Assessment of prediction and observation of groundwater inflow to a rock tunnel : A case study on road tunnels in Stockholm, Sweden

Inläckage av grundvatten är ofrånkomligt i en bergtunnel, men måste vanligen begränsas för att inte medföra skador på både omgivning och den egna anläggningen. Denna begränsning uppnås genom tätning av tunneln och kontrolleras med mätningar av inläckaget. Vilka begränsningsvärden för inläckaget som är möjliga att uppnå, baseras på prediktioner av inläckaget och fastslås i tillståndet som ges för denna vattenverksamhet. Syftet med det här arbetet är att få förståelse för orsakerna till avvikelser mellan det faktiska inläckage som mätningarna visar (utfallet) och det predikterade inläckaget. För att göra detta kommer en fallstudie att genomföras på anläggningen av två ramptunnlar, Solhems- och Kälvestatunneln, i infrastrukturprojektet E4 Förbifart Stockholm. Baserat på fallstudien skapas en ny konceptuell modell av de två ramptunnlarna som inkluderar information om jord-, berg- och grundvattenförhållanden som framkommit till och med i byggskedet. Utifrån denna konceptuella modell görs nya prediktioner av inläckaget med en analytisk formel. Detta jämförs med den konceptuella modell i systemhandlingsskedet från vilken de ursprungliga prediktionerna gjordes. De nya beräkningarna predikterar genomgående ett högre inläckage än de ursprungliga och avviker mindre från utfallet på flertalet delsträckor. Orsakerna till avvikelserna utvärderas, framförallt med avseende på ansatt hydraulisk konduktivitet då detta visat sig ha stor effekt på prediktionerna. Utvärderingen visade att den hydrauliska konduktiviteten i berget generellt var för lågt ansatt, något som hade kunnat förutsägas med annorlunda datainsamling i ett tidigare skede. Mer specifikt orsakade en svaghetszon, som borttagits i tidigare skeden men som observerats i byggskedet, stora avvikelser mellan prediktion och utfall på åtminstone en delsträcka i Solhemstunneln. Om informationen om svaghetszoner tolkats annorlunda i ett tidigare skede hade även detta kunnat förutsägas. Groundwater inflow to a rock tunnel is inevitable, but nonetheless important to limit. Otherwise both the surroundings and the tunnel itself risk becoming subject to damage. To prevent this, legal limitations are set for the inflow. Measurements are then made to ensure that the inflow does not exceed these limitations. When constructing a tunnel in hard rock, the limit objectives are hopefully met through the filling of rock fractures through grouting. Inflow predictions are made at an early stage of a tunnel project, both in order to establish the legal requirements but also as basis for grouting design. The aim of the work reported is to understand why these predictions in some cases deviate from the measured inflow. To accomplish this, a case study on two road tunnels in one of Sweden's most comprehensive infrastructure projects of all time, the construction of a motorway bypass around the capital Stockholm, is presented and assessed. Several causes of deviations between inflow predictions and observations in these two tunnels are suggested, most of them related to the hydraulic conductivity of the rock. Overall the rock quality seems to be worse than predicted. In one tunnel segment in particular, one cause of major deviations from inflow predictions is due to a fracture zone which has not been accounted for. These identified causes of increased inflow could have been foreseen in an early stage of the project, either through more extensive investigations or different interpretations of existing data. New inflow predictions have been made based on the suggested corrections. The result is consistently higher than the predictions made earlier and mostly less deviant from observations. This indicates that the real inflow is probably higher than initially predicted