Swelling inhibitors for anhydritic claystones

• Research unit: FEDRO RBT
• Project number: FGU2012/001

Key words (German)

Anhydritführende Tonsteine, Quell Inhibitoren, Bohrspülungen, Tunnelsohle hieven

Key words (English)

Anhydritic claystones, swelling inhibitors, drilling fluids, tunnel floor heave

Short description (German)

Anhydritische Tonsteine sind Felsen, die aus einer Tonmatrix bestehen, welche fein verteilte Anhydrite enthält. Diese sind in der Schweiz weitverbreitet und führen zu erheblichen Schäden in Tunneln, welche durch diese gebaut wurden. Die Ursache beruht auf der Wechselwirkung mit Wasser, bei der Expansionskräfte innerhalb des Felsens freigesetzt werden. Diese sind entweder auf das Quellen der Tonmineralien oder auf die Umwandlung von Anhydrit zu Gips (ATG) zurückzuführen.
In diesem Projekt wird eine neuartige Problemlösung untersucht, die darin besteht, Quellinhibitoren für Ton zu verwenden, die in der Erdölindustrie schon weit verbreitet sind. Falls dies erfolgreich wäre, würde dies zur Entwicklung neuer Bohrflüssigkeiten für den konventionellen Tunnelbau führen. Solche Inhibitoren könnten in den Fällen angewendet werden, bei denen während des Tunnelbaus oder bei der Instandhaltung, infolge des starken Quellens von Ton (z.B. Chienberg-Tunnel), Probleme in Tunneln auftreten.
Die Besonderheit unseres Lösungsansatzes liegt in einer neuen Strategie, dass die Expansionskräfte aus der Anhydrit-Umwandlung und dem Quellen des Tons im wirklichen Felsen entkoppelt. Dies ermöglicht eine Quantifizierung des Tonquellens, der ATG und des Nutzens von Quellinhibitoren. Er umfasst zudem wichtige und ergänzende Informationen zum laufenden Projekt SNF200021_126717/1 - FGU 2010/007.

Short description (English)

Anhydritic claystones are rocks consisting of clay matrix that contains finely distributed anhydrite. They are widely distributed in Switzerland and cause serious damages in tunnels going through them. This comes from the interaction with water, causing expansive forces within the rocks. These may result either from the swelling of clay minerals or the transformation of anhydrite to gypsum (ATG).
This project will explore a novel solution to this problem that consists in using clay-swelling inhibitors, something that is already wide spread in the oil well industry. If successful, it would lead to the formulation of new drilling fluids for conventional tunneling. Such inhibitors could be tried in cases where high rate of swelling, most probably due to clays (e.g. Chienberg tunnel), pose problems in tunnels either in construction or in service.
The originality of our approach lies in a new strategy to decouple the expansive forces coming from anhydrite conversion and clay swelling in real rocks. This will enable a quantification of clay swelling, ATG and the benefit of swelling inhibitors. It will also bring important and complementary information to the ongoing project SNF200021_126717/1 - FGU 2010/007.

Project aims (German)

Das Hauptziel dieses Projektes ist es, Inhibitoren für das Quellen von anhydrithaltige Tonsteinen zu finden, die eventuell den im Tunnelbau verwendeten Flüssigkeiten zugesetzt werden können;  z.B. Flüssigkeiten zum Bohren von Bohrlöcher für Sprengungen oder für Ankerinstallationen.
Dazu muss eine neue Herangehensweise hinsichtlich des Quellverhaltens von anhydritischem Tonsteinen gefunden werden, welche die Einwirkung des Tonquellens und die der Anhydrit-Gips-Umwandlung separat betrachtet.
Es soll eine neue Methode zur Produktherstellung entwickelt werden, die einen Beitrag zur Reduzierung von Langzeitproblemen infolge Tunnelhebung durch anhydritischer Tonsteine leistet.

Project aims (English)

The main objective of this project is to determine clay-swelling inhibitors that may be incorporated in fluids used in tunneling (e.g. fluids used when drilling boreholes for blast operations or for bolt installation).
To do this we must establish a novel approach to the swelling behavior of anhydritic claystones that separates the contributions from clay swelling and from anhydrite to gypsum transformation.
It should provide a new methodology for formulating products that can contribute to reducing the long-standing problems of tunnel heave in anhydritic claystones.

Berichtsnummer (German)

1625