Thesis (C.E.)--Lehigh University, 1888. / Manuscript. Also available online.

Det borras en tunnel under Stockholm av Svenska kraftnät som ska bli 13,4 km lång. Närtunneln är klar ska den förstärka och ersätta vissa delar av Stockholms elnät. Grundvattennivånhar inte sjunkit lika mycket som förväntat när inläckget till tunneln var högt.När grundvatten sjunker är det var och hur mycket grundvattennivån sjunker som ärproblemet inte själva inläckaget. Syftet med rapporten var att undersöka verktyg för attprognostisera avsänkning av grundvatten samt försöka förstå vilka parametrar som är viktigaför att skapa en bra modell. Det undersöktes även varför grundvattennivån i moränenovanför bergtunneln sjunker över ett stort område. Det sattes upp en modell med fleralager i jorden och berget med olika konduktivitet. I berget lades det även in svagare zoneri form av krosszoner för att längs dem lokalt ge högre konduktivitet. Modellen gavs ävenflera områden med speciella egenskaper för att efterlikna verkligheten. Först modelleradesen grundvattenyta i en referensmodell som kalibrerades med hjälp av grundvattenröri området. Sedan lades tunneln in i modellen med hjälp av uppmätta inläckage för att beräknaen ny grundvattenyta. Grundvattenytan från referensmodellen jämfördes med denfrån modellen med tunneln för att få fram grundvattensänkningen. Modellen visade enstörre skillnad i grundvattennivå där det inte var krosszoner som korsade tunneln medandär den korsades var avsänkningen mer utspridd längs krosszonen.Det finns flera sätt att angripa ett problem. För att kunna använda analytiska ekvationerbehöver det göras stora förenklingar vilket kan vara bra i ett inledningsskede för att fåen bättre bild av problemet förhållandevis enkelt. För att få en mer detaljerad bild avproblemet behövs däremot andra modeller. I en modell behövs det många parametrar ochvissa kan vara viktigare än andra. I just det här arbetet bedömdes vissa delar inom geologinvara viktigast som var det finns mäktiga jordlager, den hydrauliska konduktivitetenför berget och var svaghetszonerna är i berget. Anledningen att grundvattennivån runtSvenska kraftnäts tunnel sjunker över ett stort område kan vara svaghetszonerna i berget. / Svenska kraftnät excavates a 13.4 km long tunnel in the rock below Stockholm. Whencompleted, it will strengthen and replace parts of Stockholm’s electricity grid. When theleakage to the tunnel was high, the groundwater level did not drop as much as expected.When the groundwater drops, it is where and how much that is the problem and notthe actual leakage to the tunnel. The purpose of the report was to investigate toolsfor forecasting groundwater subsidence and to try to understand which the importantparameters are for creating a reliable model. It was also investigated why the groundwaterlevel in the moraine above the rock tunnel drops over a large area. A model was set upwith several layers in the soil and rock with different conductivity. Weaker zones werealso added to the bedrock to provide higher conductivity locally along them. The modelwas also given several areas with special features to mimic reality. A groundwater surfacewas first modeled in a reference model that was calibrated using groundwater wells in thearea. The tunnel was then added to the model using measured leakage to calculate a newgroundwater surface. The groundwater surface from the reference model was comparedwith that from the model with the tunnel to obtain the groundwater lowering. The modelshowed a large local reduction of the groundwater level where there was more stable rock,while where weaker zones crossed the tunnel the reduction was more spread out along theweaker zone.There are several ways to adress problems with. To be able to use analytical equations,large simplifications are required, which can be good in an initial stage to get a betterpicture of the problem relatively easily. However, to get a more detailed view of theproblem, other models are required. In a model, many parameters are required and somemay be more important than others. In this report, certain parts of the geology werejudged to be most important, such as where there are thick soil layers, the conductivity ofthe rock and where the weaker zones are in the bedrock. The reason why the groundwaterlevel around Svenska kraftnät’s tunnel falls over a large area may be the zones of weaknessin the rock.

Detta examensarbete syftar till att belysa hur LCC-analyser i dag används vid planeringen av underhållsarbeten i tunnelbanans bergtunnlar. SL är ett aktiebolag som ägs av Stockholms Läns Landsting och ansvarar för den landburna kollektivtrafiken i Stockholms län, vilken inbegriper tunnelbanan. Stockholms tunnelbana invigdes 1950 och har sedan dess byggts ut i etapper. Drygt hälften av sträckningen går i tunnlar. Ett ständigt pågående underhållsarbete av tunnlarna krävs för att säkerställa en god funktion. Ibland är även större underhållsåtgärder nödvändiga, vilka, genom exempelvis avstängning med ersättningstrafik, till större utsträckning påverkar omgivningen. Hur underhållet organiseras och planeras är av stor ekonomisk betydelse och hänger även direkt ihop med anläggningens standard. LCC-analyser resulterar i ett mått på en investerings sammanlagda ekonomiska konsekvenser under dess livstid, inkluderas gör med andra ord bland annat investerings-, drift-, och underhållskostnader. Då detta mått fås för flera alternativ kan en jämförelse av dessa göras och bilda ett beslutsunderlag där det totalekonomiskt mest lönsamma kan väljas, istället för att basera beslutet på enbart den initiala investeringskostnaden. Givetvis måste även andra randvillkor och krav beaktas. Två fallstudier har gjorts för att belysa hur LCC i dagsläget används av SL vid olika typer av underhållsarbeten. I det första fallet har LCC använts för att ta fram beslutsunderlag och i det andra inte alls. Utgångspunkten för examensarbetet har varit att det överlag kan finnas mycket att vinna på att använda LCC inte bara vid nybyggnation utan även vid underhållsarbeten. I dagsläget används LCC-analyser inte konsekvent vid planeringen av underhålls- och reparationsarbeten av SL:s berganläggningar. Inga krav om detta ställs utifrån och SL har inga egna riktlinjer beträffande LCC. Detta kan vara en av orsakerna till att LCC-analyser inte utförs i större utsträckning. Andra kan vara bristande kunskap om metodiken, tidsbrist och delat budgetansvar mellan avdelningar. För att konsekvent införa LCC-analyser vid bergprojektering skulle krav om detta behöva ställas externt eller internt genom en LCC-policy eller reglerande dokument. För att sedan genomföra detta på ett sätt så att alla inblandade förstår nyttan vore information/utbildning av metodiken nödvändigt. Viktigt är att definiera vilka projekt som ska omfattas och när i projektgången LCC ska användas. Förslagsvis kan LCC användas vid behovsanalys och krav om LCC-analyser/LCC-beräkningar kan ställas i förfrågningsunderlag / This thesis aims to highlight how LCC analyses currently are used in the planning of maintenance work in the rock tunnels of the Stockholm Metro. SL is a company owned by Stockholm County Council and is responsible for land-based public transport in Stockholm County, which includes the metro. The Stockholm Metro opened in 1950 and has since been expanded in stages. More than half of the route goes through tunnels. Maintenance of the tunnels is necessary to ensure a good function. Sometimes bigger maintenance actions are required, which at times also affects the surrounding world. How the maintenance is planned and organized is of great economic importance and is also directly connected with the facility's standard. LCC analyses results in a measure of an investment's total economic impact over its lifetime, including investment, operation, and maintenance costs. As this measure is obtained for a number of options, a comparison of these can be made and form a basis for decisions in which the total economically most profitable solution can be selected, instead of basing the decision solely on the initial investment cost. Two case studies have been done to elucidate how LCC is used by SL at different types of maintenance work today. In the first case, an LCC analysis has been used to create a basis for decision making, and in the other case LCC has not been considered at all. The starting point for this thesis has been that there may be much to gain by using LCC analyses not only for new constructions but also in the planning of maintenance work. Today LCC analysis is not consistently used in the planning of maintenance and repair work of SL's rock tunnels. There are no demands on this externally and SL has no own guidelines regarding LCC. This could be one of the reasons that LCC analyses are not practiced in a greater extent. Others may be lack of knowledge of methodology, lack of time and shared financial responsibility between departments. In order to consistently introduce LCC analyses for rock maintenance work it would have to be required externally or internally by an LCC policy or through regulatory documents. The new procedures would have to be implemented in a way so that everyone involved understands the benefits, thus information / education of the methodology would be necessary. It is important to define which projects should be covered by, and in which stages of the projects LCC should be used. As a suggestion LCC analysis could be used to define needs and requirements of LCC-analyses can be set in tender documents.

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.

Groundwater inflow is a challenge in construction of tunnels in fractured bedrocks since it affects the safety function of tunnels and leads to potential problems in the surrounding environment, such as subsidence, dropdown of the groundwater table. Quantification of groundwater inflow into the tunnel is also important for design of grouting in the construction of the tunnel. Modelling groundwater flow in fractured bedrocks currently remains a challenge. Commonly used groundwater models are based on continuum assumptions and they do not consider realistic structures of discrete fractures, which leads to high potential uncertainty in prediction of tunnel groundwater inflow. This thesis focuses on prediction of tunnel groundwater inflow, using a discreet fracture-matrix (DFM) model. The DFM model is evaluated and compared with the conventional continuum model based on Darcy’s law. This DFM model considers, in particular, multi-scale heterogeneity, e.g. fracture networks and variable fracture aperture structures. Applying this DFM model, the impact of variable fracture aperture structures on tunnel inflow is investigated through stochastic analysis. The results show that under the same boundary conditions, the traditional continuum model overestimates the inflow compared to the DFM model. The difference in equivalent permeability is 2 to 3 orders of magnitude. The sensitivity analysis shows that the discreet fracture model is sensitive to the variability of fracture aperture. The estimated equivalent permeability values by discreet fracture modelling is in the order of 5×10-6 to 1×10-7 m/s for a fracture density of 1.2 fractures per square meter. This study demonstrates that the DFM represents the more realistic features of fractured rock structures, which is useful and can be used to predict groundwater inflow in fractured rock tunnels. / Grundvatteninflöde är en utmaning vid byggnation av tunnlar i sprucken berggrund eftersom det påverkar tunnlarnas säkerhetsfunktion och leder till potentiella problem i den omgivande miljön, såsom sättningar och Grundvattennivåsänkning. Kvantifiering av grundvatteninflöde till tunneln är också viktig för utformning av injektering i tätning? byggandet av tunneln. Att modellera grundvattenflödet i sprucken berggrund är för närvarande en utmaning. Grundvattenmodeller man normalt använder är baserade på kontinuumantaganden, och de tar inte hänsyn till realistiska strukturer av diskreta sprickor, vilket leder till hög potentiell osäkerhet i uppskattning av tunnelgrundvatteninflöde. Denna avhandling fokuserar på förutsägelse av tunnelinläckage, med hjälp av en diskret sprickmatris (DFM) modell. DFM-modellen utvärderas och jämförs med den konventionella kontinuummodell vilken är baserad på Darcys lag. Denna DFM-modell tar särskilt hänsyn till multi-skala heterogenitet, till exempel spricknätverk och variabla dubbelkolla. Genom att tillämpa denna DFM-modell undersöks effekten av strukturer med variabel spricköppning på grundvatteninflödet genom stokastisk analys. Resultaten visar att under samma randvillkor överskattar den traditionella kontinuummodellen inflödet jämfört med DFM-modellen. Skillnaden i ekvivalent permeabilitet är 2 till 3 storleksordningar. Känslighetsanalysen visar att den diskreta sprickmodellen är känslig möt variationen i spricköppningen. De uppskattade ekvivalenta permeabilitetsvärdena med diskret sprickmodellering är i storleksordningen 5x10-6 till 1x10-7 m/s för en spricktäthet på 1,2 sprickor per kvadratmeter. Denna studie visar att DFM representerar de mer realistiska egenskaperna hos sprickiga bergstrukturer, vilket är användbart och kan användas för att uppskatta grundvatteninflöde i sprickiga bergtunnlar.