Influence of groundwater flow on the swelling of the Gipskeuper formation in the Chienberg tunnel

• Unité de recherche: OFROU RPT
• Numéro de projet: FGU2008/005
• Titre du projet anglais: Influence of groundwater flow on the swelling of the Gipskeuper formation in the Chienberg tunnel

Mots-clé (Allemand)

Chienbergtunnel, Gipskeuper, Quellerscheinungen, Grundwasserströmung, Grundwassermodellierung

Mots-clé (Anglais)

Chienberg tunnel, Gipskeuper, swelling, groundwater flow, groundwater modeling

Description succincte (Allemand)

Beim Bau des Chienbergtunnels traten in zwei Abschnitten im Gipskeuper Quellerscheinungen, verbunden mit Hebungen der Tunnelröhre und der Geländeoberfläche, auf. In anderen, geologisch ähnlichen Abschnitten treten solche Erscheinungen jedoch nicht auf. Für das Verständnis dieser Unterschiede spielt die Grundwasserzirkulation in verschiedenen Massstabsbereichen eine wichtige Rolle. Mit dem vorgeschlagenen Forschungsprojekt sollen deshalb die regionalen und lokalen Grundwasser-Zirkulationssysteme erforscht und mit den aufgetretenen Quellerscheinungen in Zusammenhang gebracht werden. Dazu sollen die Potenzialverteilung, Fliesswege und Volumenströme mit Hilfe einer 2D Grundwassermodellierung in verschiedenen räumlichen Richtungen und Massstäben ermittelt werden. Die hydrogeologischen Studien haben zum Ziel, die Beziehungen zwischen Oberflächenhydrologie, unterirdischen Zuflüssen, Morphologie und geologischen Strukturen für das Gebiet des Chienbergs herauszuarbeiten. Übergeordnetes Ziel ist es, durch die Charakterisierung des hydrogeologischen Regimes zum Verständnis der komplexen gekoppelten hydraulich-mechanischen und geochemischen Prozesse beim Gebirgsquellen in sulfatführenden Tongesteinen beizutragen.

Das Projekt ist Bestandteil einer Forschungkooperation zwischen der ETH Zürich und der Universität Basel bei der Erforschung der Quellvorgänge im Gipskeuper. Die Ergebnisse können zu Vorschlägen für Massnahmen im Chienbergtunnel führen sowie eine wissenschaftliche Basis bilden für Entscheide bei der Projektierung, Kostenplanung und Durchführung zukünftiger Bau- oder Sanierungsprojekte von Tunnels im Gipskeuper.

Description succincte (Anglais)

During construction of the Chienberg tunnel, swelling phenomena associated with elevation of the tunnel and the surface occurred at two sections in the Gipskeuper formation. At other, geologically similar sections such phenomena do not occur. Groundwater circulation plays a major role in understanding these differences. The proposed research project is designed to investigate the regional and local groundwater circulation systems and to link them to the occurring swelling phenomena. For this purpose, the distribution of hydraulic head, flow paths and volumetric flow shall be determined by a 2D groundwater model considering different scales and spatial orientations. The hydrogeological studies aim at defining the relations between surface hydrology, subsurface inflows, morphology and geological structures for the area of the Chienberg. The overall aim is to contribute to a better understanding of the complex coupled hydraulic-mechanical and geochemical processes that occur during rock swelling in sulfate-bearing clay rocks by characterizing the hydrogeological regime.

The project is part of a research cooperation between the ETH Zurich and the University of Basel, investigating the swelling activity in the Gipskeuper formation. The results can lead to recommendations concerning measures in the Chienberg tunnel and provide a scientific basis for decisions during project planning, cost planning and realization of future construction and restoration projects of tunnels in the Gipskeuper formation.

Description du projet (Allemand)

Beim Bau des Chienbergtunnels traten im westlichen Bereich in zwei Zonen Hebungen der Tunnelröhre und der Geländeoberfläche auf, welche zu grossen Kostenüberschreitungen bei der Durchführung des Bauprojekts geführt haben. Diese sind durch Quellerscheinungen in den anhydritführenden Tonen des Gipskeupers verursacht. Im östlichen Tunnelbereich, wo ebenfalls anhydritführende Tonsteine des Gipskeupers durchfahren wurden, treten solche Quellerscheinungen nicht auf. Mit dem vorgeschlagenen Forschungsprojekt soll ein wichtiger Schritt hin zum Verständnis der Vorgänge gemacht werden, die zum Gesteinsquellen führen, damit solche Erscheinungen nicht als unvorhergesehene Überraschungen hingenommen werden müssen. Weitere Schritte werden bereits unternommen oder sind in Vorbereitung (Studium des Langzeit-Quellverhaltens und Modellierung von gekoppelten hydraulisch-mechanischen Prozessen; ETH-Z, Institut für Geotechnik, Prof. G. Anagnostou und UNI Basel).

Das Phänomen der Hebung infolge von Quellerscheinungen in anhydritführenden Tongesteinen ist eine im Tunnelbau bekannte Gefährdung, der heute überwiegend auf ingenieur-technischer Ebene durch konstruktive Massnahmen beim Bau der Tunnelröhre und geeignete Ankersysteme begegnet wird. Das Gebirgsquellen ist bedingt durch ein Zusammenwirken von Anydritlösung, Lösungstransport und Ausfällung von Gips. Bei der Ausfällung von Gips findet eine Volumenvergrösserung von 60 % gegenüber dem Anhydrit statt. Verlässliche Voraussagen über die zu erwartende Quellhebungen und Quelldrücke bei einem konkreten Bauprojekt sind während der Projektierungsphase jedoch äusserst schwierig, da eine Vielzahl von Prozessen dabei berücksichtigt werden muss. Insbesondere spielt die Grundwasserzirkulation eine wichtige Rolle.

In diesem Projekt sollen deshalb die Grundwasser-Zirkulationssysteme untersucht und mit den aufgetretenen Quellerscheinungen in Zusammenhang gebracht werden. Da die hydrologischen Gesteinseigenschaften (Speicherfähigkeit, Durchlässigkeit, Porosität) und Randbedingungen (Wasserflüsse, Potenzialverteilung) aufgrund der natürlichen Heterogenität des Gebirges abhängig sind vom betrachteten Massstab, müssen verschiedenen Skalen berücksichtigt werden. Weitere zu berücksichtigende Faktoren sind der Einfluss der Topographie auf das Fliessfeld, Veränderungen der hydraulischen Eigenschaften und der Beträge und Richtungen der hydraulischen Gradienten im Tunnelbereich während den Bauphasen sowie Dichte Effekte.

Konkret soll zum einen das regionale Grundwasser-Fliessfeld zweidimensional modelliert werden. Dies erfordert regionale hydrologische Bilanzierungen sowie das Einbeziehen des hydrogeologischen Umfeldes des Tunnels, insbesondere unterhalb der Tunnelsohle sowie nördlich und südlich des Bauwerks, in unterschiedlich orientierten Profilschnitten. Zum anderen sollen zusätzlich die hydrogeologischen Verhältnisse in den Hebungszonen lokal charakterisiert und mit geologisch ähnlichen Bereichen, in denen jedoch kein Gebirgsquellen stattfindet, verglichen werden. Dabei muss insbesondere auch der Einfluss der beim Tunnelbau um die Röhre entstandenen Auflockerungszone berücksichtigt werden. Ausserdem sollen verschiedene Grundwasserzirkulationssysteme durch eine Fourier-Dekomposition ermittelt werden, die eine Separation der Zirkulationssysteme in unterschiedlichen Massstabsbereichen ermöglicht. Der Ansatz erlaubt insbesondere die Herleitung einer Beziehung zwischen Ausdehnung der verschiedenen Zirkulationssysteme, der Verteilung der Anisotropie der hydraulischen Eigenschaften des Untergrundes, der Dichte der Fluide, der Eindringtiefe der Zirkulationssysteme, den zugehörigen charakteristischen Fliesszeiten und dem Einfluss des Tunnels, inkl. der Auflockerungszone.

Als Datengrundlage dienen der regionale geologisch-strukturelle Kontext, hergeleitet aus geologischen Karten und Profilen, lokale Informationen aus Sondierbohrungen und hydrologischen Messprogrammen sowie mineralogisch-petrographischen Analysen von Gesteinsproben. Als Ergebnis beschreiben die Grundwassermodelle die Potenzialverteilung, Fliesswege, Fliessrichtung sowie Volumenströme im Bereich des Chienbergtunnel stationär auf verschiedenen Skalen. Dabei ermöglichen die Modelle die Überprüfung von Hypothesen und das Feststellen von Datenlücken.

Übergeordnetes Ziel der Untersuchungen ist es, das Verständnis über die Rolle der regionalen und lokalen Wasserzirkulation zu verbessern und Grundlagen zu erarbeiten, die es erlauben, den Einfluss der Grundwasserströmung auf die Quellerscheinungen im Gipskeuper des Chienbergtunnels zu ermitteln. Diese Grundlagen sind eine Voraussetzung für die Quantifizierung der Quellprozesse durch Berechnungen mit hydraulisch-mechanisch gekoppelten Modellen, welche eine höhere Planungssicherheit, insbesondere auch in Hinblick auf den zu erwartenden Kostenrahmen, erwarten lassen. Es wird ausserdem erwartet, dass die Ergebnisse zu konkreten Vorschlägen für Baumassnahmen im Tunnel führen sowie eine wissenschaftliche Basis bilden für Entscheide bei der Projektierung und Durchführung zukünftiger Bauprojekte im Gipskeuper.

Connaissances attendues / utilisation / bénéficiaire (Allemand)

• Verteilung des hydraulischen Potenzials (mit und ohne Tunnel), Fliesswege, Fliessrichtung, Massenflüsse
• Erkenntnisse über den Zusammenhang Geologische Strukturen, regionaler und lokaler Grundwasserströmung und Quellerscheinungen
• Lokalisierung von Bereichen mit potentiellen Quellerscheinungen
• Vorschläge für Massnahmen bei Projektierung/Erkundung, Bau und Sanierung von Tunnelbauwerken im quellfähigen Gebirge
• Nutzniesser: Auftraggeber und ausführende Unternehmen im Tunnelbau, Verkehrsteilnehmer, Forschungsgruppe ETHZ Institut für Geotechnik (Langzeitquellversuche)

Méthodes (Allemand)

• Bilanzierung des regionalen Wasserhaushalts
• Bilanzierung geologischer Profile in unterschiedlich orientierten Schnitten und Fourier-Dekomposition
• Stationäre zweidimensionale Grundwassermodellierung unter Berücksichtigung der Gebirgsheterogenität in unterschiedlichen Massstäben (regional, lokal) und der beim Tunnelbau entstandenen Auflockerungszone
• Ermittlung von Zonen mit erhöhtem Wasserfluss
• Szenariensimulation zum Studium des Einflusses verschiedener geologischer Strukturen und der Auflockerungszone
• Auswertung der Ergebnisse

Equipements spéciaux (Allemand)

Keine.

Etat de la recherche (Allemand)

Das Phänomen der Hebung der Tunnelröhre und Oberfläche infolge von Quellerscheinungen in anhydritführenden Tongesteinen ist eine im Tunnelbau bekannte Gefährdung (z. B. Kovári, 1987; Wittke, 2004). Dieser Gefährdung wird überwiegend auf ingenieur-technischer Ebene durch konstruktive Ausbaumassnahmen begegnet, wobei bis heute in der Fachwelt kein Konsens über das richtige Tragwerkskonzept vorliegt (z. B. Pierau und Kiehl, 1996; Wittke und Wittke, 2004). Grund für den fehlenden Konsens ist das beschränkte Verständnis der stattfindenden Prozesse beim Quellvorgang in solchem Gebirge (Anagnostou, 2007). Generell findet (zusätzlich zur Tonquellung) eine Umwandlung von Anhydrit in Gips statt. Letzterer hat ein 60% grösseres Volumen. Labor- und Feldversuche zum Quellen anhydritführender Tongesteine ergeben jedoch oft widersprüchliche Ergebnisse (Madsen et al., 1995; Nüesch et al., 1995) und sind nur bedingt auf andere Orte übertragbar. Verlässliche Voraussagen über zu erwartende Quellhebungen und Quelldrücke bei einem konkreten Bauprojekt sind deshalb äussertest schwierig. Grund für die Unsicherheiten ist der Umstand, dass die Umwandlung von Anhydrit in Gips meist nicht direkt, sondern indirekt über den Umweg Anhydritlösung, Transport der Lösung mit der Grundwasserströmung und Ausfällung an einem anderen Ort stattfindet. Eine Vielzahl von Prozessen muss dabei berücksichtigt werden, jedoch spielt für das Verständnis und die Lokalisierung der Quellerscheinungen die Dynamik der Grundwasserzirkulation eine bedeutende Rolle (Anagnostou, 1995). Deshalb sollen im vorgeschlagenen Projekt die Zusammenhänge zwischen der Grundwasserströmung im geologisch-strukturellen Kontext, der Änderung der Fliesssysteme durch den Tunnelbau und den Quellerscheinungen erforscht werden als ein Beitrag auf dem Weg zum Verständnis der beim Tunnelbau stattfindenden Quellprozesse im Gipskeuper.

Der Projektleiter hat Fachkompentenzen im Bereich Strukturgeologie, Felsmechanik und Hydrogeophysik. Die ProjektmitarbeiterInnen der Forschungsgruppe Angewandte und Umweltgeologie haben durch verschiedene Projekte in der NW-Schweiz relevante Fachkompetenz bezüglich des vorgeschlagenen Projekts aufgebaut. Diese umfasst die Kenntnisse der regionalen Geologie, die 3D geologische und hydrogeologische Modellierung im Festgestein (Dresmann et al., 2006; Spottke et al., 2005; Tanner et al., 2003; Zechner et al., 2008) und ein hochauflösendes 3D Modell des Gempenplateaus verbunden mit Vulnerabilitätsstudien von Quellen (Butscher und Huggenberger, 2007). Anzufügen ist insbesondere auch die Bilanzierung von geologischen Profilen (Projekt Mont Terri; Freivogel und Huggenberger, 2003).

Die Ermittlung hydraulischer und geochemischer Parameter war unter anderem Gegenstand des Subrosionsprojektes (unterirdische Salzlösung) im Auftrag des Kanton Basel-Landschaft (Grundlagen finanziert durch SNF; Zechner et al., 2008; Gechter et al., 2008a, 2008b, Konz et al., 2008). Die Integration von Daten unterschiedlicher Qualität bei der Beschreibung der Verteilung der hydraulischen Parameter entspricht einem Schwerpunkt der Forschungsgruppe (z. B. Regli et al., 2003).

Sowohl die fortwährenden Projekte zur Subrosion sowie zur Karstentwicklung im Gipskeuper (im Auftrag des Kantons Basel-Landschaft) trugen zum Fachwissen über das Verständnis der Prozesse und die Quantifizierung hydraulisch-geochemischer gekoppelter Systeme bei.

Objectifs du projet (Allemand)

Ziel dieses Projekts ist eine Erklärung zu finden, weshalb in einzelnen Abschnitten im Gipskeuper des Chienbergtunnels Hebungen der Tunnelröhre und der Oberfläche auftraten, in anderen, geologisch vergleichbaren Abschnitten jedoch nicht. Das Verständnis dieser Unterschiede stellt eine Schlüsselinformation für die Sanierung von Zonen mit aktivem Gesteinsquellen und der Planung von neuen Tunnels im Gipskeuper dar. Wir gehen davon aus, dass für das Verständnis dieser Unterschiede der Grundwasserzirkulation und ihre Änderung in verschiedenen Massstabsbereichen eine wichtige Rolle zukommt. Deshalb zielt das Projekt darauf ab, die Grundwasserzirkulation im Bereich des Chienberg nachzuvollziehen und bezüglich ihres Einflusses auf die Quellerscheinungen im Gipskeuper zu bewerten.

Objectifs du projet (Anglais)

The aim of the project is to find an explanation why elevation of the tunnel and the surface occurs in some sections in the Gipskeuper formation of the Chienberg tunnel, while in other, geologically similar sections it does not. The understanding of these differences is very important for the restoration of zones with active rock swelling and for the planning of new tunnels in the Gipskeuper formation. We act on the assumption that the groundwater circulation and its changes at different scales play a major role in understanding these differences. Therefore, the project aims at reconstructing the groundwater circulation in the area of the Chienberg and evaluating its influence on the swelling phenomena in the Gipskeuper formation.

Plan de recherche (Allemand)

1. Regionale Grundwassermodellierung

1.1. Zusammenstellung und Aufbereitung von regionalen geologischen und hydrologischen Daten für die Modellierung, Fourier-Dekomposition und Berechnung hydrologischer Bilanzen

1.2. Modellaufbau regional: Erstellung bilanzierter geologischer Profile in unterschiedlich orientierten Schnitten einschliesslich des Umfeldes der Tunnelröhre, insbesondere unterhalb der Tunnelsohle sowie nördlich und südlich des Bauwerks, und Übertragung der hydrologischen Gebirgseigenschaften und Randbedingungen in das Modell, und Fourier-Dekomposition

1.3. Modellkalibrierung: Darstellung regionale Potenzialverteilung und Fliesswege

1.4. Simulationen verschiedener Szenarien zum Vergleich der Zirkulationssysteme vor und nach dem Tunnelbau sowie zur Abschätzung des Einflusses verschiedener geologischer Strukturen

2. Lokale Grundwassermodellierung

2.1. Zusammenstellung und Aufbereitung von lokalen geologischen und hydrologischen Daten für die Modellierung

2.2. Modellaufbau lokal: Erstellung geologischer Modelle der Zonen mit und ohne Quellerscheinungen, und Übertragung der hydrologischen Gebirgseigenschaften und Randbedingungen in die Modelle

2.3. Modellkalibrierung: Darstellung lokale Potenzialverteilung und Fliesswege

2.4. Simulationen verschiedener Szenarien zum Vergleich der Fliessfelder der Zonen mit und ohne Quellerscheinungen sowie zur Abschätzung des Einflusses der beim Tunnelbau entstandenen Auflockerungszone

3. Auswertung

3.1. Abgleich der Ergebnisse der Modellierungen mit geologisch-strukturellen (petrographischen, geochemischen und tektonischen) Daten

3.2. Analyse der Ergebnisse (auch in Hinblick auf Datenlücken), Formulierung von Hypothesen

3.3. Synthese: Zusammenhang Grundwasserströmung und Quellerscheinungen

3.4. Umsetzung: Ausarbeitung von Vorschlägen für konkrete Massnahmen

4. Projektmanagement

4.1. Projektkoordination

4.2. Reisen (Ortsbegehungen, Besprechungen, Präsentationen)

4.3. Fachliche Leitung

4.4. Berichterstattung

4.5.

Zeitplan: Sie unten Datei Zeitplan.pdf

Documents annexés

• Zeitplan.pdf [PDF] 2'183 kB

Mise en oeuvre et application (Allemand)

• Datengrundlagen für die Erforschung der gekoppelten hydraulisch-mechanischen Prozesse des Gesteinquellens
• Umsetzung der Ergebnisse bei Planung und Durchführung von Sanierungsmassnahmen im Chienbergtunnel
• Wissenschaftliche Basis für Entscheide bei der Projektierung von Tunnelbauwerken im Gipskeuper und ähnlichen Gesteinsformationen durch verbessertes Verständnis der beim Quellen beteiligten Prozesse

No du rapport (Allemand)

1383

Littérature (Allemand)

Zitierte Literatur:

Anagnostou, G. (1995): Seepage flow around tunnels in swelling rock. Int. Journal Num. and Analyt. Meth. in Geomechanics, 19, 705-724.

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Butscher, C., Huggenberger, P. (2007): Implications for karst hydrology from 3D geological modeling using the aquifer base gradient approach. J. Hydrol. 342 (1-2), 184—198. doi:10.1016/j.jhydrol.2007.05.025.

Dresmann H., Spottke I., Timar-Geng Z., Fügenschuh B., Wetzel A. (2006): A further step toward a thermochronologic 3-D model of the south-eastern Black Forest. TSK-Symposium Göttingen, March 2006, Abstract Volume.

Freivogel, M., Huggenberger, P. (2003): Modellierung bilanzierter Profile im Gebiet Mont Terri – La Croix (Kanton Jura). In: Heitzmann, P. and Tripet, J.-P. (eds.), 2003: Mont Terri Project – Geology, Paleohydrology and Stress Field of the Mont Terri Region. Berichte des BWG, Serie Geologie Nr. 4, S. 7—44, Bern.

Gechter, D., Huggenberger, P., Ackerer, P., Waber, H. N. (2008a): Genesis and shape of natural solution cavities within salt deposits, revised manuscript submitted to Water Resour. Res., minor revisions requested.

Gechter, D., Huggenberger, P., Wüest, A. (2008b): How do horizontal-guided gypsum cave passages with a tip-down triangular cross-section develop? A key experimental setup, Journal of Hydrology, in review.

Konz, M., Ackerer, P., Meier, E., Huggenberger, P., Zechner, E., Gechter, D. (2008): On the measurment of solute concentrations in 2-D flow tank experiments. Hydrol. Earth. Syst. Sci., in press.

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Zechner, E., Spottke, I., Konz, M., Huggenberger, P. (2008): Effects of tectonic structures, groundwater pumping, and mining activity on evaporite subrosion and resulting land subsidence, in prep.

Weitere Literatur:

Zum Tunnelbau im Quellfähigen Gebirge (Auswahl):

Amstad, Ch., Kovári, K. (2001): Untertagbau in quellfähigem Fels, Forschungsauftrag 52/94 auf Antrag des Bundesamtes für Strassen (ASTRA).

Anagnostou, G. (1992): Untersuchungen zur Statik des Tunnelbaus in quellfähigem Gebirge. Mitteilungen des Inst. für Geotechnik der ETH Zürich, Vol. 201.

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Hauber, L., Jordan, P., Madsen, F., Nüesch, R., Vögtli, B. (2005): Tonminerale und Sulfate als Ursache für druckhaftes Verhalten von Gesteinen. ASTRA

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Rutqvist, J., Stephansson, O. (2003): The role of hydromechanical coupling in fractured rock engineering. Hydrogeology Journal, 11: 7-40.

Steiner, W. (1993): Swelling Rock in Tunnels: Rock Characterization, Effect of Horizontal Stresses and Construction Procedures. Int.J. Rock Mech. Min: Sci.&Geomech. Abstr., 30/4, 361-380.

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Zur geohydraulischen Modellierung:

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Diersch, H.-J. G. (ed.) (2005): FEFLOW Finte Element Subsurface Flow and Transport Simulation System – Reference manual. WASY Institute for Water Resources Planning ans Systems Research, Berlin.

Butscher, C., Huggenberger, P. (2008): Integrative vulnerability assessment in karst areas: a combined mapping and modeling approach. Water Resour. Res. 44, W03408, doi:10.1029/2007WR006277

Zijl W. (1999): Scale aspects of groundwater flow and transport systems, Hydrogeology Journal 7(1), 139-150.