Feltmålinger av hydrauliske egenskaper rundt sprengte tunneler

Abstract

Sprøytebetongkledning vanntettet med sprøytbar membran (SCL) er en vannsikringsmetode som potensielt kan gi store material- og kostnadsbesparelser, men er relativt lite brukt i nordiske tunneler. En sentral utfordring for anvendbarheten er faren for høye trykkoppbygginger bak kledningen, som maksimalt kan antas å være likt det hydrostatiske trykket. Dersom kledningen kun påføres vegger, vederlag og heng, vil vannet strømme mot sålen, hvilket vil ha en trykkreduserende effekt. I tillegg kan effekten av økt hydraulisk konduktivitet i sprengningsskadesonen (EDZ) ha en vesentlig påvirkning på trykkreduksjonen rundt delvis drenerte tunnelkledninger.

For videre evaluering av SCL som vanntettingsmetode i norske jernbanetunneler, er det ønskelig for Bane NOR med et økt eksperimentelt datagrunnlag på hydrauliske egenskaper i EDZ. Som en del av dette arbeidet omhandler denne oppgaven feltundersøkelser av hydraulikken i bergmassen rundt sprengte tunneler, henholdsvis i adkomsttunnelene til Svorkmo og Bogna kraftverk. Undersøkelsene ble utført med en spesiallaget vanninjeksjonsrigg, med mulighet for injeksjonsmålinger i korte seksjoner med relativt høy målenøyaktighet. For vurdering av forskjellige bergmasseforhold mot de hydrauliske målingene, ble det i tillegg utført ingeniørgeologiske og bergmekaniske felt- og laboratorieundersøkelser ved testområdene.

Vanntapsmålingene ble brukt til beregning av seksjonstransmissivitet med Moyes ligning, samt hydraulisk sprekkeåpning med den kubiske loven. Resultatene samlet antydet en signifikant økning av de hydrauliske verdiene fram til ca. 0.32 m dyp, samt en overgangssone med gradvis reduserende verdier fram til ca. 1 m dyp. Den gjennomsnittlige transmissiviteten i EDZ økte med en faktor på 37 i forhold til upåvirket bergmasse, tilsvarende en økning på 6.1 av hydraulisk sprekkeåpning. Det ble ikke påvist noen direkte sammenheng mellom de ingeniørgeologiske og bergmekaniske egenskapene, og verdiøkningen av de hydrauliske parameterene i EDZ ved de ulike bergmassene. Den mest påvirkende faktoren for økt transmissivitet ble vurdert til å være utviding av naturlige- og sprengningsinduserte sprekker, ved betraktning av den kubiske loven.

Funksjonaliteten og målenøyaktigheten på utrustningen ble vurdert som tilfredsstillende. De største usikkerhetene for tolkningen av resultatene var beregningen av transmissivitet og hydraulisk sprekkeåpning, hvor spesielt valget mellom Moyes og Gustafssons modell ble betraktet som vesentlig. En analyse av fire ulike modeller for beregning av transmissivitet, konkluderte med at økningsfaktorene mellom sonene betegnet som EDZ, overgang og upåvirket bergmasse var uavhengig valget av de analytiske modellene, dersom oppsettet og modellvalget ble holdt konsekvent.

Sprayed concrete lining with waterproofed bonded membranes (SCL) is a waterproofing method that potentially can provide great material and cost savings, but is relatively little utilized in Nordic tunnels. A key challenge for the applicability, is the risk of high pressures behind the lining, which at most are assumed being the hydrostatic pressure. If the lining is applied only to the walls and crown, the water will flow to the invert, which has a pressure reducing effect. In addition, the effect of an increased hydraulic conductivity in the excavation damaged zone (EDZ) may have a significant impact on the pressure reduction around partially drained tunnel linings.

For further evaluation of SCL as a waterproofing method in Norwegian rail tunnels, it is desirable for Bane NOR to increase the experimental database regarding hydraulic properties in the EDZ. As part of this work, this thesis deals with field investigations of the hydraulics in the rock mass surrounding blast-excavated tunnels, respectively in the access tunnels to Svorkmo and Bogna power plants. The measurements were conducted with a specially made water loss equipment, with the option of injection measurements in short sections with relatively high accuracy. For the assessment of different rock mass conditions against the hydraulic measurements, additionally engineering geological and rock mechanical field and laboratory investigations were performed at the test areas.

The injection measurements were utilized for calculation of section transmissivities with Moye's formula, in addition to the hydraulic aperture from the cubic law. The results overall indicated a significantly increase of the hydraulic values up to approx. 0.32 m depth, and a transition zone with gradually reducing values up to 1 m depth. The average transmissivity in the EDZ increased by a factor of 37 relative to the unaffected rock mass, corresponding an increase of 6.1 of the hydraulic aperture. No direct correlation was found between the engineering geological and rock mechanical properties, compared to the hydraulic increase in the EDZ between the different rock masses. The most influencing factor for the measured increase was considered being expansion of natural- and blast-induced joints, considering the cubic law.

The functionality and measurement accuracy of the water loss equipment was considered very satisfactory. The major uncertainties interpreting the results were calculation of the transmissivity and hydraulic aperture, were the alternative between Moye's and Gustafsson's model in particular was considered substantial. An analysis of four different models for calculating transmissivity concluded that the increasement factors between the zones designated as EDZ, transition and unaffected rock mass were independent of the analytical model-choice, if the layout and model were kept consistent.