A hydrogeological approach in urban underground infrastructures

Abstract

The competition for space in urban areas due to an exponential growth of population makes derground engineering plays a crucial role in the development of cities. Urban underground infrastructures deal with variables such as cost, duration, safety, and management; faces political, social, economic and environmental issues; and guarantees future sustainability, maintenance, and energy efficiency. To do so, all these concepts and variables must be kept in mind during the whole construction process: (I) project design, (II) project construction and (III) project exploitation. This thesis aims to demonstrate how the construction cycle deals with the various impacts produced by the interaction of underground constructions with groundwater at each stage of the process, with a view to providing improved processes. During the project design previous data is collected, new data is generated, created and processed, helping to understand the context and to design the infrastructure. There are very advanced tools to store and process hydrogeological data, but most of these tools are not common in infrastructure projects. Often most of the constructions only perform the minimum legal requirement to characterize the ground: a pumping test. Therefore, there is a need to provide the constructors with a set of methods and tools to allow them to increase the quality of their hydrogeological analysis, which will allow early detection problems associated with the groundwater.

The interaction of underground constructions with groundwater generates impacts. These impacts can usually be minimized by using mitigation measures. The most common impacts caused by underground constructions are the groundwater barrier effect and the groundwater pressure distribution and limitation under the bottom slab. In the literature there are many examples and designs to mitigate both groundwater barrier effect and groundwater pressure distribution impacts. However, there is no design that integrates both solutions. This thesis presents an innovative groundwater by-pass design that enables the groundwater to flow through the structure and provide a homogenous distribution of the water pressure under the bottom slab. The new integrated design was applied to the largest underground infrastructure of Barcelona: La Sagrera railway station. A hydrogeological model was implemented to test the original and the integrated designs in three different scenarios. This new solution mitigates the groundwater barrier effect and optimizes the bottom slab, considerably reducing the costs and increasing safety during the construction phase.

Monitoring is required when dewatering underground constructions in order to anticipate unexpected events and preserve nearby existing structures. The most accurate and spread monitoring method to measure displacements is levelling, a pointlike surveying technique that typically allows for tens of discrete in-situ sub-millimetric measurements per squared kilometer. Another emerging technique for mapping soil deformation is the Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), which is based on SAR images acquired from orbiting satellites or by ground-based stations (GB-SAR). This remote sensing technique can provide better spatial point density than levelling, more extensive spatial coverage and cheaper acquisitions. Both satellite and ground-based SAR systems have been used and tested in a variety of analyses. However, nobody has applied this technology as a monitoring tool during construction works yet. This thesis contributes to data storing and data analysis software that implies new and significant method developments for increasing the quality of the hydrogeological analysis; it provides new approaches to address the groundwater corrective measures definition during the design stage, and it develops and applies new methods of nfrastructure monitoring using ground-based and satellite SAR sensors during the construction stage.

Degut al creixement exponencial de la població i tenint en compte que l'espai dins les àrees urbanes és finit és, necessari la construcció d'infraestructures subterrànies. Variables com el cost, la durada, la seguretat i la gestió; els problemes polítics, socials, econòmics i ambientals; garantir la sostenibilitat futura, el manteniment i l'eficiència energètica, han d'estar presents durant totes les fases del procés constructiu: (I) fase de disseny, (II) fase de construcció, i (III) fase d'explotació. Les construccions subterrànies interactuen amb el medi subterrani, el resultat de la interacció són uns impactes en la construcció i en el medi ambient. Tots aquests impactes són avaluats al llarg del procés constructiu per tal de ser corregits o minimitzats. L'objectiu principal d'aquesta tesi és conèixer com s'avaluen els diferents impactes a cadascuna de les fas es del procés constructiu per poder així proposar millores. Durant el disseny del projecte i per tal d'entendre el context i el disseny de la infraestructura es recullen dades històriques i es generen noves dades . L'ús de la majoria d'eines hidrogeològiques no és habitual en els projectes d'infraestructures ja que la majoria caracteritzen el terreny amb una prova de bombament. Per tant, és necessari proporcionar als constructors un conjunt de mètodes i d'eines que permetin augmentar la qualitat dels seus anàlisis, per augmentar així la detecció primerenca de problemes associats a les aigües subterrànies. Els impactes produïts per la interacció de les construccions subterrànies amb les aigües subterrànies es poden minimitzar mitjançant l'ús de mesures de mitigació. Els impactes més comuns causats per construccions subterrànies són l'efecte barrera i la distribució i limitació de subpressions sota la llosa de fons. A la literatura hi ha molts dissenys que permeten mitigar l'efecte barrera i millorar la distribució de les subpressions, però no hi ha cap disseny que integri les dues solucions. Aquesta tesi presenta un disseny innovador per bypassar les aigües subterrànies a través de l'estructura proporcionant una distribució homogènia de les subpressions sota la llosa de fons. Aquesta nova solució minimitza l'efecte barrera de les aigües subterrànies i optimitza la llosa de fons, reduint considerablement els costos i augmentant la seguretat durant la fase de construcció. Quan una construcció rebaixa el nivell freàtic cal auscultar els nivells i la deformació del terreny per tal d'anticipar esdeveniments inesperats i preservar les estructures properes existents. El mètode actual més utilitzat per mesurar desplaçaments és l'anivellament, que permet avaluar in situ desenes de punts discrets amb una precisi ó submil·limètrica. Una tècnica emergent és el Radar d'Obertura Sintètica Interferomètrica (InSAR), que es basa en imatges SAR adquirides des de satèl·lits en òrbita o bé des d'estacions al terra (GB-SAR). Aquesta tècnica de detecció remota proporciona una major cobertura espacial i més econòmica que els mètodes d'auscultació tradicionals. Tot i que la tecnologia SAR s'ha utilitzat i validat en una gran varietat d'anàlisis, ningú ha aplicat encara aquesta tecnologia com a eina d'auscultació durant la construcció d'infraestructures. Aquesta tesi contribueix a: (I) millorar l'emmagatzematge i processament de dades a través de nous desenvolupaments i mètodes que permeten augmentar la qualitat de l'anàlisi hidrogeològica; (II) oferir noves formes d'anàlisi per al disseny de mesures correctores durant l'etapa de disseny; i (III) desenvolupar i aplicar nous mètodes d'auscultació d'infraestructura a través de sensors SAR (terrestres i satèl·lit) durant la fase constructiva.

La limitación de espacio en áreas urbanas junto al crecimiento exponencial de la población, hace necesaria la construcción de infraestructuras subterráneas. Nuevos conceptos en planificación urbana junto con los avances tecnológicos en la construcción hacen posible la ejecución de infraestructuras más grandes y de más eficiencia. No obstante, variables tales como el coste, la duración, la seguridad y la gestión; los problemas políticos, sociales, económicos y ambientales; y garantizar la sostenibilidad futura, el mantenimiento y la eficiencia energética, hacen de esta ejecución un problema complejo. Por ello, todas estas variables deben estar presentes durante todo el proceso constructivo: (I) diseño del proyecto, (II) construcción del proyecto y (III) explotación del proyecto. Esta tesis tiene como objetivo principal saber cómo el ciclo constructivo (diseño del proyecto, construcción y explotación de proyectos) procesa las problemáticas inducidas por la interacción de las nuevas infraestructuras subterráneas urbanas con las aguas subterráneas para luego mejorarlo. Durante el diseño del proyecto (fase I) se recogen los datos históricos, se generan nuevos datos (pozos, pruebas de campo, muestras químicas ...) y se procesa conjuntamente, lo que ayuda a entender el contexto y el diseño de la infraestructura. Existen herramientas muy avanzadas para almacenar y procesar información geológica, hidroquímica e hidrogeológica, aunque la mayoría de estas herramientas no son comunes en los proyectos de infraestructuras subterráneas ya que es común que la mayoría de las construcciones sólo se realice una prueba de bombeo para caracterizar el subsuelo. Por lo tanto, hay una necesidad de proporcionar un conjunto de métodos y de herramientas a los constructores para que puedan aumentar la calidad de su análisis (como pruebas de bombeo), para aumentar así la detección temprana de problemas asociados a las aguas subterráneas. La interacción de las construcciones subterráneas con las aguas subterráneas genera impactos. Estos impactos generalmente pueden minimizarse mediante el uso de medidas correctoras. Los impactos más comunes causados por las construcciones subterráneas son el efecto barrera (impacto en las aguas subterráneas) y la distribución y limitación de subpresiones bajo la losa de fondo (impacto en la construcción subterránea). En la literatura hay muchos ejemplos de diseños para mitigar tanto el efecto barrera y como para mejorar la distribución de las subpresiones bajo la losa de fondo. Sin embargo, no hay ningún diseño que integre ambas soluciones. Es ilógico diseñar una medida correctora sin tener en cuenta todos los factores que intervienen en el problema. Esta tesis presenta un diseño innovador de by-pass para las aguas subterráneas que permite el flujo de agua subterránea a través de la estructura a la vez que proporciona una distribución homogénea de las subpresiones bajo la losa de fondo. El nuevo diseño se ha aplicado en la infraestructura subterránea más grande de Barcelona: la futura estación de tren de La Sagrera. Se ha realizado un modelo hidrogeológico para probar los nuevos diseños en tres escenarios diferentes. Esta nueva solución mitiga el efecto barrera de las aguas subterráneas y optimiza la losa de fondo, lo que reduce considerablemente los costes y aumenta la seguridad durante la fase de construcción. Durante la construcción (fase II) se genera una gran cantidad de nuevos datos. Es necesario auscultar los niveles y la deformación del terreno cuando una construcción rebaja el freático con el fin de anticiparse a acontecimientos inesperados y a preservar las estructuras y / o edificios cercanos existentes. El método actual más usado para medir desplazamientos en el terreno es la nivelación, una técnica que permite evaluar in situ decenas de puntos discretos con una precisión sub-milimétrica. Una técnica emergente para medir la deformación del suelo es el Radar de Apertura Sintética Interferométrica (InSAR), que se basa en imágenes SAR adquiridas o bien desde satélites en órbita o bien desde estaciones en tierra (GB-SAR). Esta técnica de detección remota proporciona una mayor cobertura espacial y más barata que los métodos de auscultación tradicionales. Aunque la tecnología SAR se ha utilizado y validado en una gran variedad de análisis, nadie ha aplicado esta tecnología como una herramienta de auscultación durante la construcción de infraestructuras. Esta tesis contribuye a mejorar el almacenamiento y tratamiento de datos a través de nuevos desarrollos y métodos que permiten aumentar la calidad del análisis hidrogeológico; ofrece nuevas formas de análisis para el diseño de medidas correctoras durante la etapa de diseño; y desarrolla y aplica nuevos métodos de auscultación de infraestructura a través de sensores SAR (terrestres y satélite) durante la fase constructiva