The present Master thesis is written in connection with the E4 Stockholm bypass, which is a future motorway linking northern and southern Stockholm, and will mostly run through tunnels. The bypass will cross the Lake Mälaren in the Lambarfjärden area, where a fault is indicated on the geological maps, which would create risks for tunneling. Several geological and geophysical studies and measurements have been carried out in connection with the bypass project. These include surface mapping, drillings (core logging and water-loss measurements) and geophysical measurements (reflection and refraction seismics). The objectives of this thesis are to interpret the available geological and geophysical data, integrate the reports and the results of these studies and finally to create a structural model of the Lambarfjärden area affected by the tunnel. The available data provided a great opportunity to examine the area. The core logging and geophysical measurements supported the existence of the fault indicated on the geological maps. The core logging revealed that this pre-existing deformation zone was reactivated, possibly as dextral strike-slip, and the orientations of the subsurface fractures corresponded well with the Riedel structures occurring in such shear zone. The field work has found evidence for ductile sinistral movement which, together with the results of the core logging, could indicate a conjugate deformation zone in the area. The water-loss measurements showed several intervals along the boreholes where significant water-loss took place. Furthermore, the thesis calls the attention to both opening and closure of differently oriented weaknesses, fractures. As the thesis highlights possible risks for the tunneling, its findings could be very useful during the construction of the bypass. / Reviewer: Karin Högdahl, Senior lecturer in Solid Earth Geology at the Department of Earth Sciences, Uppsala University.

This Master thesis is written in connection with the Stockholm Bypass project which is Trafikverkets and Sweden’s largest infrastructure project to date. It will consist of 21 km of motorway running west of Stockholm city linking the southern and the northern parts. Out of the total 21 km of motorway, 17 km will run through rock tunnels and cross beneath the Lake Mälaren at 3 places. One of these places is the water passage Fiskarfjärden, situated between Sätra and the island of Kunghatt which has been carefully studied with geological (drill core mapping, BIPS, Water-loss measurements and outcrop mapping) and geophysical (reflection and refraction seismic) methods. This has been used to produce an engineering geological prognosis over the area which indicates that the rock mass in the water passage is heavily fractured and of poor quality. Due to this, additional investigations of the structural framework and the large-scaled structures in the area have been undertaken. The objectives of this thesis are therefore to analyze and classify available geological data, identify and model the major fracture zones situated in the water passage, investigate the kinematics of the fractures focusing on the relative movement between the blocks, if possible, determine the stress orientation and, predict how these major fracture zones will affect the Stockholm Bypass rock tunnel. The available data provided a good opportunity to examine the area. The drill core mappings showed that the dominating fracture orientation in the water passage is WSW-ENE with deformation structures supporting faulting along these fractures. The additional outcrop mapping and drill core mapping which focused on finding kinematic indicators revealed that fractures in the area have been reactivated both as strike-slip and dip-slip faulting and that dextral strike-slip faulting is dominating in a WSW-ENE orientation and sinistral strike-slip faulting in a NW-SE orientation.The orientation of these two fault surfaces matches the main faults on the geological map and indicates that the area is composed of a conjugate fracture set with conjugate shearing whereas the combination of the dominating fracture orientations in the drill cores with the kinematic observations and fractures found in the field correlates with Riedel shear fractures in a dextral shearing configuration. The majority of the zones of crushed rock that cut the tunnel show a dominating WSW-ENE orientation. At this angle to the NW-SE oriented horizontal stress field, these fractures are more likely to experience closure since they are oriented approximately normal to the stress field. The zones of crushed rock that are either oriented E-W or NNE-SSW are more likely to reactivate as strike-slip faults. The very few fracture zones that are oriented NW-SE and correlate to fractures with sinistral shearing are likely to reactivate as dip-slip faults as they are oriented parallel to the present day extensional forces or as strike-slip faults if they are located at depth. / Denna Masteruppsats är skriven i samband med Förbifart Stockholm vilket är Trafikverkets och Sveriges största infrastruktur projekt. Projektet innefattar 21 km motorväg som går väst om Stockholm stad och länkar de södra och norra delarna av staden. 17 km av de totalt 21 km av motorväg kommer gå genom bergtunnlar och korsar under Mälaren vid 3 platser. Ett av dessa ställen är vattenpassagen Fiskarfjärden, belägen mellan Sätra och Kungshatt vilket har undersökts både med geologiska och geofysiska metoder. Underlaget från dessa metoder har sedan används för att ta fram en ingenjörs-geologisk prognos vilket syftar till att beskriva bergmassan i området, både var gäller strukturer och kvalitét. Baserat på denna prognos förväntas bergmassan främst i vattenpassagen vara kraftigt upp-sprucken och av generellt väldigt dålig kvalitét vilket är varför ytterligare undersökningar med fokus på det strukturgeologiska förhållandet och de storskaliga strukturerna i området har genomförts i detta arbete. Målen med detta arbete är därför att analysera och klassificera de tillgängliga geologiska data från tidigare undersökningar, identifiera och modellera the stora sprickzonerna som befinner sig under vattenpassagen, utföra kinematisk analys på sprickorna och fokusera på den relativa rörelsen mellan blocken, om möjligt fastställa orienteringen av bergspänningsfältet och utvärdera hur de stora sprick-zonerna kommer påverka Förbifart Stockholm tunneln. Från borrkärnekarteringen kunde det fastställas att den dominerande sprickorienteringen i vattenpassagen är VSV-ONO och att dessa utgörs av förkast-ningar. Från de kompletterande fältundersökningarna med focus på kinematiska indikatorer kunde det konstateras att sprickorna i området har reaktiverats både som strike-slip- och dip-slip-förkastningar där dextral skjuvning är dominerande i VSV-ONO orienterade sprickor och sinistral skjuvning, vilket är dominerande, i NV-SO orienterade sprickor. Orienteringen av dessa två förkastningsytor sammanfaller med huvudförkastningarna vilka visas på den geologiska kartan och indikerar att området består av konjugerande spricksystem där skjuvning skett. Dock sammanfaller de dominerande sprick-orienteringarna i borrkärnorna tillsammans med storskaliga sprickor från hällkarteringarna också med Riedel sprickor i en konfiguration med dextral skjuvning. Majoriteten av zonerna med krossat berg som korsar tunneln har en dominerande VSV-ONO-lig riktning. Med denna orientering i relation till den NV-SO-liga riktningen på det horisontala maximala bergspänningsfältet, är det inte troligt att dessa sprickor kommer reaktiveras. Zonerna som är orienterade E-W eller NNO-SSV är mer benägna att reaktiveras som strike-slip-förkastningar. De få zoner som är orienterade NV-SO och sammanfaller med sprickor med sinistral skjuvning kommer troligtvis reaktiveras som dip-slip-förkastningar eller som strike-slip-förkastningar om de är belägna på större djup.

Tunnel Seismic Prediction (TSP) is a geophysical investigation method used to predict the rock conditions ahead of the tunnel face. The method has been used in different types of rock and rock conditions. The Swedish Transport Administration, Trafikverket, has used the investigation method in multiple locations in the large infrastructure project E4 The Stockholm Bypass. The method is however rather new to Swedish rock conditions, and there is therefore a need to evaluate the method to assess its strengths and weaknesses. In this thesis, the TSP method is compared to other investigation methods used in the Stockholm Bypass project at the location Sätra-Kungshatt where the tunnels cross underneath Lake Mälaren. The investigation methods include geological mapping and Measurement While Drilling (MWD). The TSP results are also compared to the engineering geological prognosis. An evaluation of how the seismic primary and secondary waves, Vp and Vs, correlates to rock quality was carried out, and a linear regression analysis was performed to determine if the wave velocities found using the TSP method correlate with the Q value retrieved through the geological mapping. It was found that the TSP method is capable of detecting weaker zones of rock mass, however no correlation between the wave velocities and the Q value used to describe the quality of the rock mass was found. When comparing the TSP results to the MWD results, it was found that the methods could be used as complements to each other as the different methods sometimes detected weakness zones where the other method did not. As the geology in this location of Stockholm Bypass overall was found to be complex with rather poor rock mass quality, it could be concluded that the TSP method might be better suited for less complex geology where the contrast in rock quality is greater. / Tunnel Seismic Prediction (TSP) är en geofysisk undersökningsmetod för att tillhandhålla en prognos av berget framför tunnelstuffen. Metoden har använts i olika typer av berg och bergförhållanden. I Sverige har metoden använts av Trafikverket vid flertalet tillfällen i infrastrukturprojektet E4 Förbifart Stockholm. Metoden är dock relativt ny för de svenska bergförhållandena, vilket gör att det finns ett behov av att utvärdera metodens styrkor och svagheter i dessa förhållanden. I detta masterprojekt har resultaten som tillhandahållits från TSP-metoden jämförts med resultat från andra undersökningsmetoder som använts vid vattenpassagen vid Sätra-Kungshatt där tunneln korsar under Mälaren. Dessa undersökningsmetoder inkluderar geologisk kartering och Measurement While Drilling (MWD). TSP-resultaten har även jämförts med den ingenjörsgeologiska prognosen för området. Vikt har lagts på hur den seismiska primärvågen, Vp, och sekundärvågen, Vs, förhåller sig till den karterade bergkvaliteten. En regressionsanalys har även utförts för att avgöra om resultaten från TSP-metoden korrelerar med resultaten från den geologiska karteringen. Jämförelsen mellan de olika undersökningsmetoderna visade på att TSP kan påvisa svaghetszoner i bergmassan. Dock kunde ingen korrelation mellan våghastigheterna och Q värdet påvisas. Jämförelsen mellan TSP och MWD visade att de båda metoderna generellt visade liknande resultat. Dock kunde vissa avvikelser mellan resultaten från metoderna hittas, vilket göra att metoderna skulle kunna användas som komplement till varandra. Detta då de olika metoderna ibland kunde identifiera svaghetszoner som den andra metoden inte kunde identifiera. De svåra geologiska förhållandena på platsen kan ha bidragit till att TSP-resultaten över lag är relativt svårtolkade, vilket gör att TSP-metoden möjligtvis är bättre lämpad för mindre komplexa bergförhållanden där kontrasten mellan bra och dålig bergkvalitet är tydligare.

When designing a bridge it is of high importance that the geometry for the cross section is optimized for the structure. This is partly due to the influence of the amount of material needed and its impact on the budget and environment. The influence of choosing the right amount of each material lies in the unit-price of the different material, where they can differ significantly. The Swedish Transport Administration, Trafikverket, has ordered the construction of Stockholm Bypass which is one of Swedens largest infrastructure project and is valued to 27.6 billion SEK according to the price index of the year 2009. The infrastructure project is divided into multiple projects where one of them is assigned to Implenia and Veidekke through a joint venture (Joint venture Hjulsta, JVH) and is valued to nearly 800 MSEK. The reference bridge that is used in the analysis of the master’s thesis is a part of the project. The aim of this masters thesis was to analyze and compare the two construction methods, mov- able scaffolding system (MSS) and incremental launching for the reference bridge with respect to amount post-tensioning and slenderness. Furthermore, an economical comparison between the two construction methods was carried out based on the obtained results. The analysis of the MSS was carried out by modeling the reference bridge structure in the finite element software SOFiSTiK AG. The bridge was modeled with different cross section height, i.e. different slenderness where the optimal amount of post-tension tendons could be determined by iteration until stress conditions from the Eurocode were fulfilled. For the incremental launching method, a numerical analysis was performed. The optimal amount of required post-tensioning was evaluated in the construction stages and final stages with different construction heights i.e. different values of slenderness. A cost analysis was also performed where the aim was to analyze how the total cost of the construc- tion of the bridge would be influenced by the different slenderness of the bridge as a comparison for the two construction methods. This was done by dividing the costs into fixed costs and variable costs. The results showed that the structural rigidity had a large influence on the required amount of prestressing steel for both construction methods. In other words, the smaller the cross section the more prestressing steel was required. Incremental launching proved to require a much greater amount of (PT) tendons compared to the MSS although the identical cross sections and properties for both methods, except for the PT. The prestressing for incremental launching is generally by centrical prestressing during the construction stages. A intersection point was obtained in the cost analysis for the construction methods. The incremental launching was the cheaper solution for slenderness smaller than the intersection point at slenderness between 17 and 18. The MSS was cheaper than the incremental launching for slenderness larger than the intersection point. / Vid dimensionering av tvärsektioner i broar är det av stor vikt att optimera geometrin avseende materialåtgång då mängden material har stor på verkan på ett projekts budget samt miljö. Eftersom konstruktioner ofta består av olika byggnadsmaterial gäller det vid optimering att välja byggnadsmaterialen genom optimerad proportionalitet. Förbifart Stockholm, beställt av Trafikverket, är ett av Sveriges största infrastrukturprojekt och värderas till 27,6 miljarder kronor enligt 2009 års prisnivå. Infrastrukturprojektet är uppdelat i flera mindre entreprenader eller så kallade etapper. Den entreprenad som omfattar trafikplats Hjulsta Södra har blivit tilldelat till Implenia och Veidekke genom ett konsortium (Jointventure Hjulsta, JVH) och värderas till cirka 800 miljoner kronor. Den förspända betongbro som byggs i trafikplats Hjulsta ligger till grund för analysen i detta examensarbete och har använts som referens under vår studie. Syftet med examensarbete var att analysera och jämföra två de två olika produktionsmetoderna, Movable scaffolding system (MSS) och etappvis lansering med hänsyn till erforderlig mängd förspänningskablar och slankhet. Vidare, baserat på erhållna resultat, utfördes en ekonomisk analys och jämförelse mellan produktionsmetoderna. Analysen av MSS utfördes genom att modellera brokonstruktionen i mjukvaruprogrammet SOFiSTiK AG som bygger på finita elementmetoder. Konstruktionen modellerades för olika slankheter, där slankheten definieras som kvoten mellan maximala spannlängden och brons tvärsnittshöjd. Spannlängden hölls konstant medan tvärsnittshöjden varierade för att erhålla olika slankheter. Den optimala slankheten bestämdes genom iterering av mängd förspänningskablar tills spänningsvillkoren var uppfyllda enligt Eurocode. För analysen av etappvis lansering utfördes en numerisk analys vars den optimala mängden förspänningskablar utvärderades i byggskedet (construction stages) samt i slutskedet (final stage). Analysen utfördes på samma sätt för de olika slankheterna. Slutligen genomfördes en konstandsanalys för de olika metoderna. Syftet var att jämföra hur den totala kostnaden för uppförandet av brokonstruktionen skiljde sig för de olika slankheterna. Jämförelsen genomfördes genom att dela upp de olika kostnaderna i fasta kostnader samt rörliga kostnader. Resultaten från analysen visade att den erforderliga mängd förspänningskablar som behövs i en förspänd betongbro är beroende av den strukturella styvheten i tvärsektionen. En högre slankhet, alltså lägre tvärsnittshöjd, ger lägre styvhet och därav mer erforderlig förspänningskablar. Etappvis lansering visade sig vara den metod som krävde mer mängd förspänningskablar. I resultaten för kostnadsanalysen uppmättes en skärningspunkt, för en slankhet mellan 17-18, mellan de två olika metoderna. För förspända betongbroar med slankhet lägre än skärningsupunkten vid 17-18 är etappvis lansering det billigare alternativet. För slankheter högre än 17-18 är MSS det mer ekonomiskt lönsamma alternativet.