Simulation of groundwater drainage into a tunnel in fractured rock and numerical analysis of leakage remediation, Romeriksporten tunnel, Norway

Abstract.

Standard geostatistical methods for simulation of heterogeneity were applied to the Romeriksporten tunnel in Norway, where water was leaking through high-permeable fracture zones into the tunnel while it was under construction, causing drainage problems on the surface. After the tunnel was completed, artificial infiltration of water into wells drilled from the tunnel was implemented to control the leakage. Synthetic heterogeneity was generated at a scale sufficiently small to simulate the effects of remedial actions that were proposed to control the leakage. The flow field depends on the variance of permeabilities and the covariance model used to generate the heterogeneity. Flow channeling is the most important flow mechanism if the variance of the permeability field is large compared to the expected value. This condition makes the tunnel leakage difficult to control. The main effects of permeability changes due to sealing injection are simulated by a simple perturbation of the log-normal probability density function of the permeability. If flow channeling is the major transport mechanism of water into the tunnel, implementation of artificial infiltration of water to control the leakage requires previous chemical-sealing injection to be successful.

Résumé.

Des méthodes géostatistiques standard ont été employées pour simuler l'hétérogénéité des zones de fractures à fortes perméabilitées dans lesquelles, au cours de la construction du tunnel ferroviaire de Romeriksporten (Norvège), l'eau s'est écoulée, causant des problèmes de drainage en surface. Quand les travaux ont été terminés, l'injection d'eau dans des puits forés à partir du tunnel a été réalisée pour contrôler ces infiltrations. Une hétérogénéité synthétique a été créée à une échelle suffisamment petite pour simuler les effets de l'injection d'eau. Le champ des écoulements dépend de la variance des perméabilités et de la covariance du modèle utilisé pour générer l'hétérogénéité. La chenalisation de l'écoulement est le mécanisme d'écoulement le plus important si la variance du champ de perméabilité est grande par rapport à la valeur moyenne. Cette condition fait que les infiltrations dans le tunnel sont difficiles à contrôler. L'étanchéification du tunnel par des produits chimiques est simulé par une simple perturbation de la fonction de densité de probabilité log-normale de la perméabilité. Si la chenalisation de l'écoulement est le principal mécanisme de transport d'eau entrant dans le tunnel, la création d'une injection artificielle de l'eau pour contrôler l'infiltration dans le tunnel impose, pour réussir, une imperméabilisation préalable par des produits chimiques.

Resumen.

Se han aplicado métodos estadísticos convencionales para la simulación de la heterogeneidad en el túnel de Roeriksporte (Noruega), donde la presencia de agua en zonas fracturadas de alta permeabilidad originó problemas de drenaje en superficie durante su construcción. Una vez finalizado el túnel, para controlar la infiltración se inyectó agua en los pozos situados en su interior. La generación del campo heterogéneo se realizó a una escala lo suficientemente pequeña que permitiera simular los efectos de las medidas de control propuestas. El campo de flujo depende de la varianza de las permeabilidades y del modelo de covarianza utilizado para generar la heterogeneidad. El flujo a través de canales es el mecanismo dominante si la varianza del campo de permeabilidad es grande en relación con el valor esperado. Este hecho condiciona que las filtraciones en el túnel sean difíciles de controlar. Los principales efectos de los cambios de permeabilidad originados por las inyecciones para el sellado del túnel se simularon mediante una simple perturbación de la función de densidad de probabilidad lognormal de la permeabilidad. Si el flujo a través de canales es el principal mecanismo de la presencia de agua en el túnel, el control de las filtraciones mediante técnicas de inyección de agua en pozos de recarga requiere de la inyección previa de un producto químico para el sellado de las fisuras.