat paremmat voimakkaamman koneiston ja suuremman kauhatilavuuden ansiosta. TORO 450 D:n uusissa TORO 1250-malleissa (Kuva 3.1-2) on huomioitu uudet EU-direktiivien turvallisuusmääräykset Lastauslaitteet voidaan purkaa maanpinnalla osiin ja kuljettaa työkuilun kautta maanalle. Purkaminen ja kasaus siirtoaikoineen kestää n. kaksi viikkoa 1 laite. Osien kokoa rajoittavana tekijänä on työkuilun hissin nostokapasiteetti 10 tonnia. Laitteistojen purkaminen ja kasaaminen vaatii nosto laitteen.

23 Kuva 3.1-2. TORO 1250. 3.2 Louheen nosto maanpinnalle ja läjitys Louhe nostetaan maanpinnalle työkuiluun asennetulla hissillä. Työkuilun hissin nostokapasiteetiksi on asetettu 80 tlh ja maksimikuormaksi 10 tonnia. Arvioitu teoreettinen kiertoaika täytöstä uudelleen täyttövalmiuteen on 4-6 minuuttia, kun hissin kulkunopeudeksi asetetaan 8-10 m/s. Maanalla työpisteestä kuljetettu louhe kipataan kaatokuiluun, josta se putoaa louhetunnelin syöttimelle. Louhesyötin siirtää kiven hihnakuljettimelle, joka siirtää sen edelleen mittataskuun. Mittataskusta kivi puretaan painovoimaisesti hissin louhekippaan. Mittatasku on vastaavan kokoinen kuin hissin louhekippa. Se on varustettu vaakajärjestelmällä, joka automaattisesti pysäyttää hihnakulj ettimen taskun täytyttyä. Maanpinnalla louhe puretaan louhekipasta siiloon tai syöttimelle, josta siirretään edelleen läjitysalueelle hihnakuljettimien, kuorma-autojen, kauhakuormaajien tai maansiirtodumpperien avulla. Lopullisen laitevalinnan ratkaisee kuljetusmatka ja siirrettävä louhemäärä 1 aikayksikkö. Lyhyellä siirtomatkalla (~100m) ei erillistä kuormausta kannattane tehdä, vaan louhe voidaan siirtää hihnakuljettimin tai kuormaajalla. Kuorma-auto on sopivin, jos ajomatka on lyhyehkö (1 00-1000 m), tiet hyväkuntoisia ja siirrettävät määrät kohtuullisia. Dumpperin kantokyky on kuorma-autoa suurempi, mutta se on hitaampi. Dumpperilla ei ole mahdollista ajaa yleisillä teillä. Louhe läjitetään laitosalueella sille varatulla alueella. Louhetta irrotetaan rakennusaikana yhteensä n. 300.000 m\tr, joka läjitetään enintään n. 10m korkeaksi louhekasaksi. Osa louheesta käytetään sellaisenaan, mutta suurin osa murskataan käytettäväksi raken-

24 nusmateriaalina rakennusvaiheessa sekä loppusijoitustilan täyttömateriaalissa käyttö- ja sulkemisvaiheessa (Tolppanen 1998). Käyttövaiheessa louhetta syntyy sijoitustunneleiden louhinnassaja loppusijoitusreikien porauksessa yhteensä n. 400.000 m 3 itd. Jos louhe kuljetetaan kuorma-autolla, jonka lavatilavuus on 10 m\td, on louhekuormia rakentamisvaiheessa n. 30.000 kpl. Jos oletetaan, että edestakaisen matkan kuljetusaika työkuilulta läjitysalueelle on keskimäärin 12 min, siirtoajoneuvo kuluttaa polttoainetta 0,2 kg/kwh ja ajoneuvon teho on 200 kw on kokonaiskulutus n. 300 Vtyövuoro. Kaivinkoneen polttoainekulutus on hieman alhaisempi, joten voidaan olettaa että kaivinkone ja louheensiirtoajoneuvo tarvitsevat polttoainetta yhteensä n. 2500 Vvko.

25 4 INJEKTOINTI Kallion tiivistämisellä eli injektoinnilla pyritään vesivuotoja pienentämällä ensisijaisesti helpottamaan rakentamista ja jossain määrin myös lisäämään pitkäaikaisturvallisuutta. Vesivuodot aiheuttavat haittaa rakentamisessa mm. panostustyön ja lujituksen osalta ja lisäävät pumppauskustannuksia. Käytön ja sulkemisen aikana vesivuodot edellisten haittojen lisäksi vaikeuttavat järjestelmien toimintaa ja täyttömateriaalin asennusta. Loppusijoitustilojen tiivistämisessä keskeisiä kohteita ovat tunneleita leikkaavat vettäjohtavat rakenteet sekä sijoitusreikiä leikkaavat vettäjohtavat raot. Stripa-projektissa tehtyjen kenttäkokeiden perusteella (Börgesson et al. 1991) kallion injektoitavuudesta on esitetty arvioita mitattuun vedenjohtavuuteen verrattuna (Taulukko 4-1). Injektointia voidaan tehdä etukäteen ennen louhintaa (esi-injektointi) tai louhinnan jälkeen Gälki-injektointi). Parempi tiiveys saavutetaan, jos tiivistystyö voidaan tehdä ennen louhintaa esi-injektointina. Tällöin voidaan käyttää suurempaa injektointipainetta ja vältytään niiltä haitoilta, joita vuodot aiheuttavat rakennustöille. Louhinnan jälkeen ns. jälki-injektointi voidaan kohdentaa tarkemmin haluttuihin ja tiivistystä vaativiin kohtiin. Yleensä pyritäänkalliotiivistämään ensisijaisesti esi-injektoinnilla. Loppusijoitustiloissa esi-injektoitavia kohteita ovat kaikki kalliotilat eli kuilut, tunnelit, ja sijoitusreiät, joissa tiivistetään niitä leikkaavat merkittäviksi arvioitavat vettäjohtavat vyöhykkeet ja raot. Sijoitusreikien injektointitarve tarkastellaan tapauskohtaisesti. Tyypillisesti esi-injektoinnissa ainemenekki on toteutetuissa kohteissa ollut n. 30-40 kg/reikä-m. Kallio on yleensä yläosastaan vettäjohtavampaa kuin syvemmällä. Kallion yläosa voidaan tarvittaessa tiivistää injektoimalla, jolloin voidaan vähentää kallion pintaosan pohjaveden kulkeutumista kuiluihin ja edelleen loppusijoitustiloihin. Tällaisen pintaosan vettäjohtavan vyöhykkeen injektoinnin voidaan arvioida ulottuvan n. 100-150 m syvyyteen. Taulukko 4-1. Injektoitavuuden riippuvuus vedenjohtavuudesta (Pöllä et al. 1994). Kallion vedenjohtavuus, k Injektoitavuus 10 -to m/s Vain putkimaiset kanavat esim. rakopintojen leikkauskohdissa voidaan injektoida. 10 9 m/s Injektoitavissa, jos metriä kohti on vain yksi rako, josta avointa osuutta on alle 20 %. 10 -s m/s Injektoitavissa, jos metriä kohti on vain yksi avoin rako. 10 _, m/s Lähes kaikki rakotyypit voidaan injektoida.

26 Esi-injektoinnilla hyvään lopputulokseen pääsy edellyttää, että tiivistettävä kohta on tarkoin tiedossa. Järjestelmällinen tunnusteluporaus auttaa saamaan tietoa tunnelia läpäisevien rakenteiden sijainnista ja ominaisuuksista. Tunnusteluporaukset ulottuvat tavallisesti 5-20m louhinnan edelle ja niissä voidaan suorittaa esim. vesimenekki-ja vuotomittauksia. Jälki-injektoinnilla jouduttanee osittain tiivistämään samoja kohteita kuin esi-injektoinnissa. Jälki-injektoinnissa ainemenekki on ollut toteutetuissa kohteissa n. 20-30 kg/ reikä-m. Jälki-injektointitarve määritetään yleensä valmiille kalliotilalle asetetun paikallisen tai esim. tunnelipituutta kohti mitatun vuotovesimäärän perusteella. Jälki-injektoinnissa käytetään lyhyempiä reikiä ja ne sijoitetaan tyypillisesti tiheämmin kuin esi-inj ektoinnissa. Injektointireikien suuntauksessa otetaan huomioon kallion rakoilun suunta. Reiät suunnataan mahdollisuuksien mukaan siten, että ne leikkaavat useita rakoja. Virtauksen kanavoituminen kallioraoissa pienentää injektoinnin onnistumismahdollisuutta, koska kaikki rakoa läpäisevät injektointireiät eivät osu raon vettäjohtavaan osaan. Injektoinnissa tuleekin käyttää useita ja mieluummin pienin välein "viuhkamaisesti" porattuja reikiä. Sijoitusreikien injektointi voitaisiin tehdä esim. esi-injektointina sementtipohjaisilla aineilla sekä sijoitusreiän keskellä sijaitsevan tutkimusreiän että reiän ulkopuolelle porattujen varsinaisten injektointireikien kautta. Injektointitekniikkana voidaan soveltaa sekä staattista että dynaamista menetelmää tai näiden yhdistelmää. Staattisen injektointipaineen käyttö on normaalikäytäntöä. Dynaamista injektointipainetta on käytetty vain tutkimusprojekteissa (Pöllä et al. 1994, Riekkola et al. 1996). Injektointilaastin tunkeutuminen kalliorakoihin riippuu hyvin paljon käytetystä injektointipaineesta; mitä suurempi paine sen parempi tunkeutuvuus. Paineiden valinnassa on huomioitava painehäviöt, joita syntyy mm. injektointiletkussa pumpun ja kallioreiän välillä, injektointireiässä ja injektointiaineen tunkeutuessa kallioon (Riekkola et al. 1996). Toisaalta korkea paine saattaa heikentää tunkeutuvuutta massan erottumisen sekä rakotäytteen irtoamisen ja kasautumisen kautta. Korkeita paineita käytettäessä on huomioitava myös kallion rikkoutumisriski. Nyrkkisääntönä on ollut, että injektointipaine ei saa ylittää yläpuolisen kallion painetta. Rikkoutumisriski on suuri etenkin vaakarakoilleessa kalliossa, jolloin injektointipaine voi aiheuttaa rakojen kasvua pystysuunnassa ja irrottaa lohkoja tunnelin katosta (Riekkola et al. 1996). Injektoinnin onnistumista voidaan arvioida seuraamalla paineen kehitystä injektoinnin aikana. Paineen tulisi nousta tasaisesti ennalta määrättyyn lopetuspaineeseen tai kyllästymispaineeseen saakka. Kyllästymispaine on paine, jossa injektointiaineen tunkeutuminen kalliorakoihin lakkaa. Jos paine ei lähde nousemaan, on massaa paksunnettava. Jos paine yht' äkkisesti laskee esimerkiksi raon avautumisen vaikutuksesta ja sen jälkeen ei kasva tai jopa laskee edelleen, on injektointi todennäköisesti epäonnistunut ja työn jatkaminen kannattaa arvioida (Riekkola et al. 1996).

---------------------- - ------ -- - -- 27 Staattisen injektointipaineen käyttäminen loppusijoitustilojen injektoinnissa on injektointitekniikan nykyisellä kehitystasolla ensisijainen vaihtoehto. Koska injektointipaineen tulee ylittää vastapaineena oleva pohjavedenpaine, asettaa tämä vaatimukset laitteiston paineenkestävyydelle. Jos pohjavedenpaine nousee jossain injektointikohteessa täyteen arvoonsa ( esim. 500 m:n syvyydellä 5 MPa), tulee laitteiston kestää joitain MPa suurempi injektointipaine. Dynaamisessa injektoinnissa käytetään sekä staattista että dynaamista painetta. Injektointipumpussa olevaa laastia syötetään vakiopaineelia reikään ja samalla laastia tärytetään. Tärytys synnyttää laastiin leikkausaaltoja, jotka estävät massarakeiden välisen kitkan muodostumista ja massan tunkeutuminen rakoihin paranee. Dynaamisella injektointimenetelmällä on 0,1-0,2 mm:n rakoihin saatu sekä savi- että sementtisuspensiota tunkeutumaan usean kymmenen senttimetrin päähän (Pusch et al. 1985). Vastaaviin rakoihin ei staattinen paine massaa työntänyt. Sijoitusreikien jälki-injektointia on kokeiltu Stripa-projektin yhteydessä LID ( = Large Borehole Injection Device) erikoislaitteistolla (Pöllä et al. 1994). Laitteisto todettiin periaatteessa käyttökelpoiseksi, joskin laitteiston käyttö laajemmassa mitassa on hankalaa. Sijoitusreikien injektointitekniikan kehittämisellä voitanee löytää käytännöllisempiä tiivistysmenetelmiä kuin em. Stripan tutkimuksissa kehitetyt. Dynaamisen injektointipaineen tuottavia laitteistoja ei ole tuotantokäytössä. Ne tarjoavat teoriassa merkittävän kehitysmahdollisuuden injektointituloksen parantamiseen. Kalliorakentaminen 2000-teknologiahankkeen (Riekkola et al. 1996) yhteydessä dynaamisen paineen aikaansaamiseksi kehitettiin vaihtoehtoisia menetelmiä. Perusinjektointikalustoon kuuluvat veden annostelusäiliö, sekoitin, välihämmennin, pumppu, injektointiletkut liittimineen, injektointitulpat sekä paine- ja virtausmittarit (tallentimet, piirturit). Injektointikalusto voi koostua erillisistä laitteista tai se on kompakti laiteyhdistelmä, jossa eri laitteet on asennettu samalle alustalle. Tällaiseen laiteyhdistelmään kuuluu esim. kolloidisekoitin, välihämmennin, hydraulimoottori ja injektointipumppu. Myös useamman reiän yhtäaikaiseen injektointiin on kehitetty yhdistelmälaitteistoja, joissa jokaisen reiän injektointipainetta voidaan säätää erikseen ja paine- ja virtaustiedot saadaan rekisteröidyiksi. Suurissa injektointikohteissa voidaan käyttää injektointiasemia, joissa on siilot injektointiaineseoksen komponenteille ja joissa seossuhteiden mittaus ja komponenttien sekoitus tapahtuvat automaattisesti. Käyteytyn ydinpolttoaineen loppusijoitustilojen tiivistämiseen soveltuvia injektointiaineita on tutkitttu Stripa-projektissa (Coons et al. 1987), jossa päädyttiin sementti- ja bentoniittipohjaisiin materiaaleihin. Sementtilaasti on yleisimmin käytetty aine kallion injektoinnissa. Suomessa injektointisementtinä on tavallisesti käytetty yleissementtiä tai nopeasti kovettuvaa sementtiä. Hienoksijauhettuja sementtilaatuja eli ns. mikrosementtejä käytetään, kun tiiviysvaatimus on tiukka tai kun injektoitavien rakojen avauma on pieni eli alle 100-200 J..Lm. Erikoishienojen sementtien ominaispinta-ala on suuri ja maksimiraekoko pieni. Esimerkiksi Alofix-MC-mikrosementin ominaispinta-ala on noin 800 m2fkg ja Mikrodur P mikrosementin noin 1200 m 2 /kg.

28 Injektointilaastissa voidaan käyttää lisäaineita, jotka parantavat sen ominaisuuksia, esim. stahiilisuutta, pumpattavuutta, eroosion kestävyyttä tms. Notkistimien käyttöä injektointilaasteissa on alettu tutkia viime vuosina. Niillä on mahdollista alentaa sementtilaastin viskositeettia ilman runsasta veden lisäystä. Saven lisäyksellä voidaan pienentää veden erottumista laastissa, jonka vesisementtisuhde on suuri. Parhaiten tähän tarkoitukseen sopii natriumhentoniitti. Suuren hentoniittimäärän eli yli 3 %:n käyttö vaikuttaa sementtilaastien lujuuteen ja sitoutumiseen. Jos hentoniitin määrä ylittää 5 % sementin painosta, kutsutaan seosta savi-sementtiseokseksi. Bentoniitin lisäys sementtilaastiin kasvattaa voimakkaasti seoksen viskositeettia. Sementti-injektoinnissa ollaan siirtymässä suurten vesi-sementtisuhteiden sijasta ns. stahiilien sementtiseosten käyttöön (Riekkola et al. 1996). Stahiileilla sementtiseoksilla tarkoitetaan massoja, joissa veden erottuminen on alle 5% injektointityötä seuraavan ensimmäisen 2 tunnin aikana. Stahiilien seosten virtausominaisuuksia säädellään sopiviksi lisäainein, lähinnä notkistimin. Sementti-injektoinnin onnistumisessa määräävänä tekijänä on partikkelikoko. Käytännössä injektointi on onnistunut, jos rako on 5-10 kertaa suurempi kuin partikkelikoko. Saviaineiden käyttö injektoinnissa on varsin harvinaista ja käytännön kokemuksia Suomessa ei juurikaan ole. Injektointiin käytetyistä savista merkittävimmät ovat natrium- ja kalsiumhentoniitit. Hentoniitti on hyvin hienorakeista. Bentoniitit ovat tiksotrooppisia aineita, joiden rakenne palautuu ennalleen sen jälkeen, kun esim. sekoittaminen on lopetettu. Koska hentoniitin raekoko on pieni, niin sillä voidaan injektoida huomattavasti pienempiä kuin noin 0,1 mm:n kalliorakoja. Stripan koeinjektoinneissa pienimmät injektoidut rakoavaumat olivat 20-30 Jlm (Pöllä et al. 1994). Bentoniittigeeli ei pehmeytensä vuoksi kestä virtaavan veden eroosiota. Virtausnopeus 1 o- 4-1 o- 5 m/s on riittävä aiheuttamaan eroosiota. Eroosioherkkyyden vuoksi hentoniitissa käytetään seosaineita, esim. sementtiä tai hiekkaa. Kuivuessaan hentoniitti kutistuu voimakkaasti. Geelin lujuutta voidaan parantaa lisäaineilla.

29 5.1 Yleiset periaatteet Louhittujen tilojen ympäröimä kallio lujitetaan siten, että se täyttää työturvallisuuteen liittyvät vaatimukset ja on riittävän stabiili tilojen käyttötarkoitus huomioiden. Lujituksella pyritään hallitsemaan sekä rakopintoja pitkin painovoiman vaikutuksesta että tunnelia ympäröivän sekundäärijännityksen aiheuttaman veto- tai puristusmurtuman vaikutuksesta irtoavia lohkoja. Käytetyn polttoaineen loppusijoitustilaan valittavan lujitussysteemin tulisi täyttää seuraavat vaatimukset: - yleisesti toimivaksi todettu menetelmä, josta on käyttökokemuksia - yleisesti toimivaksi todetut materiaalit, joista on käyttökokemuksia - mekaanisesti kestävä, koska tunneleiden käyttöikä voi olla noin 20-80 vuotta - kemiallisesti kestävä, koska tunneleihin vuotava pohjavesi voi olla suolaista - kemialliset rasitteet ympäristölle, etenkin täyteaineelle ja kuparikapseleille vähäisiä - mekaaninen asennus mahdollinen. Tyypillisimmät Suomessakalliorakennus-ja kaivoskohteissa käytetyt lujitusmenetelmät ovat haja- tai järjestelmäpultitus sekä ruiskubetonointi (Kuva 5.1-1 ). Näiden kanssa käytetään tarvittaessa aluslevyjä, teräsverkkoa, kalliositeitä tai näiden yhdistelmiä. Vaikeimmissa olosuhteissa turvaudutaan jopa teräs- tai teräsbetonikaariin. lt UISKUBETONI PULTTI a) b) Kuva 5.1-1. Lujitus a) haja- ja b) järjestelmäpultituksella.

30 Käytetyimmät kalliopuhtityypit ovat juotetut harjateräs-, kitka-, kärkiankkuri-ja vaijeripultit sekä kallioankkurit (Kuva 5.1-2). Harjateräs-ja vaijeripultit kiinnitetään kallioon sementtilaastilla. Kitkapultteja ei juotetavaan ne painetaan tiukkaan reiän seinää vasten ja pysyvät siten kitkan avulla paikoillaan. Kärkiankkuroidut pultit kiinnitetään kallioon joko mekaanisen paisuntakuoren tai kärkikiilan avulla. Ne voidaan esijännittää, jolloin käytetään aluslevyjä. Ongelmallisissa kohteissa esim. ruhjeiden läpäisyssä käytetään porattavia pultteja kuten Ischebeck Titan-kallioankkureita. Ruiskubetoni tehdään joko kuiva- tai märkäseosmenetelmänä. Se voidaan lujittaa raudoittamalla tai kuitujen avulla. Kuituja on sekä eri muotoisia että pituisia ja niitä on valmistettu eri materiaaleista kuten teräksestä ja muovista. Molemmat lujituselementit vaativat suojabetonin korroosiovaaran vuoksi. Loppusijoitustilan tunneteiden lujitusta suunniteltaessa on huomioitava kaksi periaatteellista lähtökohtaa: 1) ruiskubetonin käyttö sallitaan tai 2) ruiskubetonin käyttö sallitaan vain poikkeustapauksissa, joten pääasiallinen lujitus tulee tehdä ilman ruiskubetonia. Kuiluj~n seinät ruiskubetonoidaan kauttaaltaan. Hartsien ja muiden kemiallisten kiinnitysaineiden käyttö pulttien kiinnityksessä ei ole sallittua. Kallion pinnasta irrallaan olevat helposti irrotettavat lujituselementit, kuten verkot ja mahdolliset teräskaaret poistetaan ennen loppusijoitustilan täyttämistä. Pulttien ja ruiskubetonin poistaminen ei kuitenkaan ole mahdollista ainakaan koko tilan osalta. Kuva 5.1-2. Erilaisia pulttityyppejä: 1) sementtijuotettu harjateräspultti 2) vaijeripultti 3) esijännitetty hartsijuotettu harjateräspultti 4) paisuntakuoripultti 5) kiilapultti 6) swellex 7) split-set.