Ny metod minskar risken för skador på byggnader vid tunnelbyggen

2018-01-23 / Jonas Sundell och Ezra Haaf

Grundvattenläckage i underjordiska konstruktioner, som tunnlar och schakt, kan göra att portrycket i leran sjunker. Detta kan i sin tur orsaka sättningar och potentiellt allvarliga skador på byggnader. Ny forskning ger oss bättre verktyg för att hantera de här riskerna.

Grundvatten som läcker in i tunnlar kan sänka portrycket i leran även långt bort från byggplatsen. Detta kan orsaka sättningar och skador på byggnader.

Kostnaderna för skadorna kan bli mycket stora, framför allt eftersom tunnlar blir en allt vanligare lösning för att hantera trafikflöden i världens växande städer. 

Nyligen avslutade vi en forskningsstudie som ledde fram till en ny och bättre kartläggningsmetod för att analysera riskerna. I korthet gick studien ut på att vi undersökte områden där en grundvattensänkning riskerar att leda till marksättningar. Problemen med sättningar hanteras fortfarande inte på ett samordnat sätt. Geotekniker tar prover och gör bedömningar på enskilda platser, medan hydrogeologer utreder och gör bedömningar i större skala, men utan att informationen kombineras på ett effektivt sätt.

Den nya metoden åtgärdar den här bristen, eftersom den gör att vi kan beskriva exakt var i ett område som risker kan föreligga. Modellen är en kombination av en probabilistisk modell av jordskiktningen och statistisk analys av tryckparametrar som används för att simulera sättningar i ett stort område med en enkel, icke-linjär, endimensionell tryckmodell.

Resultatet av den här simuleringen används för att skapa riskkartor där områden med signifikant risk för sättningar skiljs ut från lågriskområden.

Den föreslagna metoden är användbar i fall där följande villkor är uppfyllda:

  • Blandade jordarter med mycket heterogena egenskaper
  • Det finns gott om data om jordskiktning, men bristande data om jordegenskaper
  • Beroendeförhållanden mellan jordegenskaper har beaktats
  • Det finns en relation mellan jorddjupet och jordegenskaperna
  • Det kompressibla lagret är normalt eller något överkonsoliderat
  • Jordlagren kan förutsättas vara enhetliga inom hela det undersökta området

20 000 undersökta borrhål

En fallstudie av en kraftledningstunnel i City Link-projektet i Stockholm visar hur effektivt den här metoden fungerar i praktiken. Metoden underlättar kommunikation mellan alla intressenter och ger beslutsunderlag som gör det lättare att prioritera riskreducerande åtgärder och identifiera områden som behöver undersökas och följas upp ytterligare.

Vi undersökte totalt 20 000 borrhål i centrala Stockholm. En del av dessa gjordes för den kraftledningstunnel som fallstudien gäller, medan andra gjordes inom andra projekt som vi hittat i stadens arkiv och hos myndigheter.

Av de 20 000 hålen valdes 14 300 ut för modellering, och övriga hål användes som en valideringsdatauppsättning. Från datauppsättningen för modellering kombinerades olika datakällor: 6 500 borrhål innefattade information om berggrundsnivåer, 7 800 nådde inte berggrunden och 4 000 innefattade information om jordskiktning.

Definition av riskområden 

Utifrån de beräknade resultaten skapades en riskkarta där områden med signifikant risk för sättningar skildes ut från lågriskområden. Riskområdesberäkningarna gjordes för tre olika nivåer av grundvattensänkningar: 0,5 m, 1 m respektive 2 m.

För att visa exempel på hur ett riskområde kan definieras valdes de beräkningspunkter ut där den 95:e percentilen av simuleringarna visar en sättning som överskrider två centimeter.

Två centimeters sättning är den fastställda övre gränsen för acceptabla skador som tidigare använts i andra studier. Sannolikheten för att sättningarna kommer att överskrida värdet för den 95:e percentilen på alla platser är förstås mycket liten.

När de olika riskområdena tolkas är det viktigt att komma ihåg att sättningsnivåerna kan variera på olika platser inom samma område. Användning av den 95:e percentilen ger därmed endast en försiktig uppskattning.

Vi undersökte 20 000 borrhål i centrala Stockholm. En del var gjorda för ledningstunneln som fallstudien gäller, medan andra hämtades från andra projekt som vi hittat i stadens arkiv och hos olika myndigheter.
Jonas Sundell Ingenjör, COWI

Nästa steg – utvärdera de ekonomiska konsekvenserna

De kartlagda riskområdena och resultatet av känslighetsanalysen kan tillsammans med information om sårbarheten i omgivande byggnader hjälpa beslutsfattare att prioritera bland behoven av ytterligare undersökningar, riskreducerande åtgärder och uppföljning.

I fallet med den planerade City Link-tunneln i Stockholm har kartorna varit till stor nytta för att ge tydlig riskinformation i de juridiska processerna i samband med tillståndsansökan för att utföra grundvattenpåverkande arbeten.

För att öka kunskapen om olika orsaker och verkningar och deras samband i händelsekedjan från grundvattensänkning till sättningar rekommenderas ytterligare forskning där sättningsmodeller används tillsammans med grundvattenmodeller och ekonomiska utvärderingar.

Ökad kunskap minskar risken för att fel beslut fattas om riskreducerande åtgärder, uppföljning och ytterligare undersökningar.

Vi har utökat vårt forskningsfält och arbetar i dag med en förbättrad sättningsmodell som beaktar tidsmässiga beroendeförhållanden. Syftet är att utöka modellen för jordskiktning och sättningar med en grundvattenmodell i 3D och att skapa bättre förutsättningar för beslutsfattande genom utvärdering av de ekonomiska konsekvenserna.

Studien "Risk Mapping of Groundwater-Drawdown-Induced Land Subsidence in Heterogeneous Soils on Large Areas" publicerades nyligen i tidskriften Risk Analysis.

Den fullständiga artikeln kan hämtas här: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/risa.12890/full

Kontakta oss

Jonas Sundell
Engineer
Geo Engineering

Tel: +46 706548188

Kontakta oss

Ezra Haaf
Engineer
Geo Engineering

Tel: +46 708239815

OM JONAS SUNDELL

Industridoktorand vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg.

Mitt expertområde är grundvattenrelaterade frågor i infrastrukturprojekt.

Hydrogeologiska problem är storskaliga, vilket kan medföra stor heterogenitet och osäkerhet kring okända material som formas och påverkas av komplexa geologiska och antropogena processer.

För att kunna hantera de här problemen krävs många olika typer av kompetens från såväl naturvetare som ingenjörer. Det är väldigt intressant och utmanande, tycker jag.

OM EZRA HAAF

Doktorand vid Göteborgs universitet.

Mitt expertområde är statistiska analyser och hantering av spatiotemporala dataset – såväl stora som små. Jag arbetar främst med att modellera och samla kunskap om underjordiska processer inom infrastruktur- och vattenförvaltning.

Jag gillar detektivarbetet med att sammanställa historiska data och nya fältmätningar och reda ut hur processen fungerar, så att jag till sist kan skapa en gedigen konceptualisering av det undersökta området.

Framför allt brinner jag för att utveckla tekniska lösningar som underlättar förvaltning och service och minskar riskerna på samhällsnivå.