Coupled hydromechanical modelling of surface subsidence in crystalline rock masses due to tunnel drainage

ABSTRACT: Settlements above fractured crystalline rock masses are rarely observed and in the past, geotechnical engineers would not expect substantial subsidence to occur in association with a deep tunnelling project. However, recent high precision levelling measurements along the Gotthard pass road in central Switzerland, have revealed up to 12 cm of subsidence along sections that pass several hundred metres above the Gotthard highway tunnel. Large-scale consolidation resulting from tunnel drainage and pore pressure changes in the rock mass are believed to be the contributing mechanism. This paper presents results from an extensive numerical modelling study focussing on the processes responsible for this subsidence. Results derived from 2-D discontinuum (i.e. distinct-element) and continuum (i.e. finite-element) modelling show that both discrete fracture deformation (i.e. fracture closure and shear) and poro-elastic consolidation of the intact rock matrix equally contribute to the observed magnitudes and shape of the surface subsidence trough. RÉSUMÉ: Des tassements aux dessus de massifs cristallins sont rarement observés et par le passé les géotechniciens ne prévoyait pas de subsidence significative associée avec des projets de tunnel profond. Cependant, de récentes campagnes de nivellement haute précision le long de la route du Col du Gotthard (Suisse centrale), ont mis en évidence des subsidences atteignant 12 cm sur des sections passant plusieurs centaines de mètres au-dessus du tunnel routier du Gotthard. Le mécanisme invoqué pour expliquer ce phénomène est la consolidation à grande échelle due au drainage du tunnel et aux variations de pression de pore dans le massif rocheux. Cet article présente les résultats d’une modélisation numérique intensive mettant l’accent sur les processus responsables pour la subsidence. Ces résultats obtenus grâce à des modèles 2-D discontinus (p. ex. éléments distincts) et continus (p. ex. éléments finis) montrent que la déformation sur des fractures discrètes (fermeture de fractures, cisaillement) ainsi que la consolidation poro-élastique de la roche intacte contribuent également aux magnitudes et aux géométries de subsidence observée en surface. ZUSAMMENFASSUNG: Beachtliche Oberflächensenkungen in einem kristallinen Gebirge, deren Ursache im Vortrieb eines mehrere hundert Meter tiefgelegenen Tunnels liegt, wurden bisher nicht erwartet und beobachtet. Dennoch wurden nach dem Bau des Gotthardstrassentunnels, entlang der Gotthardpassstrasse Oberflächensenkungen mit einem Maximalbetrag von 12 cm bei der Auswertung von Präzisions-Nivellements entdeckt. Dieser Maximalbetrag wurde in einem granitischen Gneis gemessen. Die örtliche Übereinstimmung zwischen dem maximalem Senkungsbetrag und dem maximalem Wasserzufluss zum Tunnel, und die zeitliche Abfolge von Tunnelbau und auftretenden Oberflächensenkungen lassen hydromechanisch gekoppelte Prozesse als Ursache dieser Gebirgsverformungen vermuten. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse ausgedehnter prozessorientierter numerischer Simulationen präsentiert. Resultate aus den 2-D Diskontinuum (d.h. distinct-element) und Kontinuum (d.h. finite element) Simulationen zeigen, dass beide Verformungsmechanismen, d.h. an diskreten Brüchen und der intakten Gesteinsmatrix, gleichbedeutend für die beobachteten Senkungsbeträge und der Form des Setzungstroges verantwortlich sind.