Hydraulic properties of the Excavation damage zone

Abstract

Denne avhandlingen undersøker de hydrauliske egenskapene i sprengningsskadesonen. Arbeidet inkluderer numeriske modelleringer av et nytt tunnelkonsept med tanke på vann og frostsikring som utføres ved Hestnes jernbanetunnel. Konseptet går ut på å oppnå en funksjonelt tørr tunnel ved å bruke en differensiert injeksjonsprosedyre med kolloidal silika og mikrosement i heng og tak, og kun mikrosement i sålen. Konseptet innebærer at man oppnår høyere grad av tetthet i sonen som injiseres med kolloidal silika og at kontrasten mellom sonen injisert med kolloidal silika og kun mikrosement fører til at grunnvannsstrømmen reduseres i heng og tak og ledes mot sålen. Økt hydraulisk transmissivitet i sprekker i sprengningsskadesonen kan øke vanndrenering og redusere vanntrykket på sprøytebetongen som er utført som en del av bergsikringen. Sprøytebetongen er planlagt som eneste form for vannsikring på grunn av dens lave hydrauliske konduktivitet.

Vanntapsmålinger ble utført i Hestnes jernbanetunnel for å undersøke sprekketransmissiviteten i sprengningsskadesonen. Sprekketransmissivitet ble også undersøkt i tidligere utført vanntapsmålinger i to tunnelprosjekter: Gevingåsen og Drammen. I Hestnesstunnelen ble det utført geologisk fertkartlegging og 2D-doorstopper spenningsmålinger for å finne inngangsparametere for en 2D FEM vannstrømningsanalyse i RS2 og 3D DEM vannstrømningsanalyse på sprekker i 3DEC. De numeriske analysene inkluderte de samme scenariene for å undersøke effekten på grunnvannsstrømning og vanntrykk for tunnelkonseptet; sprengningsskadesonen, injisert sone og sprøytebetong. 3DEC modellen inneholdt kun spenningsinduserte sprekkeåpningsforandringer.

Hovedfunnene i Gevingåsen og Drammen prosjektene viser at de første 0.5 m i sprengningsskadesonen har en høyere frekvens av høy-transmissive sprekker. Vanntapsmålingene i Hestnesprosjektet hadde få gyldige målinger i sprengningsskadesonen, vanskeligheter med trykkoppbygging og lekkasjer ut av nabohull tyder på at sprekkene i spreningsskadesonen er åpne og har stor transmissivitet. De numeriske simuleringene viser at grunnvannstrømning blir betraktelig redusert i sone injisert med kolloidal silika og vannet ledes mot sålen og at grunnvannstrykket reduseres i sone injisert med kolloidal silica og i sprengningsskadesonen. På grunn av høye horisontale spenninger så åpner sprekkene mest i vegg og lukkes i såle og tak generelt sett. Det horisontale sprekkesettet åpner i heng og såle. RS2 analysen viser at intakt sprøytebetong er nærmest impermeabel og leder vann mot sålen. For å videre verifisere tunnelkonseptet må framtidige undersøkelser se om vannstrømning fra heng til såle er sammenkoblet for både spenning- og sprengningsinduserte forandringer i sprengningsskadesonen.

This thesis investigates the hydraulic properties of the excavation damage zone (EDZ). The work includes numerical simulations of a new tunneling concept with respect to water and frost protection that is currently carried out at Hestnes railroad tunnel. The concept is to achieve a functional dry tunnel by a differentiated grouting procedure with colloidal silica in the walls and the crown, and only micro cement in the invert. The concept is that a higher degree of tightness is achieved in the zone grouted with colloidal silica, and the resulting contrast in hydraulic conductivity between the grouted zones diverts water flow towards the invert. Increased joint transmissivities in the EDZ can increase the draining effect close to the tunnel excavation and reduce groundwater pressure acting on the rock support. Because of its low hydraulic conductivity, shotcrete is planned as a sufficient water barrier for the remaining flow.

Water pressure testing was carried out to assess the joint transmissivities in the excavation damage zone in the Hestnes railroad tunnel. A review of previously conducted water pressure testing in the Gevingåsen and Drammen railroad tunnels was also conducted to investigate joint transmissivity in the EDZ. Geological mapping and 2D doorstopper stress measurements were conducted to find input parameters for a 2D FEM matrix flow analysis in RS2 and 3D DEM joint flow analysis in 3DEC. The RS2 and 3DEC analysis included the same scenarios to assess the influence of the different parts of the tunnel concept; the excavation damage zone, the grouted zone, and the shotcrete. The 3DEC model included stress-induced aperture changes only and not blasting-induced damage.

The main findings in Gevingåsen and Drammen show that the first 0.5 m from the excavation boundary have a higher frequency of high joint transmissivity than further out in the rock mass. Water pressure testing in the Hestnes project had few valid measurements in the EDZ. Difficulties with pressure build-up and leakage out of nearby holes indicate that the joints are open and conductive. The numerical results show that water flow is significantly altered towards the invert and that significantly less flow occurs where colloidal silica is used. The 3DEC model shows that stress-induced aperture changes influence fluid flow around the tunnel excavation and that joint pressures are reduced in the zone grouted with colloidal silica and the EDZ. Due to large horizontal stresses, most joints open in the walls and close towards the corners of the invert and the crown. Horizontal joints tend to open in the crown and invert. The RS2 analysis shows that the shotcrete diverts flow towards the invert and is close to impermeable. Future work should evaluate the EDZ and the influence of stress and blasting-induced changes to assess flow connectivity from the crown to the invert.