Interaction between groundwater and TBM (Tunnel Boring Machine) excavated tunnels
Authors:   , Font Capó Jordi 
Published: July 2023

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.

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.

La construcció de túnels sota el nivell piezomètric pot comportar problemes constructius quan
l’excavació travessi zones molt transmissives on pot haver-hi entrades sobtades d’aigua .
Aquestes entrades poden arrossegar materials quan es creuin capes poc competents, arribant a
provocar enfonsaments, xemeneies I subsidència del terreny. D’altra banda aquestes entrades
d’aigua poden provocar el descens del nivell d’aigua per drenatge de l’aqüífer. Per minimitzar les
entrades d’aigua I els impactes associats a la excavació es perforen túnels amb tuneladores (TBM)
que restringeixen les afeccions per drenatge al front de perforació. Aquest mètode es
especialment adequat en medis urbans on el túnel es proper a la superfície. L’objectiu d’aquesta
tesi serà abordar les dificultats constructives relacionades amb la hidrogeologia que existeixen al
construir túnels amb tuneladora així com determinar els impactes que aquestes poden produir.
En primer lloc, es busca una metodologia que permeti caracteritzar hidrogeològicament el
terreny que ha de travessar la tuneladora ja que aquestes són sensibles als canvis sobtats de medi
i condicions de terreny. Hi ha dos aspectes important que normalment no son tinguts en compte:
El comportament hidrogeològic de les falles (conducte, barrera, conducte-barrera) i la
importància de la connectivitat hidrogeològica entre les fractures que son creuades pel túnel y la
resta del massís rocós. Aquests dos aspectes han estat tinguda en compte en la caracterització
geològica i hidrogeològica amb el fi de corregir el disseny del túnel i minimitzar riscos geològics.
Una investigació geològica amb caracterització hidrogeològica preliminar (que va incloure la
revisió de l’estat hidrogeològic previ i assaigs de bombeig d’interferència) va ser realitzada en
una zona granítica de la Línia 9 del metro de Barcelona (zona de la B-20). El model hidrogeològic
conceptual va ser construït fent servir un model numèric quasi-3D, on van ser calibrats diferents
escenaris. Les falles i els dics van mostrar un comportament de conducte barrera que
compartimentalitza el flux parcialment. El comportament de barrera es l’efecte mes marcat i es
mentre que en els dics apareix el comportament de conducte. La caracterització del medi
hidrogeològic ha permès realitzar un pla de drenatge i els canvis necessaris en el disseny del
túnel.
En segon lloc, es troba una metodologia que permeti trobar el lloc i quantificar les entrades
d’aigua que hi pot haver en el front d’excavació d’un túnel construït amb tuneladora. Les entrades d’aigua sobtades en el túnel constitueixen un problema important perquè poden
provocar un col·lapse del túnel que afecti a les estructures superficials. Un mètode per predir les
entrades d’aigua en el front de túnel ha estat implementat en el sector de Santa Coloma de la
Línia 9 del metro de Barcelona. Per aconseguir-ho es va realitzar una caracterització geològica i
geofísica 3D, aquests resultats van ser implementats en un model numèric quasi-3D, on una
condició de contorn de front de túnel mòbil ha estat inserida per simular la iteració amb l’aqüífer.
El model prediu correctament la variació de nivells piezomètrics i la magnitud de les entrades
d’aigua concentrades en les zones de falla i dics. L’adaptació de l’escala del model al túnel i a la
connectivitat amb la resta del massís han estat clau per poder quantificar les entrades d’aigua.
Aquest mètode permet localitzar les zones perilloses on el dewatering hauria de ser implementat.
En tercer lloc, es caracteritzen els impactes hidrogeològics que provoca la construcció d’un túnel
construït amb tuneladora. Malgrat que l’efecte dren que acostumen a originar la majoria de
túnels es minimitza per l’acció del sosteniment que s’instal·la just després de la maquina, la
construcció d’aquesta estructura lineal impermeable pot produir una obstrucció de l’aqüífer o
efecte barrera. Es quantifica la variació de gradient abans i desprès de la construcció d’un túnel,
això es farà amb mètodes analítics que es comparen amb el canvi de gradient observat. A mes a
mes es quantifiquen els canvis de connectivitat que provoca la construcció del túnel comparant la
variació de comportament observada en una sèrie d’assaigs de bombeigs realitzats abans i
després de la construcció del túnel.
Tots aquests enfocaments permeten abordar els principals problemes hidrogeològics que es
trobaran els túnels construïts amb tuneladora així com els impactes que provoquen. L’ús de
models numèrics esdevé una eina robusta per poder quantificar i predir les entrades d’aigua en el
front del túnel i les variacions de nivell provocades pel mateix túnel. El coneixement d’aquests
escenaris permetrà trobar les solucions adients o minimitzar les conseqüències de l’acció de medi
hidrogeològic sobre el túnel o a l’inrevés.