Grundvattenbildning och inläckage till tunnlar - Samband i data från Förbifart Stockholm

Abstract (Swedish)

För att förbättra framkomligheten och minska sårbarheten hos transportsystemet i Stockholmsregionen bygger Trafikverket genomfartsleden E4 Förbifart Stockholm. Vägen är till stor del förlagd i tunnel. Inläckage av grundvatten genom tunnelkonturen är mer eller mindre oundvikligt, och om inläckaget är för stort kan det orsaka förändringar i grundvattennivån i stora områden kring tunnelsträckan. Under drivningen av Förbifart Stockholm har inläckaget varit högre än väntat på vissa sträckor, och på vissa platser uppvisar inläckaget även ett samband med nederbördstillfällen och grundvattennivå utöver det förväntade. Detta examensarbete syftar till att söka potentiella förklaringsmodeller i litteraturen, samt att påvisa och försöka förklara variationer i inläckage och dess samband med grundvattennivå och grundvattenbildning. Arbetet utgörs dels av en litteraturstudie, dels av en analys av data från tre specifika tunnelavsnitt inom projektet Förbifart Stockholm. Dataanalysen innefattar främst en regressionsanalys av aktuella parametrar.

Litteraturstudien visar att det finns en mängd studier om tunnelprojekt och inläckage, men få handlar om hur grundvattenbildning och associerade parametrar påverkar inläckaget. En slutsats är alltså att det inte verkar finnas några förslag på förklaringsmodeller i litteraturen, utöver de som föreslogs i den ursprungliga problemställningen från Trafikverket. Dataanalysen visar att det går att observera ett samband mellan variationer i inläckage och grundvattennivåer, utöver det som kan förklaras med endast en trycknivåökning. Detta skulle kunna bero på att grundvattenmagasin ökar i utbredning vid en ökad grundvattennivå, och då kommer i kontakt med svaghetszoner som legat utanför magasinets ursprungliga utbredning. Det verkar inte finnas några starka samband mellan inläckage och direkt grundvattenbildning, uppskattad genom nettonederbörd eller nivåförändringar i grundvattenmagasin. Ett något starkare samband fanns för en av de undersökta tunnelsträckorna, även om det inte var lika starkt som sambandet med grundvattennivån. I detta område består också en större del av markytan av grundvattenbildningsområden, och det är tänkbart att det i detta fall är torrlagda sprickor eller svaghetszoner i ytligt berg som ger kortvarigare inläckageökningar. Det finns dock stora problem med mätfrekvensen hos datan som omöjliggör en fullständig analys av den direkta grundvattenbildningen. Andra stora osäkerheter är påverkan från valet av tunnelsträckor, osäkerheter i antagandena för linjär regression samt förenklingar i beräkningarna för grundvattenbildning. För framtida studier föreslås en applicering av samma metoder på färdigställda tunnlar med längre mätserier. Ett annat förslag är att göra närmare studier av de geologiska förutsättningarna på de undersökta platserna för att bekräfta de förslagna strukturerna.

Abstract

In order to improve the accessibility and reduce the vulnerability of the transport system in Stockholm, the Swedish Transport Administration is building the bypass E4 Förbifart Stockholm (Stockholm Bypass). Most of the road will be located in tunnels. Groundwater leakage through the tunnel walls, bottom and roof is more or less inevitable, and if the leakage becomes too great it can cause disturbances in the groundwater levels in the vicinity of the tunnel. During the construction of the Stockholm Bypass, the observed groundwater leakage has been greater than expected in some sections of the tunnel, and in some areas the leakage exhibits a correlation with precipitation and groundwater level fluctuations that goes beyond what was to be expected. This master's thesis aims to find potential explanatory models in literature for the observed patterns, and also to demonstrate and attempt to explain variations in the groundwater leakage and its correlation with groundwater levels and groundwater recharge. The thesis consists of a literature review and an analysis of data from three specific tunnel sections within the Stockholm Bypass. The data analysis mainly consists of a regression analysis of relevant parameters.

The literature review shows that there are many studies concerning tunnel projects and groundwater leakage, but also that few of these investigate how groundwater recharge and associated parameters affect the leakage. One conclusion is therefore that there do not seem to be any explanatory models in the literature, other than those that were suggested in the original problem description provided by the Swedish Transport Administration. The data analysis indicated a correlation between fluctuations in the leakage and groundwater levels in the vicinity of the tunnel, which goes beyond what a simple increase in the hydraulic gradient can cause. An explanation for this could be that the spatial distribution of groundwater reservoirs increases as the groundwater level is increased, causing the reservoir to come in contact with a fracture zones that were previously above the groundwater table. There does not seem to be any clear correlation between leakage and the groundwater recharge, which was estimated as the net precipitation or as changes in the groundwater level of two reference reservoirs. A slightly stronger correlation was found for one of the investigated tunnel sections, but the correlation was not as strong as the correlation with the groundwater level. In this tunnel section, a larger part of the ground surface consisted of groundwater recharge areas, and it is possible that these areas contain dry fractures and fracture zones in the superficial rock that causes short term increases in the groundwater leakage. However, there are significant issues with the measuring frequency of the data that was used, which prevents a complete analysis of the impact of the groundwater recharge. Other major uncertainties are the influence of the tunnel section selection, uncertainties in the assumptions for linear regression and simplifications in the calculations of groundwater recharge. Future studies should analyse longer data series from completed tunnels using the methods in this master’s thesis. Another suggestion for future studies is to make a detailed study of the geological conditions in the areas investigated in this report in order to confirm the suggested structures.

Popular Abstract (Swedish)

Grundvattenbildning och dess påverkan på inläckage i tunnlar – data från Förbifart Stockholm indikerar ett samband


Betydelsen av fungerande infrastruktur och transportsystem ökar i ett alltmer urbaniserat och rörligt samhälle. För att förbättra framkomligheten och minska sårbarheten hos transportsystemet i Stockholmsregionen har regeringen beslutat att bygga E4 Förbifart Stockholm. Förbifart Stockholm är en del av en ringled runt Stockholms innerstad, och tanken är bl.a. att Förbifarten ska avlasta den hårt trafikerade Essingeleden.

Förbifart Stockholm är till stor del förlagd i bergtunnlar - hela 18 av 21 km av vägen kommer att gå under marken. Detta gör vägen mer eller mindre osynlig i landskapet, och därmed skonas viktiga natur- och kulturvärden i området. Dock kan en tunnel innebära stor påverkan under marknivån, framför allt på grundvattnet. Inläckage av grundvatten genom tunnelväggar, golv och tak är mer eller mindre oundvikligt, och om inläckaget är för stort kan det orsaka förändringar i grundvattennivån i stora områden kring tunnelsträckan. Detta kan ge problem med sinande brunnar, påverka växtlighet i grundvattenberoende ekosystem, samt orsaka skador på husgrunder och underjordiska ledningar.

På vissa platser längs Förbifart Stockholm uppvisar inläckaget ett samband med regn och grundvattennivåer utöver det förväntade. Detta examensarbete syftar till att söka potentiella förklaringsmodeller till det här sambandet, samt att påvisa och försöka förklara variationer i inläckage och dess samband med variationer i grundvattennivå och grundvattenbildning. Arbetet utgörs dels av en litteraturstudie, dels av en analys av data från tre specifika tunnelavsnitt inom projektet Förbifart Stockholm.
Trafikverket har föreslagit tre förklaringsmodeller för det observerade sambandet:
1. En ökad grundvattennivå ger ett ökat grundvattentryck vid tunneln, och därmed ett högre inläckage. Detta anses vara ett ”basscenario”, dvs det stämmer men det räcker troligtvis inte för att förklara hela det samband som man har observerat.
2. Torra sprickor på t.ex. berghällar, som står i kontakt med tunneln, fylls med vatten vid grundvattenbildning (regn).
3. Grundvattenbildning leder till en höjd grundvattennivå och ökad utbredning av grundvattenmagasin i horisontalled, vilket gör att grundvattnet kommer i kontakt med tidigare dränerade sprickor.

Dessa förklaringsmodeller bygger på vissa grundläggande förutsättningar för grundvattenflöde i berg, som t.ex. att bergets vattenledande förmåga är starkt kopplad till dess sprickighet. Sprickigheten kan variera stort mellan olika delar av berget, och det finns vissa områden där berget har särskilt hög sprickfrekvens. Dessa kallas svaghetszoner. Svaghetszonerna är viktiga grundvattenledare i berg.

En annan aspekt som är grundläggande för detta examensarbete är grundvattenbildningen. Grundvattenbildning är den process som leder till påfyllnad av ett grundvattenmagasin. Det är en komplicerad process som beror av ett flertal faktorer, som t.ex. nederbörd, avdunstning och infiltration i marken. Grundvattenbildningen varierar över året, och i Stockholmsområdet brukar grundvattennivån öka under höst och vinter som ett resultat av en hög grundvattenbildning. Ökningen beror bl.a. på att avdunstningen minskar när temperaturerna blir lägre. Under sommaren minskar i stället grundvattenbildningen, och det beror till stor del på att växternas upptag av vatten ökar.

Ett mål med detta examensarbete var att hitta ytterligare förklaringsmodeller, utöver de som redan föreslagits av Trafikverket. Litteraturstudien visar att det finns en mängd studier om tunnelprojekt och inläckage, men att få handlar om hur grundvattenbildning och liknande parametrar påverkar inläckaget. En slutsats är alltså att det inte verkar finnas några förslag på ytterligare förklaringsmodeller i litteraturen.

I dataanalysen undersöktes som sagt tre olika tunnelavsnitt: en tunnel på Lovö, en i Johannelund och ett par huvudtunnlar i Lunda. Inläckaget i dessa tunnelavsnitt jämfördes med grundvattennivåer samt uppskattningar av grundvattenbildningen. Som ett komplement undersöktes också geologisk information från områdena, t.ex. geologiska kartor och ingenjörsgeologiska prognoser för Förbifart Stockholm.

Dataanalysen visar att det går att observera ett samband mellan variationer i inläckage och grundvattennivåer, utöver det som kan förklaras med endast en ökning av grundvattentrycket. Detta skulle kunna bero på att grundvattenmagasin ökar i utbredning vid en ökad grundvattennivå, och då kommer i kontakt med svaghetszoner som legat utanför magasinets ursprungliga utbredning (förklaringsmodell 3). Det verkar däremot inte finnas några starka samband mellan inläckage och de grundvattenbildningsuppskattningar som använts. Ett något starkare samband finns för en av de undersökta tunnelsträckorna (Johannelund), även om det inte är lika starkt som sambandet med grundvattennivån. I detta område består också en större del av markytan av ytligt berg och berghällar, och det är tänkbart att det i detta fall är torrlagda sprickor eller svaghetszoner i ytligt berg som ger kortvarigare inläckageökningar (förklaringsmodell 2). Det finns dock stora problem med mätfrekvensen hos datan som gör det svårt att dra några slutsatser om denna förklaringsmodell.

Detta arbete påvisar, trots vissa osäkerheter, att ett samband mellan grundvattenbildning, grundvattennivåer och inläckage verkar bero av fler faktorer än bara tryckhöjningar i samband med en ökande grundvattennivå. Det krävs dock fler studier för att verifiera sambandet och undersöka dess betydelse vid planeringen av nya tunnelprojekt - den här studien är bara första steget på vägen. För framtida studier föreslås att samma metoder används på färdigställda tunnlar med längre mätserier för inläckage. Ett annat förslag är att göra närmare studier av de geologiska förutsättningarna på de undersökta platserna.

• author: Eftring, Katja
• supervisor: Gerhard Barmen; Rebecka Jenryd
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Groundwater recharge and leakage to tunnels - Patterns in data from the Stockholm Bypass
• course: VTGM05 20221
• year: 2022
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Bergtunnel, inläckage, Förbifart Stockholm, grundvattenbildning
• report number: ISRN LUTVDG(TVTG-5174)/1-68/(2022)
• language: Swedish
• additional info: Examiner: Jan-Erik Rosberg
• id: 9100187
• date added to LUP: 2022-09-15 08:56:56
• date last changed: 2022-09-15 15:08:50