Undersøkelse av poretrykksøkning i kvikkliereavsetning som følge av sementbasert forinjeksjon i Åstunnelen, to-løps tunnel på E6 Trøndelag

Abstract

Innlekkasje i tunnelanlegg som kan føre til en drenering av grunnvannet rundt anlegget er et velkjent problem ved driving av norske tunneler. Innlekkasje i tunnelanlegget hindres vanligvis ved å benytte forinjeksjon. Injeksjon av bergmassen, spesielt i områder med lav bergovedekning kan imidlertid også føre til en lokal økning av poretrykket i løsmassedekket over tunnelen. En slik poretrykkøkning kan destabilisere løsmassene dersom disse er sensitive for en slik påvirkning, som for eksempel kvikkelire. Åstunnelen er drevet gjennom flere områder med denne problematikken.

Åstunnelen er en to-løps tunnel som ligger i Trøndelag ved tettstedet Åsen. Løsmassedekket langs store deler av traseen er preget av marine leiravsetninger, og i nord krysser Nordlandsbanen over tunneltraseen. Jernbanen ligger over en kvikkleireavsetning med lav stabilitet.

På grunn av faren for store setningsskader på Nordlandsbanen ved en eventuell senkning av grunnvannsnivået, er det satt et innlekkasjekrav på strekningen på 10 l/min per 100 meter tunnel, samlet for begge tunnelløp. For å oppfylle kravet til innlekkasje er det gjennomført systematisk forinjeksjon på strekningen. For å forhindre en destabilisering av leira er det satt strenge krav til poretrykkøkning under selve injeksjonsarbeidet. Det er registret betydelig økning i poretrykket i leiravsetningen i anleggsperioden, men kravet for poretrykkøkning er imidlertid ikke overskredet i dette området.

Det er innhentet data fra injeksjonsarbeidet på Åstunnelen og poretrykkmålinger fra området. Disse dataene danner grunnlaget for analysen av injeksjonsarbeidets påvirkning på poretrykkøkning i løsmassedekket over tunnelen. Videre er det innhentet relevant informasjon om de geologiske forholdene på strekningen, registrert innlekkasje og avstanden mellom injeksjonsskjermene og poretrykkmålerne. Dette danner grunnlaget for videre analyse av disse ytre faktorene. Som teoretisk utgangspunkt for analysene er det presentert teori med fokus på generell utførelse av forinjeksjon, valg av injeksjonsmetode for ulike forhold, samt teori relatert til poretrykk og grunnvannstrømning i berg og løsmasse.

Ettersom det tidligere har vært få studier av økning i poretrykket grunnet injeksjon, var det på forhånd ikke kjent hvor, eller om, man ville finne tydelige sammenhenger i analysen. Det har derfor vært nødvendig med en bred tilnærming, og analysen har i stor grad sett på de grove trekkene for mange elementer. Der er dermed ikke i like stor grad gått i dybden og fulgt opp enkeltresultater i detalj. Resultatene indikerer imidlertid at samspillet mellom injeksjon og poretrykkøkning i stor grad domineres av konduktiviteten til grunnen, som er lokalt varierende. Enkelte resultat tyde også på at mengde injeksjonsmasse er en viktig faktor, men det er ikke avklart i hvor stor grad injeksjonstrykket og flow påvirker dette samspillet. Det kreves dermed flere undersøkelser og videre analyser før man kan trekke noe sikre konklusjoner.

In Norwegian tunneling, drainage of the groundwater table around the tunnel structures due to water ingress is a well-known issue. To prevent water inflow into the tunnel, pre-excavation grouting is commonly used. Grouting of the rock mass can however cause the pore pressure in the overlying soil to increase, which can lead to a destabilization of the soil. This is particularly a problem in the soil where the grain structure already is unstable, like the structures in quick clay. The Åstunnelen has encountered this problem several times along its tunnel alignment.

The Åstunnelen is a two-lane tunnel located in Trøndelag, near the village of Åsen. Marine clay depositions are found along much of the tunnel alignment. In the north of the tunnel, the Nordlandsbanen crosses over the alignment, and the railway is located above a deposition of low-stability quick clay.

Due to the potential risk of significant subsidence damage to the railway caused by potential drainage of the groundwater table, a leakage requirement of 10 l/min per 100 meters of the tunnel, combined for both tunnel lanes is required. To fulfil the leakage requirement, systematic pre-excavation grouting has been implemented. Due to the unstable clay deposition, a maximum threshold value for pore pressure increase is required for the grouting work. Although an increase in pore pressure has been observed in the clay deposition, the threshold value for pore pressure increase has not been exceeded in this area during the pre-excavation grouting.

Data has been collected from the grouting performed in the Åstunnelen and pore pressure measurements from the area. These data materials form the basis for the analysis of the influence of the grouting on pore pressure increase in the soil above the tunnel. In addition, relevant information regarding the geological conditions along the alignment, infiltration into the tunnel, and the distance between the grouting curtains and pore pressure gauges have been gathered to perform further analysis of these external factors.

Theoretical foundations for the analysis include theories focusing on the general execution of pre-grouting and the selection of grouting methods under different conditions, as well as theories related to pore pressure and groundwater flow in rock and soil depositions.

Given the limited number of previous studies on pore pressure increase due to rock mass grouting, it was not known in advance whether clear correlations would be found in the analysis or not. Therefore, a broad approach has been necessary, and the analysis has primarily focused on overall trends for many parameters, rather than detailed analyses of specific results. However, the results indicate that the interaction between rock mass grouting and pore pressure increase is largely influenced by the conductivity of the ground. Additionally, some results indicate that the amount of grouting materials is also a significant factor, although the extent to which the grouting pressure and flow affect this interaction is not yet clarified in this analysis. Therefore, further investigations and analyses are required before drawing any definitive conclusions.