Back calculation of in-situ stresses based on the performed secondary stress measurements by using numerical calculations - connected to the West Link Project

Abstract

Hovedformålet med masteroppgaven er å estimere og evaluere in-situ spenningstilstanden som eksisterte før åpning av pilottunnelene i en berghall til et jernbaneprosjekt. Estimering av in-situ bergspenninger er nødvendige fordi de spiller en viktig rolle når det gjelder stabilitetsanalyser av undergrunnsanlegg. Dermed er det viktig med pålitelig in-situ spenningstilstand ved design av en stor berghall med lav overdekning. Geologiske forhold, topografi, tektonisk aktivitet, og den geologiske historien av nedising og isavsmelting har en betydelig innflytelse på størrelsen og orienteringen av in-situ spenningene. In-situ spenningstilstand kan bestemmes ved å utføre ulike spenningsmålinger, overvåkningsmetoder, elastisitetsteori og numerisk modellering.

Berghallen som er presentert i denne studien er en del av Västlänken prosjekt i Gøteborg, Sverige. Berghallen heter Mellanplan, og har lav overdekning. Den gjennomsnittlige bergoverdekningen over taket til hallen er estimert som 11 m. Per dags dato, er det kun to pilottunneler som har blitt konstruert i toppstollen. SINTEF Community har utført indusert spenningsmålinger fra taket til begge pilottunneler. 2D doorstopper metoden var brukt til bergspenningsmålinger.

Estimeringen av in-situ spenninger på et grunt dyp i Mellanplan oppnås ved å validere resultater fra 3D numeriske analyser med målte induserte spenninger fra 2D doorstopper. Utforming av numeriske modeller for spenningsanalyser er basert på vurderinger av det geologiske forholdet i Mellanplan og laboratorietester. I tillegg er resultater fra 2D doorstopper-målinger analysert, og det er gjennomført en vurdering av spenningstilstand i Mellanplan. Konseptene fra den endelige bergspenningsmodellen (the final rock stress model, FRSM) foreslått av ISRM (2012) er brukt for å bestemme den in-situ spenningstilstanden.

Den 3D numeriske modelleringen i studien innebærer parametriske spenningsanalyser, hvor ulike inngangsparametere relatert til bergspenninger er vurdert. Spenningsparametere som spenningsorienteringer, K-verdier (horisontal til vertikal spenningsforhold) og konstante spenninger (locked-in stresses) er de viktigste faktorer som førte til endring i spenningsresultatene fra numeriske analyser. Etter å ha utført ulike numeriske analyser, forsøk med varierende horisontale spenningsorienteringer og KH verdier førte til resultater som kunne brukes til tilbakeberegning av in-situ spenninger. Den tilbakeberegnet bergspenninger er videre brukt som inngangsparametere i en 2D numerisk program for å gjennomføre deformasjonsanalyser. Formålet med deformasjonsanalysene er å sammenligne den målte vertikale deformasjonen med numeriske resultater.

Den endelige bergspenningsmodellen viser at spenningstilstanden i Mellanplan kan beskrives som σH > σv > σh. Denne spenningstilstanden regnes gyldig kun på grunt dyp, fra 0 moh. til 15,8 moh. Funnene i studien antyder at tektoniske spenninger har et større bidrag til den største horisontale spenningskomponenten. Residualspenninger er også estimert til å ha en betydelig bidrag til størrelsen av den største horisontalspenningen. Videre σv og σh er foreslått som gravitative spenninger. Likevel kan geologiske strukturer ha en innflytelse på den allerede lave σh verdier. Orientering av σH er estimert i retning N150E, som avviker litt fra de tidligere estimerte spenningsorientering i Gøteborg. Dette indikerer at geologiske strukturer har innflytelse på rotasjon av spenninger. Videre resultater fra deformasjonsanalyser avviker fra den målte vertikal deformasjonen på taket til den Østre piloten. Allikevel viser resultatene en økning i vertikal deformasjon når den numeriske modellen blir generert med forvitrende forhold av diskontinuiteter. Det antas at representasjon av diskontinuiteter i 2D modeller har påvirkning på deformasjonsavviket.

The main objective of this thesis is to estimate and evaluate the undisturbed in-situ stress state that existed before excavating the pilot tunnels in a railway access cavern. The prediction of in-situ rock stresses is necessary since they are an important input for the stability assessments of underground openings. Thus, the design of a large underground cavern at a shallow depth requires reliable estimation of in-situ stress conditions. Geological conditions, topography, tectonic activity, and the geological history of glaciation and deglaciation have a significant influence on the magnitudes and orientations of the in-situ stresses. In-situ stress estimation can be based on various stress measurement methods, monitoring, elasticity theory and numerical modelling.

The access cavern, referred to as Mellanplan, presented in this study is a part of the West Link Project in Gothenburg, Sweden. The access cavern has a low overburden, where the average rock cover above the roof is estimated to be 11 m. Thus far, two pilot tunnels have been excavated at the top heading. SINTEF Community has conducted secondary stress measurements from the roof of the two pilot tunnels. The applied measurement technique was a 2D doorstopper method.

The estimation of in-situ stresses at a shallow depth in Mellanplan is achieved by validating the results from 3D numerical analyses with induced stresses obtained from doorstopper measurements. To generate the numerical models for stress analyses, geological conditions at Mellanplan are evaluated, and laboratory investigations are performed. The results from 2D doorstopper measurements are assessed, and an interpretation of the stress field at Mellanplan is carried out. The concepts from the final rock stress model (FRSM) suggested by ISRM (2012) are also applied to determine the in-situ stress state.

The 3D numerical modelling involves parametric stress analysis, where various stress inputs are evaluated. The stress parameters such as stress orientations, K-values (horizontal to vertical stress ratio) and locked-in stresses are the main input that induced change in the stress results from numerical analyses. After various numerical analyses, the numerical trials with varying horizontal stress orientations and KH values led to the results that assisted the back-calculation of in-situ stresses. The back-calculated virgin stresses are further applied in a 2D numerical program for deformation analyses. The aim of the deformation analyses is to compare the measured vertical displacement with the numerical results.

The final rock stress model demonstrates the stress field at Mellanplan as σH > σv > σh. This stress state is considered viable at a shallow depth, from 0 masl. to 15.8 masl. The findings in the study imply that tectonic stress has a greater contribution to the major horizontal stress component. Residual stress is also predicted to have a significant influence on σH. Furthermore, σv and σh are suggested as gravitational stresses. However, geological structures may have an influence on the already low magnitude of σh. The orientation of σH is predicted at N150E, which slightly deviates from the previously estimated orientations at Gothenburg. This finding indicates the influence of geological structures that can result in some degree of stress rotation. Lastly, the displacement results from deformation analyses are different from the measured vertical deformation at the East pilot roof. Nonetheless, the results display an increase in the vertical displacements when the numerical model is generated with weathered joint conditions. The representation of joints in the 2D models is believed to be the factor affecting the displacement deviation.