When the Layer-Cake Bites Back: Tunnelling Challenges in Sedimentary Rock

Mark S. Diederichs

In the proceedings of: GeoSt. John's 2019: 72nd Canadian Geotechnical Conference

Session: Professional Practice/Case Studies

ABSTRACT: Site Investigation, geomechanical design analysis, ground monitoring and support optimization are integral parts of the tunnel engineering process. The validity of the geotechnical approach to specific behaviour of the ground impacts constructability, excavation method selection, details of TBM design, support design, monitoring strategy and long-term performance of the project. This caveat is relevant for tunnelling within sedimentary rocks. Layering creates challenges for tunnelling if not considered during the design stage. Kinematics, structural and anisotropic response must be considered. Monitoring strategies must account for delamination or localized shearing. Support strategies, design and sequencing, must be compatible with this anisotropic response and the interlayer deformations. Geological formation designation is often based on consistent environments during the deposition phase. A deltaic formation, for example, may contain hard cemented sandstone, weak cross-bedded sequences as well as silty or clay-rich interbedding or lensing. Caution is required when interpreting geological descriptions for project sites. Site investigation, selection of analysis model and monitoring plan must link to ensure that the mechanics of the sedimentary rock are considered in excavation strategy, support design and monitoring (alert levels and response). Case examples will be discussed highlighting pitfalls and solutions (TBM, Mechanical and D&B) in sedimentary rocks.

RÉSUMÉ: L'étude de site, l'analyse de conception géomécanique, la surveillance du sol, et l'optimisation de soutènement du massif les détails de la conception du tunnelier, la conception du support, la stratégie de surveillance, et la performance à long terme du projet. Cet avertissement concerne spécifiquement les tunnels construits dans des roches sédimentaires. La stratification de ces roches crée des défis pour la création des tunnels si elle n'est pas prise en compte lors de la phase de conception. La réponse cinématique, structurelle et anisotrope doit être prise en compte. Les stratégies de surveillance doivent prendre en compte le délaminage ou le cisaillement localisé. La conception de soutènement et de séquençage doit être compatible avec cette réponse anisotrope et la déformation des couches intermédiaires. La désignation de la formation géologique est souvent basée sur les milieux de dépôt. Par exemple, une formation deltaïque, peut contenir du grès dur et cimenté, des faibles lits croisés, des lentilles argileuses ainsi qu'un entrelacement des couches riches en silt ou en argile. Par conséquent, la prudence est nécessaire lors de l'interprétation des descriptions géologiques pour les sites de projet. La mécaniques des roches sédimentaires sont prises solutions (TBM, Mechanical et D & B) dans les roches sédimentaires.

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