Grunnvannstrykk på en delvis drenert tunnelkledning: Simulering av sprekkevannstrykket bak sprøytebetongkledningen i Gevingåstunnelen ved bruk av "finite element"-metoden og "distinct element"-metoden

Abstract

Én måte å kontrollere vanninnlekkasjen i en tunnel er ved bruk av en udrenert vanntett tunnelkledning. Når en slik kledning prosjekteres må man ta hensyn til muligheten for høye grunnvannstrykk i bergmassen bak kledningen. I verste fall kan trykket være lik det hydrostatiske. Dersom kledningen kun påføres tunnelens vegger og heng kan imidlertid strømning til tunnelens drenerte såle føre til en reduksjon av grunnvannstrykket. Denne effekten kan forsterkes av en sprengningsskadesone med større hydraulisk konduktivitet enn den uforstyrrede bergmassen.

Denne masteroppgaven studerer grunnvannstrykket i bergmassen rundt Gevingåstunne-len, en sprengt jernbanetunnel i Trøndelag, Norge. Tunnelen er vannsikret i vegger og heng med en sprøytebetongkledning med vanntett sprøytet membran. Studien inkluderer felt- og laboratorieundersøkelser av forholdene i tunnelen, todimensjonal endelig ele-mentmodellering i programmet RS2 og tredimensjonal diskontinuumsmodellering i pro-grammet 3DEC. Resultatene fra simuleringene sammenlignes med eksisterende målinger av grunnvannstrykket bak den delvis drenerte kledningen, samt målinger fra en annen lokalitet. Sprengningsskadesonen inkluderes i simuleringene, og dens hydrauliske egen-skaper tilbakeberegnes.

Basert på observerte vannforhold i Gevingåstunnelen er bergmassens effektive hydraulis-ke konduktivitet estimert til 1×10-8 m/s. Dette tilsvarer en hydraulisk sprekkeåpning på ca. 3×10-5 m. Uten noen form for påvirkning fra tunneldrivingen på bergmassens hydrau-liske egenskaper, resulterer simuleringene i et maksimalt sprekkevannstrykk bak tunnel-kledningen på nærmere 0.5 MPa. Dette er lavere enn det hydrostatiske trykket på 0.6 MPa, men høyere enn hva som er målt. Det simulerte sprekkevannstrykket er lavere når modellen tar hensyn til endringer i sprekkenes hydrauliske åpning som følge av deforma-sjoner og spenningsendringer i bergmassen. Dette skyldes en økning av den hydrauliske sprekkeåpningen for enkelte naturlige sprekker. Når dette inkluderes, ligger det høyeste sprekkevannstrykket som opptrer bak kledningen i intervallet 0.3–0.4 MPa. Imidlertid er trykkene som er målt i tunnelen enda lavere.

For å oppnå samsvar med de målte grunnvannstrykkene kreves en økning av den hydrau-liske konduktiviteten i sprengningsskadesonen på én til to størrelsesordener. Dette tilsva-rer en økning i hydraulisk sprekkeåpning med en faktor to til fire. En slik økning av de hydrauliske spekkeåpningene i sprengingsskadesonen fører til en betydelig reduksjon av det simulerte sprekkevannstrykket bak tunnelkledningen. Trykket på kledningen simule-res til å være maksimum ca. 0.16 MPa, noe som stemmer godt overens med målingene. For øvrig indikerer simuleringene at primære bergspenninger, samt type, mengde og in-stallasjonstidspunkt for bergsikring er blant faktorene som påvirker vanntrykket i berg-massen.

One way of controlling the water flowing into a tunnel is by application of an undrained waterproof tunnel lining. A concern during the design of such a lining is the possibility of high groundwater pressures in the rock mass behind it, possibly as high as the hydrostat-ic pressure. However, if the lining is applied only to the tunnel walls and crown, flow to the drained invert may lead to a reduction of the pressure. This effect might be enhanced by an excavation damage zone (EDZ) with higher hydraulic conductivity than the undis-turbed rock mass.

This thesis studies the groundwater pressure in the rock mass surrounding the Gev-ingåsen tunnel, a drill-and-blast railway tunnel in Trøndelag, Norway. The tunnel is lined in the walls and crown with a sprayed concrete lining (SCL) with waterproof sprayed membrane. The study includes field and laboratory investigations of the conditions in the tunnel, two-dimensional finite element modelling in the software RS2, and three-dimensional distinct element modelling in the software 3DEC. The simulation results are compared to existing measurements of the groundwater pressure behind the SCLs in the Gevingåsen tunnel and at another test site. The construction damage zone (CDZ) is in-cluded in the models, and its hydraulic properties are back-calculated using the measured values.

Based on observed water conditions in the Gevingåsen tunnel, the effective hydraulic conductivity of the undisturbed rock mass is estimated to be 1×10-8 m/s. This corre-sponds to a joint hydraulic aperture of approximately 3×10-5 m. Without any change in the rock mass hydraulic properties due to the tunnel excavation, the maximum rock joint water pressure immediately behind the partially drained SCL is simulated to be close to 0.5 MPa. This is lower than the hydrostatic pressure of 0.6 MPa, but higher than the measured values. The simulated pressure is lower when hydraulic aperture changes due to mechanical effects (i.e., not blasting directly) are included in the model, as joint nor-mal displacements increase the hydraulic aperture of some natural joints. The maximum joint pressure remaining immediately behind the partially drained SCL is simulated to be in the range 0.3–0.4 MPa when joint normal displacements are allowed to affect the joint hydraulic apertures. However, this is still higher than the measured values.

A hydraulic conductivity increase in the CDZ of between one and two orders of magnitude is necessary to explain the pressures previously measured. This corresponds to a hydrau-lic aperture increase with a factor 2–4. Such an increase leads to a significant reduction of the simulated joint pressures, and results in a maximum pressure at the excavation boundary of approximately 0.16 MPa. This is in good agreement with the measurements. The simulations also suggest that the virgin stress field, and the type, quantity and time of installation of rock support are among the factors that influence the pressure.