Engineering geological evaluation of Løren tunnel with particular focus on the control of ground water inflow

Abstract

One of the greatest challenges in urban tunneling is to control the inflow of groundwater. Drainage of a groundwater reservoir can be highly damaging to the environment. Lowering of groundwater table causes the top soil layer to be dried out and valuable vegetation can get damaged. Surface water such as small lakes can be drained and disappear completely. Wooden pile foundations can decay when the surrounding soil is not longer fully saturated. Furthermore, drops in pore pressure can initiate consolidation processes and ground settlements. This can be extremely damaging to surfaces structures such as buildings, foundations and infrastructure. In Oslo, large areas are covered with porous marine clay. This material is especially sensitive to drainage of groundwater.

To construct a tight tunnel is not important only for the surroundings. The climatic situation in Oslo causes extreme differences in temperatures between summer and winter, where the temperature difference can be more than 40 degrees Celsius. Even extremely small rates of leakage can therefore cause frost damages to concrete structures in the tunnel. Furthermore, dripping water can cause chemical erosion on concrete and decreases its durability. To avoid the mentioned problems with water inflow to a tunnel, it is necessary to implement extremely strict inflow criteria and special construction techniques must be carried out.Internationally, ground freezing has been commonly used. However, in Norway good experiences have been made with systematic pre-grouting. The method involves grouting the rock mass ahead of the tunnel face.The grout replaces the groundwater in the voids of the rock mass and seals water conducting joints. When the grout is set, the tunnel is excavated through a pre-grouted zone which is more water tight than the natural rock mass conditions. In addition, tunnel stability becomes enhanced as by-effects. It is believed that most of the well known Q-parameters become improved. For example, the density of fractures reduces, joint aperturebecomes smaller and inter-block shear strength increases.

Pre-grouting can be understood as the third leg of modern tunneling. The two first, excavation and rocksupport, are well known techniques with many years of experience. Pre-grouting, however, needs more experience and deeper understanding in order to become technically and economically optimized.

In addition to reviewing state-of-the-art pre-grouting technique, this thesis focuses on the pre-grouting in the Løren tunnel. This is a high risk tunnel project in Oslo where pre-grouting is conducted extensively in order to fulfill the strict inflow criteria. While writing this thesis, the tunnel is under construction and only the excavated part, approximately one third on the total length, is studied. A considerable amount of data on engineering geological conditions are studied and analyzed in relation in to the design and setup of the pre-grouting performed in the tunnel. It is found that grout consumption depends on geological factors and on factors related to the design. On this basis, formulas for grout consumption in the Løren tunnel are derived.These can give indications on grout consumption during future pre-grouting in the tunnel.

So far, the pre-grouting work in the Løren tunnel has been successful. Required inflow criteria have been fulfilled. Based on pre-excavation Lugeon test results and actual inflow measurements, it is estimated that the hydraulic conductivity of the rock mass has reduced significantly. However, the natural rock mass conditions seem highly water conductive and the clay deposits above the rock are highly sensitive to pore pressurereduction. The same degree of effort should be given through the rest of the tunnel construction in order to succeed.

En av de største utfordingene ved å bygge tunneler i urbane områder er å kontrollere vannlekkasjer. Drenasje av et grunnvannsreservoar kan være meget skadelig for omgivelsene. Senkning av grunnvannspeilet kan føre til at jordlaget tørkes ut slik at verdifull vegetasjon blir skadet. Videre kan små innsjøer forsvinne og gamle trefundamenter kan råtne når de ikke lenger står i vannmettet jord. Portrykksfall kan starte konsolideringsprosesser og setninger. Dette kan være ekstremt skadelig for bygninger, fundamenter of infrastruktur som finnes på overflaten. I Oslo finnes det store av setninger av marin leire. Denne typen jord erspesielt sensitiv for drenasje.

Å konstruere en vanntett tunnel er ikke bare viktig for omgivelsene. Den klimatiske situasjonen i Oslo gir ekstremt store temperaturforskjeller mellom sommer og vinter, som ofte kan komme opp i 40 grader. Selv deminste lekkasjer kan føre til store frostsprengningsskader på betong inne i tunnelen. Dryppende vann kan også føre til kjemiske angrep og dermed senker levetiden på betongen. For å unngå de nevnte problemeneknyttet til vann i tunnel, er det nødvendig med ekstremt strenge tetthetskrav og spesielle konstruksjonsteknikker må tas i bruk. Internasjonalt har frysing vært en mye brukt metode. Men i Norge har man de senere år gjort svært gode erfaringer med systematisk forinjeksjon. Metoden innebærer at bergmassen foran tunnelstuffen blir injisert med en gitt type masse. Denne massen, ofte sementbasert, presser vekk porevannet i bergmassen slik at sprekker og åpninger blir fyllt og forseglet. Når massen er herdet, driver man tunnelen gjennom denne forinjiserte sonen som er mer vanntett enn de naturlige bergforholdene. I tillegg får man positive bieffekter ved at berget blir forsterket. Man tror at de fleste av de velkjente Q-parametrene blirforbedret ved forinjeksjon. For eksempel reduseres sprekketettheten, sprekkeåpningene blir mindre og bergmassens skjærstyrke øker.

Forinjeksjon kan tolkes som det tredje beinet av moderne tunnelkonstruksjon. De to første, sprengning og bergsikring, er velkjente teknikker med mange års erfaringsbakgrunn. Men forinjekjson er en metode som harbehov for mer erfaring og dypere forståelse slik at den virkelig kan bli teknisk-økonomisk optimalisert.

I tillegg til å gå igjennom eksisterende ”state-of-the-art” forinjeksjon fokuserer denne masteroppgaven på forinjeksjonsarbeidene ved Lørentunnelen. Dette er et høyrisiko prosjekt i Oslo, som blir bygget ved hjelp av forinjeksjon for å kunne oppfylle de strenge tetthetskravene. Per dags dato er tunnelen under bygging. Derfor er det kun den ferdige delen av tunnelen, omtrentlig en tredjedel ev den totale tunnellengden, som er studert.En stor mengde data om ingeniørgeologiske forhold er studert og analysert i relasjon til oppsettet påinjeksjonsarbeidene utført i tunnelen. Det er funnet ut at forbruk av inejksjonsmasse avhenger i høy grad både geologiske forhold så vel som parametre relatert til injeksjonsoppsettet. Basert på dette, er det utledet formlerfor forbruk av masse. Disse kan brukes til å lage prognoser for forbruk av injeksjonsmasse ved videre arbeid i tunnelen.

Så langt har injeksjonsarbeidene i Lørentunnelen vært en suksess. De gitte tethetskravene er oppfylt. Basert på resultatene fra Lugeontestene foretatt under forundersøkelsene og lekkasjemålingene foretatt i tunnelen, er detestimert en betydelig reduksjon av den hydrauliske konduktiviteten i bergassen. Men den hydrauliskekonduktiviteten til de naturlige massene virker svært høy og leirvsetningene over tunnelen er svært sensitivefor drenasje. Derfor bør den nåværede tetteinnsatsen fortsette gjennom resten av prosjektet for at man til slutt skal lykkes.