Hydrogeological Prognoses in Infrastructure Projects : A Case Study of Stockholm Bypass, Hjulsta Norra

As cities expand, urban planning and efficient land use becomes more important and presents new challenges. A city that is exposed to these challenges is Stockholm, Sweden (Stockholms stad, 2018). The expansion of the city can lead to expensive acquisition of land above ground, which therefore results in an increase of subsurface infrastructure being constructed. The construction below ground level also imposes challenges affecting our urban environments above ground. One of the challenges when working below ground level is the management of groundwater. The groundwater exists in filled pores of soil and rock below the groundwater table and can potentially leak to a subsurface construction. However, redirecting the groundwater requires permission from the environmental court (SGU, 2017). The purpose of this thesis is to examine how well a hydrogeological prognosis corresponds to the outcome of a specific infrastructure project; the contract Hjulsta Norra in the Stockholm Bypass. More specifically, the thesis has been divided in four different objectives relating to the main purpose. The thesis has been conducted through literature studies of reports and studies within relevant subjects as well as specific data analysis for the case of Hjulsta Norra. The literature studies attempt to explain how hydrogeology relates to infrastructure, the building process, environmental legislation and the hydrogeological prognoses purpose. The case study is conducted for a part of the Stockholm Bypass that is developed by NCC; Hjulsta Norra. The Stockholm Bypass project is developed to increase accessibility around the Stockholm region (Trafikverket, 2020a). The contract consists of the construction of a tray and two concrete tunnels (NCC Infrastructure, 2017a) and the building process is divided into several stages (Montelius, 2020). Geologically, the area of the contract Hjulsta Norra is varied but mainly consists of gneiss or granite overlaid by friction soil and sometimes clay. The friction soil layer is partially below the groundwater level and therefore two different groundwater storages are found within the study area; Järva 6 and Järva 7 (Runesson, 2014). A hydrogeological prognosis has been developed by NCC for the purpose of investigating hydrogeological effects in the study area, how to maintain groundwater levels and if artificial infiltration is required to maintain the groundwater levels. The prognosis has been largely focused around attempting to model different cases of friction soil hydraulic conductivity, as this is a parameter that largely affects the groundwater levels in the area (Lundgren, 2017a; Lundgren, 2017b). The results are presented in three sections. The first results present different components that may exist in a hydrogeological prognosis based upon literature studies. The second part evaluates the hydrogeological prognosis developed by NCC and the third part compares the actual outcome to the prognosis. The discussion is mainly focused around the specific case and the conclusions that can be drawn for the case study is that the hydrogeological prognosis is simplified and presents rather homogenous hydrogeological environments that results in a simple conceptual model. The differences between the prognosis and outcome are larger in some respects than others; among which the largest differences are the need for artificial infiltration in Järva 6. Some risks for development of the prognosis are brought forward relating to communication between stages of the building process, homogeneity in the prognosis and replacing investigated results with experience. Further, some possibilities for the development of the case study prognosis have been identified. Finally, in accordance with the objectives, some transferable conclusions have been found in the case study that can be used in other projects. These conclusions relate to risk and uncertainty analysis, communication between stages of the building process, learning from other prognoses, combining methods of data gathering and analysis as well as making the prognosis easy to evaluate and compare. I och med urbaniseringens framfart har stadsplanering och utnyttjande av mark blivit komplexa men viktiga frågor för samhället. En stad som står inför dessa utmaningar är Stockholm (Stockholms stad, 2018). Städernas utbyggnad kan leda till höga priser för mark vilket därför kan resultera i ett ökat intresse för att bygga infrastruktur under marknivå. Dock kan undermarksbygge påverka miljö och konstruktioner över mark. En av utmaningarna med konstruktion under marknivå är grundvattenhantering. Grundvatten existerar i fyllda jordporer och hålrum i berg under grundvattennivån och kan eventuellt läcka in i schakt och undermarkskonstruktioner. Dock kräver omledning av grundvatten ett tillstånd från mark- och miljödomstolen i Sverige (SGU, 2017). Syftet med detta examensarbete är att undersöka hur väl en hydrogeologisk prognos överensstämmer med utfallet i ett specifikt infrastrukturprojekt; entreprenaden Hjulsta Norra i Förbifart Stockholm. Arbetet har delats upp i fyra olika delmål för att uppnå detta syfte. Arbetet har skrivits med hjälp av litteraturstudier av relevanta ämnen och även dataanalys som är specifik för entreprenaden Hjulsta Norra. Litteraturstudien syftar till att förklara hur hydrogeologi och infrastruktur hör ihop, hur byggprocessen fungerar, hur miljölagstiftningen ser ut och vad som är syftet med en hydrogeologisk prognos. Fallstudien har gjorts för en av entreprenaderna av Förbifart Stockholm som tillhör NCC; Hjulsta Norra. Förbifart Stockholm är ett infrastrukturprojekt som huvudsakligen syftar till att öka tillgängligheten i och runt Stockholmsområdet (Trafikverket, 2020a). Entreprenaden omfattar konstruktion av ett tråg och två betongtunnlar (NCC Infrastructure, 2017a) och byggprocessen är uppdelad i flera faser (Montelius, 2020). Entreprenadområdet består av varierad geologi, men mestadels gnejs eller granit som överlagras av friktionsjord och fläckvis lera. Friktionsjorden ligger delvis under grundvattennivån och därför kan två olika grundvattenmagasin identifieras inom studieområdet; Järva 6 och Järva 7 (Runesson, 2014). En hydrogeologisk prognos har utvecklats av NCC i syfte att undersöka hydrogeologiska effekter i studieområdet, hur grundvattennivåer kan uppehållas och ifall artificiell infiltration behövs för att behålla dem. Prognosen har till stor del centrerats kring friktionsjordens permeabilitet och att modellera olika fall för denna då det påverkar grundvattenförhållandena i området (Lundgren, 2017a; Lundgren, 2017b). Resultatet presenteras i tre olika sektioner. Första sektionen undersöker vilka olika komponenter som kan vara en del av en hydrogeologisk prognos baserat på litteraturstudier. Den andra delen utvärderar den hydrogeologiska prognosen utvecklad av NCC och den tredje är en jämförelse av det verkliga utfallet och prognosen. Diskussionen är huvudsakligen centrerad kring fallstudien och slutsatser som kan dras från denna. Prognosen är förenklad och presenterar homogena hydrogeologiska miljöer vilket resulterar i en enkel konceptuell modell. Skillnaderna mellan prognosen och utfallet varierar i omfattning, men en av de största skillnaderna är det bedömda behovet av artificiell infiltration in Järva 6. Risker som uppstår under utvecklingen av en prognos identifieras och de kan sammanfattas till risker kring kommunikation mellan olika faser av byggprocessen, homogenitet i prognosen och att basera resultat på erfarenhet snarare än utredningar. Vidare undersöks hur fallstudiens prognos kunde utvecklas. Slutligen tas ett antal slutsatser fram ur fallstudien som är överlåtelsebara för hydrogeologiska prognoser i andra projekt. Dessa slutsatser handlar om risk- och osäkerhetsanalys, kommunikation mellan olika projektfaser, lärdomar av andra typer av prognoser, att kombinera metoder för att samla och analysera data samt att göra prognosen lätt att utvärdera och jämföra.