Ny metode for å redusere risikoen for bygningsskade under tunnelbygging

23.01.2018 / Jonas Sundell og Ezra Haaf

Grunnvann som siver inn i underjordiske anlegg som tunneler og sjakter, kan føre til poretrykksfall i leiren, som kan resultere i setninger i grunnen. Dette kan potensielt medføre alvorlige bygningsskader. Ny forskning gir bedre redskaper for å redusere risikoen.

Også grunnvann som siver inn i tunneler fra større avstand til selve anlegget, kan føre til redusert poretrykk, setning og bygningsskader.

Kostnadene kan bli enorme. Og mens tunnelene får et stadig viktigere oppdrag med å redusere bilkøer i verdens voksende byer, øker også de potensielle kostnadene. 

Vi avsluttet nylig en forskningsstudie som førte til en ny, forbedret kartleggingsmetode for å analysere risikoen. Kort sagt undersøkte vi områder som vil ha setningsrisiko dersom grunnvannsstanden senkes. I dag behandles setningsutfordringer nokså stykkevis og delt; geoteknikere tar prøver og lager hypoteser for spesifikke lokasjoner, mens hydrogeologer undersøker og lager hypoteser i en større målestokk. Hittil har de imidlertid ikke klart å knytte informasjonen sammen på en effektiv måte.

Med den nye metoden kan vi bøte på dette, da den beskriver hvor i et område det kan foreligge risiko. Modellen kombinerer en probabilistisk modell for å bestemme lagdeling i løsmasser, som rommer statistisk analyse av komprimeringsparametere for simulering av setning i et stort område, med en enkel, ikke-lineær 1D-komprimeringsmodell.

Resultatet av simuleringen brukes til å utarbeide risikokart der områder med betydelig setningsrisiko skilles fra områder med lav risiko.

Den foreslåtte metoden er nyttig i tilfeller der følgende kriterier er oppfylt:

  • Jordbunnen viser betydelig heterogene egenskaper.
  • Det finnes et stort datamateriale om lagdeling i løsmasser, men datamaterialet om jordegenskaper er sparsomt.
  • Vi har tatt hensyn til hvordan forskjellige jordegenskaper påvirker hverandre.
  • Det er en sammenheng mellom jorddybde og jordegenskaper.
  • Det komprimerbare jordlaget er normalkonsolidert eller litt overkonsolidert.
  • Jordlag kan antas å være sammenhengende gjennom hele studieområdet.

20 000 borehull undersøkt

En kasusstudie av tunnelen til kraftledningen City Link i Stockholm viser effekten og nytten av denne nye modelleringsmetoden som et verktøy for kommunikasjon med interessenter, beslutningsgrunnlag for prioritering av risikoreduserende tiltak og identifisering av behovet for videre undersøkelser og overvåking.

Nærmere bestemt så vi på 20 000 borehull i Stockholm sentrum. Noen var for kraftledningstunnelen omfattet av kasusstudien, og andre var for prosjekter som vi fant i byarkivet eller hos relevante myndigheter.

Av de 20 000 hullene ble 14 300 valgt ut for modellering. Resten ble brukt som et valideringsdatasett. Fra modelleringsdatasettet ble forskjellige datakilder kombinert: 6500 borehull inneholdt informasjon om grunnfjellnivåer, 7800 nådde ikke grunnfjellet, og 4000 inneholdt informasjon om jordlagdeling.

Definisjon av risikoområder 

Fra de oppnådde beregningsresultatene lages det et risikokart som skiller mellom områder med betydelig risiko og områder med lav risiko for setning. Det opprettes et risikoområde for hvert av de tre ensartede scenariene med grunnvannssenkning: 0,5 meter, 1 meter og 2 meter.

For å gi et eksempel på hvordan et risikoområde kan defineres, velges beregningspunkter hvor simuleringenes 95-prosentil har en setning over 2 centimeter.

To centimeter setning har tidligere blitt angitt som øvre grense for akseptable skader i andre studier. Naturligvis er det langt lavere sannsynlighet for at setningsnivåene vil overstige 95-prosentilen på alle steder.

Når de forskjellige risikoområdene tolkes, er det viktig å huske at setningsomfanget kan variere på forskjellige steder innen samme område. Bruk av 95-prosentilen er derfor et konservativt anslag.

Vi så på 20 000 borehull i Stockholm sentrum. Noen var for kraftledningstunnelen omfattet av kasusstudien, og andre var for prosjekter som vi fant i byarkivet eller hos relevante myndigheter.
Jonas Sundell Ingeniør, COWI

Neste trinn – evaluering av økonomiske konsekvenser

De kartlagte risikoområdene og resultatet av sensitivitetsanalysen kan brukes, sammen med informasjon om sårbarheten til omkringliggende konstruksjoner, til å hjelpe beslutningstakere med å prioritere videre undersøkelser, risikoreduserende tiltak og overvåking.

I forbindelse med den planlagte City Link-tunnelen i Stockholm har kartene blitt brukt med hell til risikokommunikasjon i rettssaler ved søknad om tillatelse til å endre grunnvannsforhold.

For en bedre forståelse av årsakssammenhengen fra senkning til setning anbefales det videre forskning om forbindelse av setningsmodeller med grunnvannsmodeller og økonomisk konsekvensutredning.

Med forbedret forståelse er det mulig å redusere risikoen for å treffe uheldige beslutninger om risikoreduserende tiltak, overvåking og videre undersøkelser.

Vi har utvidet forskningen ytterligere og arbeider for tiden på en forbedret setningsmodell som representerer tidsavhengigheter for å utvide jordlagdelings- og setningsmodellen med en 3D-grunnvannsmodell og for å forbedre beslutningstakingen ved hjelp av økonomisk konsekvensutredning.

Studien «Risk mapping of groundwater-drawdown-induced land subsidence in heterogeneous soils on large areas» ble nylig publisert i tidsskriftet Risk Analysis.

Hele artikkelen kan lastes ned her: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/risa.12890/full

Ta kontakt

Jonas Sundell
Engineer
Geo Engineering

Tel: +46 706548188

Ta kontakt

Ezra Haaf
Engineer
Geo Engineering

Tel: +46 708239815

MØT JONAS SUNDELL

Doktorgradsstudent i industri ved Chalmers tekniska högskola i Sverige.

Mitt fagfelt er grunnvannsrelaterte spørsmål i infrastrukturprosjekter.

Størrelsen på de hydrogeologiske problemene antyder store mengder heterogenitet og usikkerhet med lite kjente materialer formet og påvirket av komplekse geologiske og antropogene prosesser.

For å behandle disse spørsmålene trenger man variert kompetanse fra både naturvitenskap og ingeniørfag. Jeg synes det er særlig interessant og utfordrende.

MØT EZRA HAAF

Doktorgradsstudent i hydrogeologi ved Göteborgs universitet i Sverige.

Mitt fagfelt er statistisk analyse og administrasjon av rom- og tidsdatasett – store og små. Mitt særlige fokus er modellering og forståelse av underjordiske prosesser innen infrastruktur- og vannressursforvaltning.

Jeg liker detektivarbeidet som er nødvendig for å sette sammen historiske data med nye feltmålinger og forstå prosessen for å komme frem til en solid konseptualisering av studiestedet.

Det som særlig engasjerer meg, er utviklingen av tekniske løsninger som fører til bedre tjenester og lavere risikoer for samfunnet.