Assessment of the relationship between Measurement While Drilling parameters and resulting data from pre-excavation grouting - A case study on the Fv. 659 Nordøyvegen project

Abstract

Ukontrollert drenering av grunnvann inn i en tunnel, representerer en av de vanskeligste utfordringene for et hvert tunnelprosjekt. Vannlekkasjer inn i tunnelen er assosiert med flere negative konsekvenser, som f.eks. setningsskader på omkringliggende bygninger og infrastruktur, forstyrrelser av økosystemer, stabilitetsproblemer i tunnel både under og etter bygging, og ugunstige forhold for arbeid på tunnelstuff. Den vanligste metoden for å motvirke innlekkasje er gjennom forinjeksjon, hvor sement injiseres med høyt trykk foran tunnelstuffen. Slik at det formes en beskyttende skjerm rundt tunnelkonturen. Measurement while drilling (MWD), er en boreteknologi som muliggjør fortløpende logging og monitorering av bergmassen fra boreriggen. Det er uttrykt et klart ønske fra tunnelindustrien om å bruke denne MWD dataen mer aktivt i selve injeksjonsprosessen, i et forsøk på å forbedre og effektivisere metoden.

Hovedformålet med denne masteroppgaven, er å etablere en dypere forståelse for sammenhengen mellom disse MWD- og infeksjonsparameterne. Dette er gjort gjennom forskjellige statistiske metoder. For dette formålet er data innhentet fra et stort pågående infrastrukturprosjekt (2020) lokalisert i Vest-Norge, Fv.659 Nordøyvegen. Både MWD- og injeksjonsdata er hentet inn fra 13 forskjellige stuffer og 2 tunneler, med et totalt datagrunnlag på over 350 borehull. Injeksjonsdataen er også analysert for tilfeller av hydraulisk jekking (HJ), ved hjelp av den nylig utviklede PF indeksen.

Denne masteroppgaven konkluderer med at ingen signifikante korrelasjoner ble funnet mellom MWD DPI- og injeksjonsparameterne. Hvilket innebærer at det trengs alternative tilnærminger til denne problemstillingen, for å videre kunne verifisere eller avkaste påstanden om sammenheng mellom disse to datagruppene. Videre er det foreslått et behov for nyutviklinger i dagens MWD teknologi, for å forbedre kvaliteten til MWD og muliggjøre bruken av denne dataen i en injeksjons-sammenheng. Muligheten til å bruke PF indeksen visuelt for å bestemme tilfeller av HJ i injeksjondata er blitt testet. Potensielle tilfeller av HJ, ble funnet i 23% av alle injiserte borehull. Det ble også funnet en viss sammenheng mellom økt tidsforbruk og volum for hull med HJ. Denne avhandlingen belyser noen muligheter og begrensninger til dagen MWDteknologi, samt sammenhengen mellom MWD- og injeksjon, som enda ikke er helt forstått.

Uncontrolled drainage of groundwater into the tunnel space represents one of the most serious threats to any tunnel project. Water-ingress into tunnel spaces is associated with multiple negative consequences, such as: settlement damage on surrounding structure, disturbance of surrounding ecosystems, stability issues during and after construction, including unfavorable working conditions inside the tunnel. A common mitigation method to control the water-ingress is called pre-excavation grouting, where cement is grouted ahead of the advancing tunnel face, forming a protective curtain surrounding the advancing tunnel. Measurement while drilling (MWD), is a drilling technology that allows for continuously monitoring and logging of drilling parameters from the drilling jumbos. The tunneling industry has expressed a desire to use this MWD data more actively during the construction phase, and that includes using MWD data more actively during the grouting process.

The main objective of this master thesis is to gain a deeper understanding of the presumed relationship between these interpreted MWD parameters (MWD DPI), and the different grouting parameters. This is done through various statistical methods. For this purpose, data from a large ongoing infrastructure project (2020) located in western Norway, Fv.659 Nordøyvegen, is used. MWD DPI- and grouting data are gathered from 13 different chainages across 2 different tunnels, comprising over 350 boreholes. The grouting data is also analyzed for hydraulic jacking events (HJ), relying on the newly developed PF index.

The main conclusions from this research, indicate that no apparent relationship exists between the MWD DPI- and grouting variables. Suggesting that alternative approaches to the research question are needed, to further verify or dismiss this relationship. Furthermore, it is advised that further developments in today’s MWD technology are likely needed before it can be relied on as an effective tool in the grouting process. It is found that MWD DPI’s are successful in detecting larger scale weakness zones ahead of the tunnel face. The ability to use the PF index as a visual tool in detecting potential hydraulic jacking events (HJ) has been tested. It is found that 23% of all grouted holes were possibly exposed to HJ events. Indications for higher grouted volumes and time consumption for HJ holes were also found. This thesis highlights some possibilities and limitations of today’s industry-standard MWD technology, including the relationship between the MWD- and grouting-data, which is not yet fully understood.