Test of the method "indirect prediction ahead of water bearing zones with temperature data" with the measured data from the Lötschberg-Basistunnel

• Research unit: FEDRO RBT
• Project number: FGU2005/001

Key words (German)

Vorauserkundung, wasserführende Zonen, Temperatur, FEM-Modellierung, Lötschberg-Basistunnel

Key words (English)

Prediction ahead, waterbearing zones, temperature, FEM-modelling, Lötschberg-Basistunnel

Short description (German)

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. Im Rahmen des Forschungprojektes FGU2003-003 wurde aufgezeigt, dass anhand von gemessenen Temperaturen entlang des vorgetriebenen Tunnelabschnitts die Grössenordnung des zu erwartenden Wasserzuflusses ermittelt werden kann. Diese Evaluation erfolgte auf rein theoretischer Basis anhand eines Standart-Gebirgsmodells. Diese Methodik soll nun anhand der gemessenen Temperatur- und Wasserzufluss-Daten aus dem Lötschberg-Basisitunnels getestet werden. Dazu muss in einem ersten Schritt ein dreidimensionales FE-Model der Tunnelumgebung erstellt werden. Darin werden insbesondere die Topographie, sowie die grössten thermischen Strukturelemente berücksichtigt. Entlang der Tunnelspur wird dann in regelmässigen Abständen anhand der bis dahin bekannten Felstemperaturen die Bandbreite der möglichen Wasserzuflussszenarien berechnet. Diese prognostizierten Szenarien werden mit den tatsächlich gemessenen Werten verglichen

Short description (English)

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). Principally this allows to characterize to some extent the hydrogeological conditions by rock temperatures measured along the excavated tunnel. Within the research project FGU2003-003 it has been demonstrated that the order of magnitude of the water inflow to be expected can be evaluated by interpretation of measured rock temperaturs in the tunnel. This evaluation has been carried out on purely theoretical basis using a standardised model of a rock mass. Now this methode of prediction ahead shall be tested with data for temperature and water inflow measured during the advance of the Lötschberg-Basistunnel. Following the principal procedure of the method a three-dimensional FE-model of the region must be build up in a first step. The model has to include the topography and all the principal, thermal relevant units. In a second step the prediction of the range of possible water inflow following the tunnel trace in constant steps will be carried out using the masured rock tempratures. These scenarios of water inflows will be finally compared with the corresponding measured values

Project description (German)

vgl. Anhang FGU 2005/001.

Methods (German)

Bei den Berechnungen handelt es sich grundsätzlich um dreidimensionale FE-Modellierungen mit dem Programm FRACTure der GEOWATT AG. Dabei wird für die Erstellung der verschiedenen wasserführenden Störzonen der im Rahmen des Forschungsprojektes FGU2003-003 optimierte automatische Modellgenerator eingesetzt.

Special tools and infrastructure (German)

Keine.

Overview of own research activities (German)

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. Im November 2004 wurde der Schlussbericht des Forschungsprojektes FGU2003-003 von der Begleitkommission akzeptiert und liegt als Forschungsbericht 1085 vor.

Referenzen: vgl. unten.

Project aims (German)

Im Rahmen des Forschungsprojektes FGU2003-003 wurde auf theoretischer Basis aufgezeigt, dass die Grössenordnung des möglichen Wassereinbruchs in den nachfolgenden Tunnelabschnitt aufgrund einer numerischen Interpretation von gemessenen Tunnelfelstemperaturen ermittelt werden kann. Die Evaluation dieser Vorauserkundungsmethodik erfolgte anhand eines einfachen Gebirgsmodells. Die Methodik soll nun mit den Daten für Felstemperaturen und Wasserzuflüsse, die während des Vortriebs des Lötschberg-Basistunnel gemessen wurden, getestet werden.

Project aims (English)

In the frame of the research project FGU2003-003 it has been demonstrated on theoretical basis that the order of magnitude of a possible water inflow into the tunnel can be determined by numerical interpretation of measured rock temperatures. The evaluation of this method of prediction ahead has been carried out with a simple model. Now the method shall be tested with real data for rock temperature and water inflows measured during the advance of the Lötschberg-Basistunnel.

Research agenda (German)

vgl. Anhang FGU2005/001

Phase 1: Aufbereitung der Messdaten

Phase 2: Erstellung des 3D-FE-Modell des Gebietes des Lötschberg-Basistunnels und Kalibration

Phase 3: Berechnung der Wassereinbruchs-Szenarien

Phase 4: Auswertung

Transfer and application (German)

Zeigt der Testeinsatz mit den Daten des Lötschberg-Basistunnels dass die Methodik grundsätzlich einsetzbar und für den Vortrieb vorteilhaft ist, kann die Methodik beim Vortrieb des Gotthard-Basistunnels eingesetzt werden.

Berichtsnummer (German)

1260

Literature (German)

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

5. Schlussbericht FGU2003-003 (Forschungsbericht Nr. 1085)