Artificial ground freezing for temporary earth support in shaft construction

Joseph A. Sopko, Adam Curry, Robert R. Chamberland, Behzad Khorshidi

In the proceedings of: GeoMontréal 2013: 66th Canadian Geotechnical Conference; 11th joint with IAH-CNC

Session: Soil Stabilization II

ABSTRACT: The 15 km long Southeast Collector (SeC) Gravity Trunk Sewer will augment the existing York Durham Sewage System (YDSS) accommodating the anticipated population growth in the York Region of Ontario, Canada. The project includes the construction of three shafts for diversion facilities, 13 permanent access and maintenance shafts and two drop structures. Four Earth Pressure Balance Machines (EPBM) will mine the sewer tunnel. In advance of the Tunnel Boring Machine (TBM) drives to launch, inspect and retrieve the TBMs, 16 shafts and three strutted excavations will be constructed along the sewer alignment. The overburden soils consist of preconsolidated glacial till and glaciofluvial gravel, sand, silt and clay deposits overlaying Ordovician-age bedrock. The shafts are excavated in overburden soil material to a maximum depth of 51 m below the surface. The bedrock shale formation is utilized by several deeper shafts for groundwater cut-off. The diameters of the shoring system range from 4.6 m to 15.6 m. Active dewatering is generally not acceptable for the project to avoid influencing the groundwater table. For the temporary support of the shaft excavations, secant pile walls, diaphragm walls, shotcrete lining, ground freezing and combinations are used. Unexpected difficulties during one shaft excavation required changing the approach completely and converting to ground freezing. The previously installed shotcrete lining was not designed for the forces associated with the freezing process. The behavior of the frozen ground was evaluated using both thermal and structural modeling programs. In-situ stress and deformation was measured to confirm the results of the modeling program and to gain insight to the interaction of the frozen earth and the temporary shaft lining for use on subsequent shafts on the project.

RÉSUMÉ: Le système d™égout collecteur à gravité du sud-est (SEC) d™une longeur de 15 km va permettre d™améliorer le système d™égouts de York Durham (YDSS )pour répondre aux besoins croissants de la population prévue dans la région de York située en Ontario au Canada. Le projet inclut la construction de 3 puits pour structures de détournement, 13 puits pour un accès permanent et pour l™entretien en plus de 2 structures pour chutes. Le tunnel d™égouts est creusé par 4 machines à pression équilibrée (EPBM). Avant d™introduire la machine TBM pour la construction des tunnels, il faut construire 16 puits pour permettre l™inspection et l™entretien de celle-ci. La partie sous-terraine rocheuse de l™Ordovicien est recouverte de plusieurs couches de gravier, de sable et de glaise. Les puits sont creusés jusqu™à un maximum de 51m afin d™atteindre la profondeur requise. La formation de la roche de schiste est utilisée pour les puits plus profonds pour isoler l™eau souterraine. Les diamètres de la gamme du système d™étayage sont de 4,6m à 15,6m. Une déshydratation active n™est pas acceptable pour le projet à cause de l™influence de la nappe phréatique. Pour le support temporaire de l™excavation des puits, nous avons utilisé plusieurs procédés comme : les murs de pieux sécants, des parois moulées, des doublures de bétons et le gélisol (ground freezing). Des difficultés imprévues durant l™excavation d™un des puits a nécessité le changement au complet de l™approche en utilisant seulement la méthode de gélisol (ground freezing). La couche de béton précédemment utilisée comme doublure n™est pas conçue pour les forces associées à la procédure de congélation. Le comportement du sol gelé a été évalué à l™aide de deux programmes de modélisation thermique et structurale. La déformation et les contraintes en situ ont été mesurées pour confirmer les résultats du programme de modélisation et pour mieux comprendre l™interaction de la terre gelée et de la doublure du puits temporaire.

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