Modellering av grunnvannsstrømning i SEEP/W ved tunneldriving

Abstract

For at et tunnelprosjekt skal være vellykket forutsetter det at ytre miljø ikke blir påvirket i nevneverdig grad av tunneldrivingen. Grunnvann som siver inn i tunnelen kan redusere poretrykket og grunnvannsnivået over store arealer, noe som blant annet kan føre til setninger i overliggende løsmasser. Det må derfor stilles krav til maksimal innlekkasjemengde. Tettekravet forutsetter en pålitelig predikasjon av poretrykksreduksjonen for ulike innlekkasjerater. Dagens metode baserer seg på erfaringer fra tidligere tunnelprosjekter, men en alternativ tilnærming kan være å utføre numerisk grunnvannsmodellering. Hovedhensikten med den utførte modelleringen i SEEP/W har vært å vurdere muligheter, begrensninger og usikkerheter for en slik modell. Modellering av Drammenstunnelen viste at det var nødvendig med tilgang til omfattende felt- og grunnundersøkelser i en kombinasjon med tolkning for å konseptualisere modellen. En rekke antakelser og forenklinger ble innført, men dette ført også til økt usikkerhet. Modelleringen viste at en for høy hydraulisk konduktivitet i bergmassen førte til en overestimering av mengden vann som infiltrerte inn i domenet, mens en for lav hydraulisk konduktivitet ga urealistisk stor trykkhøydereduksjon ved tunnelinnlekkasje. I tillegg til den hydrauliske konduktiviteten vil nøyaktighetene på beregningene avhenge av hvordan grensebetingelsene i modellen gir realistiske poretrykks- og innstrømningsnivåer sammenlignet med målt poretrykk og beregnet avrenning fra feltområdet. Beregningseksempelet viste at en definert konstant innlekkasje til tunnel førte til en ''pumpeeffekt'' når grunnvannsnivået sank under tunnelkonturen. Dette kunne gi urealistiske store poretrykksreduksjoner. En konstant innlekkasjemengde ført til at den hydrauliske gradienten ble konstant som følge av Darcys lov. Av den grunn ble domenestørrelsen en viktig usikkerhetsfaktor ved modelleringen. I realiteten vil innlekkasjen til tunnel avhenge av tilgjengelig grunnvann, den hydrauliske konduktiviteten og om det er en energiforskjell til å drive strømningen. Så lenge tunnelen ligger under grunnvannsnivået, inngangsparameterne er nøyaktige og konseptualiseringen er realistisk i forhold til erfaringstallene, kan numerisk modellering benyttes for å gi en helhetlig vurdering av de ulike parameterne ved stasjonær eller transient strømning.

The success of a tunnel project depends, among other things, on how much the tunnel affects the external environment. Because of groundwater seepage into the tunnel, the pore pressure and groundwater level can be reduced over large areas, potentially leading to settlements in the overlying soil. A maximum inflow rate needs to be defined to limit the possible consequences. To address this, a reliable prediction of the pore pressure reduction for different leakage rates is necessary. Today's method is based on experience from previous tunnel excavation projects. An alternative approach may be to use numerical modelling. The main purpose with the performed modelling in SEEP/W has been to address opportunities, limitations and uncertainties. The case study in Drammen showed that it was necessary with access to extensive field- and ground investigation in combination with a comprehensive interpretation to conceptualize the field area. As a result, several assumptions and simplifications was taken, which in turn could increase the uncertainty. The calculations showed that a too high hydraulic conductivity in the rock mass led to an unrealistically high seepage into the domain. A too low value resulted in an unrealistic pressure head reduction around the tunnel due to leakage. The accuracy of the calculations is dependent on the accuracy of the hydraulic conductivity and how well the boundary conditions in the model adapts to the measured pore pressure and the calculated runoff in the field area. Because of how the tunnel was defined in the model, the simplified case showed that a ''pumping-effect'' occurred when the groundwater table was reduced under the tunnel contour. As a result, the pore pressure could be reduced to an unrealistically high degree. Due to Darcy's law and the defined constant tunnel leakage, the hydraulic gradient became constant which made the domain size an important uncertainty factor when modelling. In reality, the tunnel leakage depends on available groundwater, the hydraulic conductivity and whether there is an energy difference that runs the groundwater flow. Groundwater modelling can be addressed to provide a comprehensive assessment of the various parameters for stationary or transient flow, as long as the tunnel is under the groundwater level, the input parameters are accurate and the conceptualisation is realistic in comparison with the empirical figures.