Standard SS4604866

Hur kan vibrationsrestriktioner och vibrationsövervakning förbättras vid sprängarbeten?

Artikeln publicerades i Husbyggaren nr 5 2019

För cirka trettio år sedan fastställdes standarden SS4604866 Riktvärden för sprängningsinducerade vibrationer i byggnader – i dagligt tal och i denna text kallad Sprängstandarden. Innehållet har till stora delar inte förändrats förutom mindre revideringar, senast 2011. Arbetet med att revidera standarden har dock fortgått och en förstudiegrupp av branschintressenter har gjort förberedande arbeten inför en planerad större omarbetning av innehållet. Fokus i förstudiegruppen har varit att utreda möjligheterna till att ta fram en frekvensbaserad standard samt hur riktvärden skall beräknas och redovisas. Hur kan vibrationsrestriktioner och vibrationsövervakning förbättras i väntan på revidering av gällande Sprängstandard?

Nuvarande Sprängstandard baseras på att övervaka toppvärdet för vertikal svängningshastighet i en byggnads grundläggningsnivå. Enheten är mm/s. Tillsammans med ett antal byggnadsspecifika faktorer samt markslag under en byggnad, som benämns v₀-värde, bestäms ett v₁₀-värde som används vid dimensionering av sprängsalvor ur vibrationssynpunkt. Riktvärden styrs av avståndet mellan sprängsalva och byggnad genom att hänsyn tas till avståndsfaktorer som framgår i Sprängstandarden.

Utmanande borrningsarbete i samband med försiktig sprängning i tätort. Ett rimligt antagande är att byggnaden bakom borrvagnen är grundlagd på berg. Men att bedöma markslag under en byggnad och därmed vibrationsrestriktion är inte alltid enkelt. Vibrationsanalys kan då vara ett bra hjälpmedel.
Foto: Carl Lind, Tilia Consult

Även om branschen som helhet huvudsakligen anser att riktvärdena är relevanta för att förhindra byggnadsskador har kritik framförts mot bristande teknisk underbyggnad av nuvarande standard. Kritiken har framförallt handlat om att det kan vara svårt att fastställa markslag och att olika grundläggningsmetoder, som t. ex pålgrundläggningar, inte beaktas.

Därtill skiljer sig den svenska standarden jämfört med internationella standarder. Internationella standarder baseras ofta på triaxiell vibrationsmätning samt toppvärdenas storlek och frekvens.

SIS, Svenska Institutet för Standarder, har nyligen ställt frågor till deltagare i förstudiegruppen om Sprängstandarden bör revideras. Utan att föregå utfallet av kommande revideringsarbete är det rimligt att anta att den kommer att tillämpas vid sprängningsarbeten under flera år framöver. Att ta fram en standard som är kraftigt omarbetad tar förstås tid. Innehållet ska vara tekniskt underbyggt och oväntade eller för branschen negativa effekter bör undvikas, särskilt vad gäller kostnadsökningar. Standarden ska därtill accepteras av så många branschintressenter som möjligt såsom beställare, entreprenörer, konsulter, försäkringsbolag, fastighets- och anläggningsägare.

Vad kan branschen och särskilt de hundratals omgivningskonsulter som dagligen arbetar med Sprängstandarden göra under tiden? Går det redan nu att förbättra metoderna för till exempel riktvärdesbestämning och vibrationsövervakning? Kan man samtidigt bidra till rimliga tidplaner samt minska kostnader för sprängningsarbeten? För en sak är säker, lågt satta vibrationsrestriktioner bidrar till ökade projekt- och samhällskostnader som inte alltid är tekniskt eller ekonomiskt motiverade.

Jag vill lyfta några möjligheter som Sprängstandarden redan nu pekar på och som syftar till att förbättra riktvärdesbestämning eller vibrationsrestriktioner samt vibrationsövervakning. Detta till gagn för omgivning samt bygg- eller anläggningsprojekt och som även bidrar till samhällsnytta i stort. Till exempel är det redan nu fullt möjligt att utifrån formuleringar i nuvarande standard korrigera och höja v₀-värden som baserats på ”osäkra markslag eller grundläggningsförhållanden”. Det framgår i Sprängstandarden avsnitt 4.3 på sidan 9 och benämns utökad mätning:

Vid såväl delad grundläggning som vid osäkerhet om grundläggningens respons bör en utökad mätning utföras innan det vid riskanalysen åsatta värdet börjar tillämpas för styrningen av de vibrationsalstrande arbetena.

Utökad mätning (som även benämns utvidgad mätning) innebär främst att:

• Utföra triaxiell vibrationsövervakning – övervakning av vibrationer i vertikal och båda horisontella mätriktningarna.
• Montera flera vertikala eller triaxiella vibrationssensorer på en och samma byggnad.
• Använda mätsystem som registrerar vibrationsförlopp i analyskvalitet utöver Sprängstandardens grundläggande krav på vertikal toppvärdesmätning av svängningshastighet.

I Sverige är det vanligt med mätsystem, alltså mätutrustning inklusive webbapplikation, som registrerar vibrationsförlopp vilka kan konverteras till frekvensspektrum genom så kallad Fast Fourier Transform (förkortat FFT). Detta leder till en intressant och värdefull tillämpning utifrån formuleringar i Sprängstandarden.

I de fall underlaget till en sprängteknisk riskanalys inledningsvis visar på att det inte går att med säkerhet fastställa markslag under en byggnad – och riktvärdet därmed reduceras som försiktighetsåtgärd –  är det bra att använda mätsystem som registrerar vibrationsförlopp samt hanterar frekvensanalys genom FFT. Därefter utvärderas vibrationsförloppen inklusive frekvensinnehåll från de inledande sprängsalvorna i syfte att korrigera och höja riktvärdets ”markslagsfaktor”, det så kallade v₀-värdet.

Metoden innebär kortfattat att utifrån dominerande frekvensinnehåll i vibrationsförloppens frekvensspektrum kategorisera registrerad vibrationsrespons utifrån v₀-värden i Sprängstandarden (v₀ för lera anges till 18 mm/s, morän till 35 mm/s och berg till 70 mm/s).

Vid försiktig sprängning är metoden effektiv när avståndet till en byggnad eller anläggning är mellan cirka 10 meter och 100-200 meter. På mycket korta avstånd tenderar svällning av lössprängda bergmassor samt markrörelser på grund av lyftning eller hävning resultera i lågfrekventa vibrationer som försvårar bedömning av markslag. På motsvarande sätt avtar höga frekvenser med ökande avstånd vilket innebär att vibrationsförloppen blir lågfrekventa oberoende av markslag. Det omöjliggör bedömning av markslag baserat på vibrationernas frekvensinnehåll. Det kan hanteras genom att flera sprängsalvor skjuts på både korta och långa avstånd.

Nyttan med ovan beskrivna vibrationsanalys är ökad produktivitet för sprängningsarbetena genom tidsbesparing och lägre kostnader. Det beror på ökad losshållning av bergmassor genom större samverkande laddningsmängd. Samverkande laddningsmängd är den mängd sprängämne som detonerar samtidigt i en sprängsalva. När samverkande laddningsmängd ökar kan sprängningsarbetet utföras effektivare genom salvborrning med grövre borrhålsdiameter, djupare borrhål alternativt glesare hålsättning. Naturligtvis ska som alltid vid försiktig sprängning salvorna täckas väl för att förhindra stenkast.

Exempel på mätutrustning med kapacitet för utökad vibrationsmätning genom vibrationsförlopp och frekvensanalys (FFT). Ur ett estetiskt perspektiv är inte utrustningen mycket att imponeras över. Men kombineras den med en webbapplikation som hanterar vibrationsanalys resulterar det i ett kraftfullt verktyg med värdefulla tillämpningsområden.
Foto: Carl Lind

Figur 1 nedan visar ett sprängningsinducerat vibrationsförlopp med tillhörande frekvensspektrum som registrerats i en byggnad som är grundlagd med grundmurar på berg. Dominerande frekvensinnehåll är huvudsakligen mellan 50 Hz till långt över 300 Hz, trots att Sprängstandarden lågpassfilter börjar dämpa frekvenser över ca 300 Hz. Frekvensspektrumet kan närmast beskrivas som en stereotyp för berggrundlagda byggnader vid sprängning på relativt korta avstånd, cirka 20-30 meter. Det råder ingen tvekan i detta fall att v₀-värdet enligt Sprängstandarden ska anges till 70 mm/s.

Figur 1. Vertikalt vibrationsförlopp och tillhörande frekvensspektrum (FFT PSD) i en berggrundlagd byggnad vid tunnelsprängning. Mätdata hämtad ur Ansvarsbesiktnings webbapplikation Vipnet.

Vad hade kunnat hända om v₀-värdet för byggnaden enligt figur 1 angivits till 35 mm/s istället för det tekniskt korrekta 70 mm/s? Beroende på förutsättningar i övrigt hade kostnaden för sprängningsarbetet riskerat att öka med faktor 2 till 4 eller mer. Hade v₀-värdet satts till 18 mm/s hade merkostnaden blivit ännu högre. Förklaringen är trivial, vibrationsöverföringen är högre i berg jämfört med morän och framförallt med lera. Låga vibrationsrestriktioner på konstruktioner som grundlagts på berg innebär att samverkande laddningsmängd måste reduceras vilket resulterar i merkostnader.

Bland omgivningskonsulter och entreprenörer förekommer ibland uppfattningen att det är ”fel” att montera vibrationsmätpunkter som är närmare än 10 meter mellan en sprängsalva och byggnad. Det är inte korrekt. I Sprängstandarden anges tydligt i avståndsdiagrammet att den så kallade avståndsfaktorn är tillämpbar ner till avståndet 1 meter mellan sprängsalva och vibrationssensor på byggnad. Att det är värdefullt och tekniskt vettigt att mäta vibrationer inom 10 meter motiveras av att risken för byggnadsskador är störst på korta avstånd. Det har varit känt sedan lång tid och ”sprängstandarden” beaktar detta trots att den togs fram för 30 år sedan. I avsnitt 3.5 på sidan 8 i Sprängstandardenanges:

Vid sprängning i närområdet (10 m ≤ d) kan speciella problem uppstå. Dels kan ogynnsamma markförhållanden, till exempel förekomst av horisontella slag, medföra stora förskjutningar, dels kan förekomst av höga frekvenser göra att större uppmärksamhet måste riktas på vibrationens amplitud- och frekvensinnehåll …

Baserat på Sprängstandarden formulering ovan är det tekniskt motiverat att utföra utökad mätning inom cirka 5-10 meter från en sprängsalva. Förslagsvis genom triaxiell vibrationsövervakning med mätsystem som hanterar vibrationsanalys och inte enbart vertikal toppvärdesmätning av svängningshastighet. Att montera en vibrationssensor någon meter från en sprängsalva kan riskera att mätutrustningen förstörs. En lämplig vibrationsövervakning innebär i detta fall att montera en triaxiell vibrationssensor några meter från sprängsalvan och komplettera med en likadan vibrationssensor cirka 10-20 meter längre bort. Vibrationsövervakningen kan komma att visa på ett lokalt överskridande i närmaste vibrationssensor. Längre bort kommer vibrationsnivåerna normalt ha minskat betydligt på grund av avståndsdämpning.

Figur 2 visar mätresultat vid sprängning cirka 5 meter från en betongkulvert grundlagd på berg. Vibrationsövervakningen utfördes som utökad mätning med triaxiella sensorer och mätsystemet hade kapacitet till vibrationsanalys. Toppvärdet för vertikal svängningshastighet var måttlig, endast drygt 30 mm/s, vilket inte tyder på risk för skada. Däremot visade de horisontella mätriktningarna på mycket höga vibrationsnivåer, särskilt avseende förskjutning. Vinkelrätt kulvertens längdriktning uppgick förskjutningen till cirka 900 mikrometer (0,9 mm) och vibrationssensorns mätområde för svängningshastighet var nära att överskridas, cirka 250 mm/s. Det kan nämnas att kulverten inte skadades av sprängningsarbetet. Det beror på att den var uppförd i armerad betong som har hög vibrationstålighet.

Figur 2. Triaxiellt vibrationsförlopp och tillhörande frekvensspektrum (FFT PSD) i en berggrundlagd kulvert vid ovanjordssprängning. Mätdata hämtad ur Ansvarsbesiktnings webbapplikation Vipnet.

Baserat på mätresultat i figur 2 kan kulverten se ut att vara grundlagd på löst material mot bakgrund av lågfrekventa vibrationer i de horisontella mätriktningarna. Trots att det var visuellt tydligt att kulverten var grundlagd på berg. Förklaringen till detta fenomen är att sprängsalvan skjutits nära konstruktionen. Vid detonation av ett 1 kg sprängämne uppstår ögonblickligen cirka 1000 liter spränggas vid normalt atmosfärstryck. Spränggaser samt svällning av bergmassor river, sliter och lyfter i berget samt sprickplan nära salvan och konstruktionen rör sig på liknande sätt. Dessa rörelser uppfattar mätsystemet som lågfrekventa vibrationer, oberoende av markslag eller grundläggning. Om mätsystemet har kapacitet att hantera lägre frekvensinnehåll än rekommendationer i Sprängstandarden är det även intressant att titta närmare på tillhörande förskjutningar i mikrometer. De kommer troligtvis att öka kraftigt. Stora förskjutningar bör betraktas som en ”skadeindikator” eftersom de kan ge upphov till rejäla byggnadsskador.

Sammantaget visar exemplet i figur 2 på värdet av att följa rekommendationer i Sprängstandarden avseende utvidgad mätning vid sprängning inom cirka 5-10 meter från byggnader och anläggningar. Utför gärna triaxiell vibrationsövervakning med mätsystem som hanterar vibrationsförlopp inklusive frekvensanalys (FFT). Att enbart utföra vertikal toppvärdesmätning och inte montera vibrationssensorer på grundläggningsdelar nära sprängsalvor kan resultera i falsk trygghet att sprängutförandet inte utsätter omgivningen för skadliga vibrationer.

Sverige har sedan flera decennier tillverkande företag av mätsystem inom fjärrövervakad och automatiserad vibrationsövervakning vid mark- och sprängningsarbeten. Därtill har svenska konsultföretag utvecklat kraftfulla webbapplikationer. Många omgivningskonsulter använder därför sofistikerade mätutrustningar i fält kombinerat med avancerade webbapplikationer som är designade för att utföra vibrationsanalys, signal- och frekvensanalys.

Det är dock alltför vanligt att endast de vertikala toppvärdena i mm/s utvärderas. Vibrationsanalys av de registrerade vibrationsförloppen med tillhörande frekvensanalyser beaktas mera sällan. Det beror som nämnts på att riktvärden avseende vibrationsskada för byggnader enligt Sprängstandarden anges som vertikala toppvärden. En del användare av mätsystem för vibrationsövervakning har även begränsad kunskap om vibrationsanalys samt utökad vibrationsövervakning. Därtill beaktas inte de möjligheter till justering av vibrationsrestriktioner i samband med pågående sprängningsarbete som Sprängstandardens formuleringar i praktiken innebär.

Med riktad och branschanpassad utbildning är det möjligt att förhållandevis snabbt och effektivt förbättra kunskapen inom vibrationsanalys och vibrationsövervakning. Denna kunskap kan användas som verktyg för att förbättra riktvärden i riskanalyser och praktisk vibrationsmätning. Om maximal nytta ska uppnås vid vibrationsanalys är det önskvärt att även ha kunskap om hur sprängteknik påverkar sprängningsinducerade vibrationer samt frekvensinnehållet, till exempel känna till att tändplaner och tändsystem ger ”fingeravtryck i frekvensanalysen”. Det är även en fördel att ha förståelse för bergsprängningsteknik, vibrationsprognoser och laddningsberäkningar.

Denna artikel syftar till att visa på att Sprängstandarden inte är så primitiv som den kan ge sken av vid en första anblick. Flera avsnitt och formuleringar i standarden ger värdefulla möjligheter till att förbättra utförandet av riskanalyser inklusive riktvärdesbestämning och vibrationsövervakning. I väntan på att Sprängstandarden revideras finns redan nu goda möjligheter att förbättra arbetsmetoder till nytta för bygg- och anläggningsprojekt, omgivning och även bidra till ökad tids- och kostnadseffektivitet.

Carl Lind, Tilia Consult
Civilingenjör

Utbildare och konsult inom omgivningspåverkan
från mark- och sprängningsarbeten