[en] A number of problems, e.g. sudden inflows are encountered during tunneling under the piezometric level, especially when the excavation crosses high transmissivity areas. These inflows may drag materials when the tunnel crosses low competent layers, resulting in subsidence, chimney formation and collapses. Moreover, inflows can lead to a decrease in head level because of aquifer drainage. Tunnels can be drilled by a tunnel boring machine (TBM) to minimize inflows and groundwater impacts, restricting the effect on the tunnel face. This method is especially suitable for urban tunneling where the works are usually undertaken near the ground surface. The aim of the thesis is to elucidate the tunneling difficulties arising from hydrogeology, and to determine groundwater impacts. The following approaches were adopted to achieve these objectives. First, a methodology that characterizes hydrogeologically the medium crossed by the TBM is proposed. Two important aspects that are often overlooked are: variable groundwater behavior of faults (conduit, barrier, conduit-barrier), and role of groundwater connectivity between fractures that cross the tunnel and the rest of the rock massif. These two aspects should be taken into account in the geological and groundwater characterization to correct the tunnel design and minimize hazards. A geological study and a preliminary hydrogeological characterization were carried out in a granitic sector during the construction of Line 9 of the Barcelona subway (B-20 area). The hydrogeological conceptual model was constructed using a quasi-3D numerical model, and different scenarios were calibrated. Faults and dikes show a conduit-barrier behavior, which partially compartmentalized the groundwater flow. The barrier behavior, which is the most marked effect, is more prominent in faults, whereas conduit behavior is more notable in dikes. The characterization of groundwater media entailed a dewatering plan and changes in the tunnel course. Second, a methodology to locate and quantify the inflows in the tunnel face of the TBM was adopted. Unexpected high water inflows constitute a major problem because they may result in the collapse of the tunnel face and affect surface structures. Such collapses interrupted boring tasks and led to costly delays during the construction of the Santa Coloma Sector of L9 (Line 9) of the Barcelona Subway. A method for predicting groundwater inflows at tunnel face scale was implemented. A detailed 3D geological and geophysical characterization of the area was performed and a quasi-3D numerical model with a moving tunnel face boundary condition was built to simulate tunnel aquifer interaction. The model correctly predicts groundwater head variations and the magnitude of tunnel inflows concentrated at the crossing of faults and some dikes. Adaptation of the model scale to that of the tunnel and proper accounting for connectivity with the rest of the rock massif was crucial for quantifying the inflows. This method enables us to locate the hazardous areas where dewatering could be implemented. Third, the hydrogeological impacts caused by tunneling with TBM were characterized. The lining in tunnels reduces water seepage but could cause a barrier effect because of aquifer obstruction. Analytical methods were employed to calculate the gradient and permeability variation after tunnelling. The uses of pumping tests allow determinate the barrier effect and the changes in groundwater connectivity due to tunnelling. These approaches were adopted to help overcome the main hydrogeological problems encountered during the construction of tunnels with the TBM. Numerical models proved useful in quantifying and forecasting tunnel water inflows and head variations caused by tunnelling. A better understanding of these scenarios enabled us to find the correct solutions and to minimize the consequences of tunnel-groundwater interaction.

[es] La construcción de túneles bajo el nivel piezométrico puede comportar problemas constructivos cuando la excavación atraviese zonas muy transmisivas donde puede haber entradas repentinas de agua. Estas entradas pueden generar arrastres cuando se crucen capas muy poco competentes, llegando a provocar hundimientos, creación de chimeneas subsidencia del terreno. Además estas entradas de agua pueden provocar el descenso del nivel freático por drenaje del acuífero. Para minimizar las entradas de agua y los impactos asociados a la excavación se realizan perforaciones con tuneladoras (TBM) que restringen las afectaciones por drenaje al frente de perforación. Este método es especialmente adecuado en medios urbanos donde el túnel se sitúa cerca de la superficie. El objetivo de esta tesis será abordar las dificultades constructivas relacionadas con la hidrogeología que existen al construir túneles con tuneladora así como determinar los impactos que estas pueden producir. En primer lugar, se busca una metodología que permita caracterizar hidrogeológicamente el terreno que será atravesado por la tuneladora ya que esta maquinaria es sensible a los cambios repentinos de medio y condiciones de terreno. Hay dos aspectos que normalmente no se tienen en cuenta: el comportamiento hidrogeológico de las fallas (conducto, barrera, conducto-barrera) y la importancia de la conectividad hidrogeológica entre las fracturas que cruzadas por el túnel y el resto del macizo rocoso. Estos dos aspectos han sido tenidos en cuenta en la caracterización geológica e hidrogeológica con el fin de corregir el diseño del túnel y minimizar riesgos geológicos. Una investigación geológica con caracterización hidrogeológica preliminar (que incluyó la revisión del estado hidrogeológico previo y ensayos de bombeo de interferencia) fue realizada en una zona granítica de la Línea 9 del metro de Barcelona (zona de la B-20). El modelo hidrogeológico conceptual fue construido usando un modelo numérico quasi-3D, donde fueron calibrados diverso escenarios. Las fallas y diques mostraron un comportamiento de conductobarrera que compartimentaliza parcialmente el flujo. El comportamiento de barrera es el efecto mas marcado, aunque en los diques aparece comportamiento de conducto. La caracterización del medio hidrogeológico ha permitido realizar un plan de drenaje y los cambios necesarios en el diseño del túnel. En segundo lugar, se busca una metodología que permita localizar y cuantificar las entradas de agua que pueda haber en el frente de excavación de un túnel construido con tuneladora. Entradas de agua repentinas constituyen un problema importante porque pueden provocar un colapso del túnel que afecte estructuras superficiales. Un método para predecir las entradas de agua en el frente de túnel fue implementado en el sector de Santa Coloma de la Línea 9 del metro de Barcelona. Una caracterización geológica y geofísica 3D del área fue realizada y los resultados fueron implementados en un modelo numérico quasi-3D, donde una condición de contorno de frente de túnel móvil se ha insertado para simular la interacción con el acuífero. El modelo predice correctamente la variación de los niveles piezométricos y la magnitud de las entradas de agua concentrados en las zonas de falla y diques. La adaptación de la escala del modelo al túnel y a la conectividad con el resto del macizo ha sido crucial para cuantificar las entradas de agua. Este método permite localizar las zonas peligrosas donde el dewatering debería ser implementado. En tercer lugar, se caracterizan los impactos que provoca la construcción de un túnel construido con tuneladora. Aunque el efecto dren que suelen producir la mayoría de túneles es minimizado en los túneles perforados con tuneladora con el sostenimiento que se instala después de la acción perforadora de la maquina, la construcción de esta estructura lineal impermeable puede producir una obstrucción del acuífero o efecto barrera. Se cuantifica la variación de gradientes piezométricos antes y después de la construcción de un túnel, esto se realizará con el uso de métodos analíticos que comparen los cambios reales observados. Además se cuantificaran los cambios de conectividad que provoca la construcción de un túnel comparando la variación de comportamiento observada en una serie de ensayos de bombeo realzados antes y después de la construcción de l túnel. Todos estos enfoques permiten abordar los principales problemas hidrogeológicos que se encontraran los túneles construidos con tuneladora así como los impactos que provocan. El uso de modelos numéricos se convierte en una herramienta robusta para cuantificar y predecir las entradas de agua en el frente de túnel y las variaciones de nivel provocadas por el mismo túnel. El conocimiento de estos escenarios permitirá encontrar las mejores soluciones para minimizar las consecuencias de la acción del medio hidrogeológico sobre el túnel o viceversa.