Effects of groundwater seepage in steady-state conditions in deep tunnel shafts

Norma P. López-Acosta, Gabriel Auvinet, Marco A. Pérez

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Buried Structures & Subsurface Systems

ABSTRACT: The aim of this paper is to study the effects of groundwater seepage in steady-state conditions in the excavation of a 12m diameter and 90m deep tunnel shaft. Several of the soil strata located in the excavation area of the tunnel shaft are constituted by medium to high hydraulic conductivity materials, which generate important flow velocities and flow rates. Additionally, the presence of lower hydraulic conductivity strata interbedded between more permeable layers suggests the occurrence of significant hydraulic gradients, and therefore assessment of the uplift pressure in certain stages of the tunnel shaft excavation becomes necessary. A methodology to carry out this type of analyses by two-dimensional numerical modeling based on the finite element method is exposed. The results presented refer to the hydraulic head field, velocity vectors, among others, with emphasis on exit hydraulic gradients and flow rate at different stages of the tunnel shaft excavation. In particular, graphs related to the exit hydraulic gradient, exit seepage velocity, and flow rate as a function of the excavation depth are provided. Finally, conclusions of the analyses performed and recommendations in order to control the groundwater seepage and to mitigate uplift problems into the tunnel shaft are provided.

RÉSUMÉ: Le but de cet article est d'étudier les effets d'écoulement des eaux souterraines en régime permanent dans l'excavation d'un puits de 12m de diamètre et 90m de profondeur. Plusieurs strates du sol situé dans la zone d'excavation du puits sont constituées par des matériaux à moyenne et haute conductivité hydraulique, qui génèrent des vitesses d'écoulement et des débits importants. En outre, la présence de strates moins perméables intercalées entre des strates très perméables conduit à d'importants gradients hydrauliques, et par conséquent l'évaluation de la sous-pression dans certaines étapes d'excavation du puits devient indispensable. On expose une méthodologie pour effectuer ce type d'analyses par modélisation numérique à deux dimensions basée sur la méthode des éléments finis. Les résultats présentés se rapportent au domaine de la charge hydraulique, vecteurs de vitesse, entre autres, en mettant l'accent sur des gradients de sortie hydraulique et le débit à différentes étapes de l'excavation du puits. En particulier, on présente des graphiques liés au gradient de sortie hydraulique, vitesse de sortie et débit en fonction de la profondeur d'excavation. Enfin, on présente les conclusions des analyses effectuées et des recommandations en vue de contrôler l'écoulement des eaux souterraines et atténuer les problèmes de sous-pression dans le puits.

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