Soft ground tunneling in glacial deposits

Abstract

Som en del av det nye dobbeltsporede jernbaneprosjektet fra Drammen til Kobbervikdalen har Drammenstunnelen blitt drevet. Den inkluderer en løsmassetunnel på 290m som går igjennom morenematerial. Løsmassetunneler er utfordrende prosjekter som krever både nøyaktig prosjektering og utførelse. Byer er ofte lokalisert på løsmasser, og med utvidelsen av byene kommer et økende behov for å utnytte undergrunnen effektivt. Entreprenøren Veidekke som er ansvarlig for driving av Drammenstunnelen har valgt å forsterke grunnen med jet-grout før tunneldrivingen. Det antas immdlertidig at byggeprosessen kan optimaliseres med tanke på kostnader og utslipp, og samtidigt være trygg ved å bruk av stålrørsparaplymetoden.

For å vurdere gjennomførbarheten av å benytte stålrørsparaplymetoden som drivemetode, ble det gjennomført omfattende undersøkelse av grunnforholdene. Forundersøkelser for prosjektet ble studert grundig. Også prøvematerialet ble samlet inn fra byggeplassen, og labratorietestene kornfordeling og XRD-analyse ble utført ved laboratoriet på Petroleums Teknisk Senter, NTNU. De oppnådde parameterverdiene ble deretter brukt til stabilitetsberegninger. Analysen begynte med enklere analytiske og empiriske beregninger, og gikk videre til mer kompleke beregnigsmetoder i form av numerisk modellering. De analytiske og empiriske løsningene fremhevet at sikring av tunnelne må skje umiddelbart og størrelsen av sikringen nødvendig ble funnet. I tillegg viste resultatene at en større overdekning bidrar til økt stabilitet i tunnelen.

Stabilitetsanalysen av Joberget jordtunneldesign benyttet en todimensjonal endelig elementmetode ved programvaren RS2. Beregningene fokuserte på å evaluere den totale deformasjonen målt i modellene. To tverrsnitt og ett lengdesnitt ble modellert for å få innsikt i tunnelens stabilitet. Sålrørsparaplymetoden ble simulert ved å danne et lag av forsterket materiale over tunnelens krone. Resultatene avslørte at ved å dele opp stuffen riktig, installere tung støtte umiddelbart og holde utgravningslengdene korte, kan tunnelens stabilitet forsikres.

Den største usikkerheten i analysen er de benyttede parameterene. Med mer pålitelige parameterverdier vil modellene være mer på linje med virkeligheten, og potensielt redusere behovet for overdreven forsiktighet når tunnelprosjekter skal planlegges. På bakgrunn av dette anbefales et økt fokus på gode forundersøkelser for å hindre at tunnelprosjekter blir unødvendig overdimensjonert og står for mer utslipp.

The ongoing construction of the Drammen tunnel, as part of the new double-track railway project from Drammen to Kobbervikdalen, includes a 290m section built as a soft ground tunnel within glacial till. Soft ground tunnels are challenging projects that require both proper design and execution. As urban areas expand, often situated on soil, there is a growing demand for efficient utilization of underground spaces. Veidekke, the project contractor, has chosen to extensively reinforce the ground using the jetgrouting method for tunnel construction. However, it is believed that the construction process could be optimized in terms of cost, and emissions, while still being safe by employing the steel pipe umbrella method.

To assess the feasibility of utilizing the steel pipe umbrella method for tunnel construction, an extensive investigation was conducted to examine the ground conditions at the construction site. Preliminary investigations for the project were studied thoroughly. A sample was collected from the construction site, and laboratory tests including grain size distribution and XRD analysis were performed at NTNU. The obtained parameter values were then used for stability calculations. The analysis began with simpler analytical and empirical calculations, progressing to more complex numerical modeling. The analytical and empirical solutions highlighted the immediate support requirements and the magnitude of support needed. Additionally, the results demonstrated that a larger overburden contributes to increased stability of the tunnel.

The stability analysis of the Joberget soil tunnel design utilized a two-dimensional finite element method with RS2 software. The calculations focused on evaluating the total displacement. Two cross-sections and one longitudinal section were modeled to gain insights into the tunnel’s stability. The pipe umbrella support method was simulated using an improved material layer over the crown of the tunnel. The results disclosed that by subdividing the face correctly, installing heavy support immediately, and keeping the excavation lengths short, stability of the tunnel can be ensured.

The limiting factor of this analysis is the uncertainties in the modeling parameters. With more reliable parameter values, the models would align more closely with reality, potentially reducing the need for excessive caution. Increased focus on preliminary investigations is on this basis recommended to prevent tunneling projects from being over-dimensioned and account for more emissions.