Key words
(German)
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Vorauserkundung, wasserführende Zonen, Temperatur, FEM-Modellierung
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Key words
(English)
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prediction ahead, waterbearing zones, temperature, FEM-modelling
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Short description
(German)
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Es wäre wünschenswert die Lage und die Eigenschaften von wasserführenden Zonen vor der Ortsbrust indirekt, möglichst ohne Unterbrechung des Vortriebs, bestimmen zu können. Durch Zirkulation stören grosse wasserführende Zonen bereits ab natürlichen Fliessgeschwindigkeiten von 10-8 m/s (~1 m/Jahr) das räumliche Temperaturfeld des Gebirges. Damit lassen sich grundsätzlich mit Hilfe von gemessenen Felstemperaturen entlang der Tunnelspur gewisse Rückschlüsse auf die hydrogeologischen Verhältnisse machen. Da die Temperaturmessungen entlang des vorgetriebenen Tunnelabschnitts nur einen eindimensionalen Datensatz darstellen, sind Vorkommen und Eigenschaften von räumlichen hydrologischen Einheiten grundsätzlich nicht eindeutig bestimmt. Da für den Vortrieb aber nur die vor der Ortsbrust liegen Zonen wichtig sind, wird folgendes Vorgehen gewählt: Zunächst wird eine Prognose-Temperatur entlang der geplanten Tunnelspur mit einem 3D-FE-Gebirgsmodell berechnet, basierend auf reiner Wärmeleitung. Dieses Modell beinhaltet alle bekannten Strukturelemente. Weichen die gemessenen Felstemperaturen systematisch von den Prognosewerten ab, wird das worst-case Szenario
einer vor der Ortsbrust liegenden wasserführenden Zone angenommen, die diese Temperatur-
Abweichung verursacht. Durch Variation der Parameter innerhalb hydrogeologisch plausibler Bereiche in
einem FE-Lokalmodell wird die mögliche Lage und Wasserführung vor der Ortsbrust eingegrenzt.
Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojektes soll bestimmt werden, inwieweit systematisch solche
Rückschlüsse möglich sind und wie gross deren Aussagekraft und Nutzen für den Vortrieb ist.
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Short description
(English)
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It would be highly desirable to localise and quantify water inflow zones in front of the tunnel face by indirect methods without any interruption of the excavation process. The spatial temperature field in the subsurface is influenced by water circulating in extended zones with a natural velocity of more than 10-8 m/s (~1 m/year). This allows to characterize the hydrogeological conditions by rock temperatures measured along the advancing tunnel. Such temperature represent a one-dimensional data set only, their interpretation cannot reveal the spatial characteristics of water bearing zones. Since for tunnelling only the water-bearing zones ahead of the advancing face are relevant, the following procedure is foreseen: First the rock temperature prediction along the planned tunnel trace is calculated with a 3D FE model based on heat conduction. The model domain includes all relevant structural units. Deviations from the “dry” prediction are interpreted, as a worst-case scenario, by a water-bearing zone ahead of the tunnel face. The water-bearing zone is characterized (location, flow rate) by parametric studies in a
local-scale FE model.
The aim of the proposed investigations is the assessment of the feasibility and value of this method
to predict water-bearing zones ahead of the advancing face in tunnelling.
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Methods
(German)
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Die Evaluation der Methodik erfolgt durch dreidimensionale FE-Modellierungen mit dem Programm FRACTure der GEOWATT AG.
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Special tools and infrastructure
(German)
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keine
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Overview of own research activities
(German)
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Die GEOWATT AG verfügt über eine breite Erfahrung im Bereich der dreidimensionalen FE-Modellierung von hydraulisch-thermisch gekoppelten Prozessen in porösem sowie geklüftetem Festgestein, ebenso in entsprechender Programmentwicklung und –anpassung. Nebst bei Forschungsprojekten und Expertisen im Bereich der geothermischen Energienutzung kam das Finite Element Programm FRACTure im Bereich des Tunnelbaus für Prognosen von Felstemperaturen sowie von Bergwasserspiegelabsenkungen und Tunnelwasserzutritte zum Einsatz. Entsprechende Modellierungen wurden für den Gotthard-Basistunnel und die Piora-Mulde, sowie für den geplanten Koralm-Tunnel (A) durchgeführt. Referenzen: vgl. unten.
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Project aims
(German)
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Es soll evaluiert werden, mit welcher Genauigkeit Lage und Eigenschaften von wasserführenden Zonen vor der Ortsbrust durch Interpretation von Temperaturdaten prognostiziert werden können. Die Aussagekraft und die Einsatzgrenzen dieser Methodik sollen dabei im Hinblick auf die Erfordernisse des Tunnelvortriebs bestimmt werden. Die erforderlichen Sensitivitätsanalysen werden mit der hydraulisch-thermischen 3D-FE-Methode anhand von Standard-Gebirgskörpern durchgeführt.
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Project aims
(English)
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The accuracy of localising and specifying water bearing zones in front of the tunnel face by interpretation of temperature data shall be evaluated. The range of application and the limits of this method shall be determined with respect to the needs of the tunnel excavation. The required sensitivity analysis will be carried out with standardised models using the three-dimensional hydraulic-thermal finite element method.
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Research agenda
(German)
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Phase 1: Spezifikation der Methodik bezüglich nützlicher Aussagen für den Vortrieb
Phase 2: Anpassung/Bereitstellung numerischer Tools gemäss Spezifikation
Phase 3: Sensitivitätsanalysen
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Achievement of aims
(German)
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Es hat sich gezeigt, dass sich theoretisch die Lage und Eigenschaften von wasserführenden Zonen durch eine Interpretation von gemessenen Temperaturdaten grössenordnungsmässig bestimmen lässt . Weiterführende theoretische Untersuchungen sind für spezifische Fragestellungen bei einem baubegleitenden Praxiseinsatz sinnvoll. Die Projektzielsetzungen wurden erreicht.
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Abstract
(German)
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vgl. Schlussbericht
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Description of results
(German)
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vgl. Schlussbericht
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Transfer and application
(German)
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Zeigt die Evaluation im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojektes, dass die Methodik grundsätzlich einsetzbar und für den Vortrieb vorteilhaft ist, ist ein Praxiseinsatz zum Beispiel beim Vortrieb des Gotthard-Basistunnels wünschenswert. Dabei sollen die entsprechenden Software-Tools und die Messtechnik auf ihre Einsetzbarkeit getestet werden. Für diesen Testeinsatz wird unter Umständen ein Fortsetzungkredit benötigt.
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Knowlegde improvements / Publications
(German)
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1. Busslinger, A. & Rybach, L., 1999, Geothermal prediction of water bearing zones, Tunnel, 1, pp.33-41.
2. Busslinger, A., 1998, Geothermische Prognosen für tiefliegende Tunnel. Diss. ETH Nr. 12715 (1998)
3. Kohl, T., Signorelli, S. &. Rybach, L., 2001, Three-dimensional thermal investigation below high Alpine topography, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 126, pp.195-210
4. Graf, F., Kohl, T., Mégel, T., Rybach, L., Fuchs, R., 2001, Hydraulic-Geothermal Modelling of Koralm-Tunnel, Felsbau 19, No. 6
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Publications / Results
(German)
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Noch keine.
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Berichtsnummer
(German)
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1085
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