Nye metoder til at mindske risici for skader på bygninger i forbindelse med anlæggelse af tunneler

23.01.2018 / Jonas Sundell og Ezra Haaf

​Grundvand, der trænger ind i bygningsværker under jorden, f.eks. tunneler og skakte, kan forårsage et fald i poretrykket i ler, hvilket resulterer i sammenskridning med potentielt alvorlige skader på bygninger til følge. Ny forskning skaber bedre værktøjer til at minimere risiciene.

Selv på stor afstand af selve bygningsværket kan grundvand, der trænger ind i tunneler, forårsage fald i poretryk, sammenskridning og beskadigelse af bygninger.

Omkostningerne kan være enorme, og det stigende behov for tunneler til at reducere trafiktætheden i verdens voksende storbyer betyder, at omkostningerne stiger. 

Vi har netop afsluttet en undersøgelse, der gav os en ny og forbedret kortlægningsmetode til risikoanalyse. Kort fortalt undersøgte vi de områder, hvor der er risiko for sammenskridning, hvis man sænker grundvandsspejlet. Selv i dag håndteres problemet med sammenskridning på en forholdsvis fragmenteret måde. Geoteknikerne tager prøver og laver antagelser på enkelte lokaliteter, mens hydrogeologerne foretager undersøgelser og laver antagelser i større skala. Men de har aldrig været i stand til at knytte informationerne til hinanden på en nyttig måde.

Med den nye metode bliver det muligt at lukke dette hul, da den beskriver, hvor i et område risiciene kan findes. Modellen kombinerer en sandsynlighedsbaseret model for jordbundens lagdeling med statistiske analyser af komprimeringsparametre for simulering af sammenskridning på et stort område med en simpel ikke-lineær 1D-komprimeringsmodel.

Resultatet af denne simulering bruges til at lave risikokort, hvor der skelnes mellem områder med en betydelig risiko for sammenskridning og områder med lav risiko.

Den foreslåede metode er nyttig i tilfælde, hvor følgende betingelser er opfyldt:

  • Jorden udviser signifikante heterogene egenskaber
  • Der findes rigeligt med data om jordbundens lagdeling, mens data om jordbundens egenskaber er sparsomme
  • Der er taget højde for afhængigheden mellem jordbundsegenskaber
  • Der er en sammenhæng mellem jordbundsdybde og jordbundsegenskaber
  • Det komprimerbare lag er normalt eller en smule overkonsolideret
  • Jordlag antages at være sammenhængende på hele undersøgelsesstedet

20.000 borehuller er blevet undersøgt

Et casestudie af højspændingsforsyningstunnelen City Link i Stockholm demonstrerer effektiviteten og anvendeligheden af denne nye model som et værktøj, der kan bruges til at kommunikere med interessenter, til at prioritere risikonedsættende foranstaltninger samt til at identificere behovet for yderligere undersøgelser og overvågning.

Specifikt har vi set på 20.000 borehuller i det centrale Stockholm Nogle huller var til forsyningstunnelen, der er dækket af casestudiet, og nogle var til andre projekter, som vi fandt i stadsarkivet og hos myndighederne.

Ud af de 20.000 huller blev 14.300 udvalgt til modellering og resten brugt som valideringsdatasæt. Fra modelleringsdatasættet blev forskellige datakilder kombineret: 6.500 borehuller indeholdt oplysninger om grundfjeldsniveauet, 7.800 nåede ikke grundfjeldet, og 4.000 indeholdt oplysninger om jordlagdeling.

Definition af risikoområder 

På grundlag af de opnåede beregningsresultater udarbejdes der et risikokort, hvor der sondres mellem områder med betydelig risiko og områder med lav risiko for sammenskridning. Der etableres et risikoområde for hvert af de tre ensartede scenarier for sænkning af grundvandsspejlet: 0,5 m, 1 m og 2 m.

For at eksemplificere, hvordan et område kan defineres, udvælges der beregningspunkter, hvor 95-percentilen af simuleringerne har en sammenskridning, som overstiger 2 cm.

To centimeters sammenskridning har tidligere været fastsat som en øvre grænse for acceptable skader i andre undersøgelser. Sandsynligheden for, at sammenskridningsniveauerne vil overstige 95-percentilværdien alle steder er naturligvis meget lavere.

Ved fortolkning af de forskellige risikoområder er det vigtigt at huske, at sammenskridningens størrelsesorden kan variere fra sted til sted inden for det samme område. Anvendelse af 95-percentilen er derfor et konservativt skøn.

Vi undersøgte 20.000 borehuller i det centrale Stockholm. Nogle var til den forsyningstunnel, der er omfattet af casestudiet, og nogle var til andre projekter, som vi fandt i stadsarkivet eller indhentede hos myndighederne.
Jonas Sundell Engineer, COWI

Næste skridt – vurdering af økonomiske konsekvenser

De kortlagte risikoområder og resultatet af følsomhedsanalysen kan sammen med oplysninger om de omgivende bygningsværkers sårbarhed anvendes til at støtte beslutningstagerne med hensyn til prioritering af yderligere undersøgelser, risikonedsættende foranstaltninger og overvågning.

I forbindelse med den planlagte City Link-tunnel i Stockholm er kortene med succes blevet anvendt til risikokommunikation ved domstolene, når der ansøges om tilladelse til at ændre grundvandsforhold.

For at opnå en bedre forståelse af årsags- og virkningskæden fra grundvandssænkning til sammenskridning anbefales det, at der i fremtiden forskes i at forbinde sammenskridningsmodeller med grundvandsmodeller samt foretages en økonomisk vurdering af konsekvenserne.

Med en forbedret forståelse er det muligt at reducere risikoen for at træffe fejlagtige beslutninger om risikonedsættende foranstaltninger, overvågning og yderligere undersøgelser.

Vi har udvidet vores forskning yderligere og arbejder i øjeblikket på en forbedret sammenskridningsmodel, som tager højde for tidsafhængighed med henblik på at udvide jordstratificerings- og sammenskridningsmodellen med en 3D-grundvandsmodel og forbedre beslutningsprocessen ved hjælp af en økonomisk vurdering af konsekvenserne.

Undersøgelsen ”Risk mapping of groundwater-drawdown-induced land subsidence in heterogeneous soils on large areas” blev offentliggjort for nylig i tidsskriftet Risk Analysis.

Hele artiklen kan downloades her: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/risa.12890/full

Kontakt

Jonas Sundell
Engineer
Geo Engineering, Sweden

Tel: +46 706548188

Kontakt

Ezra Haaf
Engineer
Geo Engineering, Sweden

Tel: +46 708239815

MØD JONAS SUNDELL

Ph.d.-studerende ved Chalmers University of Technology i Sverige.

Mit kompetenceområde er grundvandsrelaterede spørgsmål i forbindelse med infrastrukturprojekter.

Omfanget af de hydrogeologiske problemer betyder større heterogenitet og usikkerhed i forhold til materiale, der ikke er det store kendskab til, og som er formet og påvirket af komplekse geologiske og antropogene processer.

For at kunne løse disse problemer er det nødvendigt at have en bred vifte af både naturvidenskabelige og ingeniørtekniske kompetencer. Jeg synes, at dette er særligt interessant og udfordrende.

MØD EZRA HAAF

Ph.d.-studerende i hydrogeologi ved universitetet i Gøteborg i Sverige.

Mit kompetenceområde ligger inden for statistisk analyse og forvaltning af datasæt i rum og tid – såvel store som små. Mit særlige fokusområde er modellering og forståelse af underjordiske processer inden for infrastruktur og forvaltning af vandressourcer.

Jeg nyder det detektivarbejde, der er nødvendigt for at stykke historiske data sammen med nye målinger i felten og kunne forstå processen, så jeg opnår et solidt indblik i det pågældende undersøgelsessted.

Det, der særligt fanger min interesse, er udviklingen af tekniske løsninger, som indebærer forbedrede tjenester og reducerer risiciene for samfundet.