Hoppa till huvudinnehåll

Exjobb: Köldinträngning i tunnlar


Bakgrund 
Köld och frysning i trafiktunnlar leder till problem och störningar i drift. I trafikförvaltningens befintliga anläggning finns på många ställen isbildning i form av istappar och svallis. Is medför att insprutade dräner fryser sönder och isbildning på installationer kan medföra att installationen fryser sönder. Vissa problem kopplade till kyla och frost kan förutses och byggas bort medan andra problem är svårare att hantera.

Det finns en diskrepans mellan teoretiska beräkningar av frost och faktiskt utfall. Detta beror på ekvationer och indata, samt att verkligheten är mycket mer komplex än den förenklade verklighet som ekvationen bygger på och de indata som stoppas in i modeller. Indata för årlig temperatur och temperaturvariation, som tillämpas i modellerna, är den så kallade Brommastatistiken.

Enligt våra krav ska respektive konsult definiera gränsen mellan ett frostfritt och ett frostutsatt utrymme. Krav på anläggningens ingående tekniska lösningar påverkas av vilken zon de byggs i. Som ett exempel behöver ledningar isoleras om de är i frostzon och vatten avledas så att det inte fryser till på väggar och gångbanor eller bildar isbulor över spåret. Sprutbetongen behöver ha en annan sammansättning.

Kostnaderna att bygga i frostutsatt zon är således högre än i frostfri zon. Felaktiga beräkningar och en överdriven uthållig frostzon är kostnadsdrivande medan vid motsatt förhållande kan frysning orsaka skada på anläggningsdelar och komponenter som inte är skyddade för detta.

I våra tunnlar ställs krav på god luftkvalitet på stationer, vilket innebär att stationerna behöver ventileras för att innehålla ställda krav. Krav på luftkvalitet i plattformsrummet uttrycks som tillåten mängd partiklar PM10. Riktvärdet är ett timmedelvärde på 240 ug/kbm med en tillåten percentil på 175 timmar/år. Eftersom stationerna generellt ligger djupt förlagda i berget behöver luft tillföras från ytan. I flera av tunnelprojekten tas luften via servicetunnlarna till stationerna. Luften i en tunnel utan utbyte med utomhusluft håller en lufttemperatur som motsvarar bergets temperatur, vilken i sin tur motsvarar årlig dygnsmedeltemperatur, i Stockholm cirka 8 grader C.

Kall luft som forceras in i tunneln kommer successivt att värmas av berget och vid en viss tidpunkt och längdmeter i tunneln är den forcerade luftmassan varm och kyler inte tunneln längre. Gränsen mellan frostfri och frostutsatt tunnel kommer att variera över året och beror på utetemperatur, sammanhängande kyla och ventilationens storlek och kontinuitet. I våra utbyggnadsprojekt beräknas gränsen från ett antal parametrar och resultatet som erhålls utgör värsta tänkbara scenario från de ingående parametrarna. I själva verket sker frysning i tunnlar i Stockholm endast under en mycket begränsad period vintertid.

Behov av vattenavledning styrs av våra krav kopplade till frostzon. Mer vattenavledning krävs i frostzon än i frostfri zon. Vatten avleds med insprutade dräner som består av isolermattor, vilka medför att värme från berget stannar bakom dränmattan och når inte tunnelluften i någon större utsträckning. Servicetunnlar som tar in kall luft kommer falla inom frostzon nära tunnelöppningen och till en viss gräns, längre in i tunneln. Komplexiteten som föreligger är att ju mer isolerande vattenavledning som installeras i en tunnel desto mindre värme kommer att finnas tillgänglig för att värma den forcerade luften.

Teoretiska beräkningar visar att om tunnelns kontur är helt isolerad förskjuts gränsen mellan frostutsatt zon och frostfri zon in i tunneln. Som en konsekvens behövs ytterligare vattenavledning, vilket skjuter frostzon längre in i tunneln och så vidare. Ett sätt att lösa detta problem är att justera ventilationen så att det aldrig fryser i tunneln – tunneln kan då betraktas som frostfri och mindre vattenavledning kan installeras, vilket leder till kostnadsbesparingar, både med hänsyn till färre dräner men även exempelvis att isolering kan undvikas. Frågan är hur lång tid det tar efter det att ventilationen har stängts av för isbildningen i tunneln att smälta, och indirekt hur mycket istillväxt som kan bildas under olika temperaturförhållande och fläkttider.

Problemställning
Utifrån ovanstående beskrivning kan flera olika delprojekt skapas, med olika infallsvinklar. Examensarbetaren kan rån eget intresse och utbildningsinriktning, i samråd med handledare och kontaktperson hos oss, bestämma ramarna för utformat examensarbete. Andra sakkunniga som bedriver forskning inom området kan knytas till arbetet för stöd och rådgivning.

Metod
Metodiken kan bestå av: 

Teoretiska beräkningar och modelleringar

Fullskaleförsök 

Studier av tillgängliga data från andra tunnelsystem

Det förutsätts att studenten kommer att ha tillgång till de köldberäkningar som genererats inom våra delprojekt.

Kompetens
Civilingenjörer med berg-/miljö-/teknik-/infrastrukturinriktning, samhällsplanering, anläggningsteknik, och så vidare

Nivå
Masternivå

Ansökan
Skicka din ansökan till nyatunnelbanan@sll.se. Märk ansökan Köldinträngning i tunnlar och skicka med CV och en kort motivering till varför du är intresserad av uppdraget.