Rock mass properties influencing pre-excavation grouting methodology and performance in hard rock tunnels A field study of two tunnel projects subject to exceptionally high water tightness requirements

Abstract

Denne avhandlingen undersøker bergmasseegenskapenes innflytelse på ressurs forbruk og oppnådd tetthet ved forinjeksjon i tunneler med eksepsjonelt høye tettemål. Målet har vært å tilegne seg kunnskap om hvordan bergmasseparametere begrenser injeksjonsmetodenes evne til å oppnå disse målene. Med moderne strenge krav til materialer og funksjonskrav for tetthet ved tunneldriving, blir det stadig viktigere å optimalisere strategien for å oppfylle begge disse kravene.

Studien omfattet feltarbeid på to tunnelprosjekter under bygging som var gjenstand for eksepsjonelle krav til maksimal tillatt vanninntrengning. Hestnestunnelen, en dobbeltsporet høyhastighets jernbanetunnel, er en av tunnelene som ble studert i denne avhandlingen. Denne tunnelen ble i stor grad vellykket injisert til en tørr tunneloverflate, og utelukket behovet for en full vanntett utstøpning, kun ved forinjeksjon. Den andre tunnelen, kabel tunnel Sogn-Ulven, drives under urbane områder i Oslo sentrum, som er følsomme for setninger. Den anvendte injeksjonsmetodikken er utformet for å oppnå tilstrekkelig lav vanninntrengning slik at in-situ poretrykk i akviferen opprettholdes, og for å utelukke en full vanntett utstøpning, som var designet for kritiske seksjoner av tunnelen.

Begge tunnelene var gjenstand for en grundig og omfattende undersøkelse av bergmassen, vurdering av injeksjonsmetodikken og ønsket tetthet. Avhandlingen legger vekt på undersøkelser av contrast og variasjon innen utvalgte bergmasseparametere basert på histogram-metoden i Q-systemet av Barton og Grimstad (2014). Alle data relatert til de injiserte volumene innen injeksjonsskjermene ble behandlet for å sammenligne ressursforbruket for injeksjonsarbeidet mot de respektive bergmasseegenskapene. Oppnådd tetthet i tunnelen ble vurdert på observasjon av vanninntrengning og av resultatene fra poretrykksmålingene.

De viktigste funnene fra forskningen viste klare korrelasjoner mellom en kontrast innen bergmasseparametere og utilstrekkelig tetthet i ved med moderate til høye hydrostatiske trykk. Forskningen viste også en klar korrelasjon mellom en lav kontrast innen bergmasseparametere og oppnådd tetthet, uavhengig det hydrostatiske trykket. Det ble også funnet en klar korrelasjon mellom sprekker orientert parallelt til sub-parallelt med tunnelaksen, og utilstrekkelig oppnådd tetthet. Injeksjonsmetodikken anvendt i disse tunnelene er basert på en injeksjonsprosedyre med primære og sekundære skjermer, hvor de sementbaserte injeksjonsmaterialene i den primære skjermen har som rolle å homogenisere bergmassen ved å redusere konduktiviteten i bergmassen, og etterlater kolloidal silika til tette de finere sprekkene. Resultatene fra denne studien bekreftet gyldigheten av teorien om oppnådd homogenisering under de undersøkte forholdene.

Funnene i denne studien har vist at egenskaper og respons fra bergmassen er essensielle ved tunneldriving med eksepsjonelle krav til tetthet og er avgjørende for å oppnå disse kravene. Med disse funnene lagt til grunn, bør naturen og egenskapene til bergmassen være den avgjørende faktoren ved injeksjon med høye tettemål. Det vil derfor være hensiktsmessig å inkludere bestemmelser i prosjektstrategien som tillater justering av injeksjonsprosessen basert på egenskapene til bergmassen.

This thesis investigates the influence of rock mass properties on pre-excavation grouting consumption and achieved tightness in tunnels with exceptionally high water tightness. The goal has been to gain knowledge on how rock mass parameters limit the grouting methods’ ability to accomplish these targets. With modern strict requirements for materials and functional specifications for water ingress control when tunnelling, it becomes increasingly important to optimise the strategy to meet both these targets. The research encompassed fieldwork on two tunnelling projects under construction that were subject to exceptional requirements for the maximum allowed water ingress. The Hestnes tunnel, a double-tracked high-speed railway tunnel, is one of the tunnels studied in this thesis. This tunnel was, to a large extent, successfully grouted to a dry tunnel surface, omitting the final inner lining system for waterproofing only by pre-excavation grouting. The other tunnel, the Sogn-Ulven power grid tunnel, passes entirely under urban areas in the Oslo city centre, which are sensitive to settlements. Nonetheless, the adopted grouting methodology was designed to achieve sufficiently low water ingress to maintain control of the in-situ pore pressure in the aquifer and to omit the final inner cast-in-place lining system for waterproofing, which was designed in critical sections of the tunnel.

Both tunnels were subject to a thorough and comprehensive investigation of the rock mass, assessment of the grouting methodology and planned tightness. The thesis emphasises investigations of the variation within selected rock mass parameters based on the histogram method of the Q-system by Barton and Grimstad (2014). All data related to the grouted volumes within the fans were processed to compare the resource consumption for the grouting works to the respective rock mass properties. Finally, the assessment of achieved water tightness was obtained by evaluating the results of the pore pressure measurements and the observed water ingress points in the tunnels.

The main findings from the research were clear correlations between a contrast within rock mass parameters and an insufficient tightness in conditions in rock masses with moderate to high hydrostatic pressures. The research also showed a clear correlation between a low contrast within rock mass parameters and an achieved tightness, regardless of the hydrostatic pressure. A clear correlation was also found between rock joints parallel to sub-parallel to the tunnel axis, and insufficient achieved tightness. The grouting methodology applied in these tunnels is based on a grouting procedure with primary and secondary fans, where the cementitious grouts' role in the primary fan is to homogenise the rock mass by lowering the conductivity, leaving colloidal silica to address the finer joints. This study confirmed that the theory of homogenisation achieved is valid under the investigated conditions.

The findings in this study have shown that the properties and response from the rock mass are essential when tunnelling with exceptional requirements for water tightness and crucial for achieving these requirements. With these findings as a basis, the nature and properties of the rock mass should be the determining factor when grouting with high tightness requirements. Thus, it would be advisable to include provisions for adjusting the grouting process based on the rock mass properties in the project-strategy.