JOURNAL OF ROCK MECHANICS

JOURNAL OF ROCK MECHANICS

Assessment of Empirical and Analytical Methods for the Estimation of Water Intake into the Section 2 of Zagros Tunnel, Kermanshah, West Iran

Document Type : Original Article

Authors
1 staff at shahid beheshti university
2 postdoc researcher at shahid Beheshti university
3 Staff at shahid Beheshti university
4 enginner
Abstract
Presence of groundwater flow and surface water flow are among negative factors in construction of underground tunnels. Determining of the groundwater inflow rates into the tunnel is necessary for confronting of environmental problems and decreasing the risk of tunnel instabilities and falling. In this paper, the amount of inflow waters into the section 2 of Zagros tunnel, West Iran, have been estimated using analytical and Empirical methods. The results compared to the measured actual data of inflow water into the tunnel in different sections by consideration the abilities of the methods in prediction. It was revealed that the confidences of analytical and empirical methods are 14% and 69%, respectively. The results show that the hydraulic conductivities of the rock masses, as one of the key parameter in these methods, has an enormous effect on the accuracy of the predictions. Geological condition, hydrogeological properties of faulted and fractured zones, and the type of hydraulic conductivity test procedure could be caused to obtaining the incorrect hydraulic conductivity values and unreliable prediction of water inflow to the tunnel. The high ambiguities appear in fractured zones and cavities with high hydraulic conductivities.
Keywords
Subjects

[1]  Zimmerman, R.W., Bodvarsson, G.S. (1996). Hydraulic conductivity of rock fractures Transport in Porous Media, vol. 23, 1–30.
[2]  Zarei, H.R., Uromeihy, A., Sharifzadeh, M. (2011). Evaluation of high local groundwater inflow to a rock tunnel by characterization of geological features. Journal of Tunneling and Underground Space Technology. Vol. 26, 364–373. DOI: 10.1016/j.tust.2012.09.005. 
[3]   Goodman, R.E., Moye, D.G., Van Schalkwyk, A., & Javandel, I. (1965). Groundwater Inflows During Tunnel Driving. Engineering Geology, vol. 1, 39-56.
[4]   Freeze, R.A., Cherry, J .A. (1979(. Groundwater. Englewood Cliffs, NJ: Pretic Hall, vol. 3, 488-491.
[5]  Lei, S. (1999). An Analytical Solution for Steady Flow In to a Tunnel, Groundwater, vol.37, 23-26. DOI: 10.1111/j.1745-6584.1999.tb00953.x.
[6] Karlsrud, K. (2001). Water Control When Tunneling Under Urban Areas In The Oslo Region. vol. 12, 12-33.
[7]  El Tani, M. (1999). Water Inflow In To Tunnels. Proceedings of the World Tunnel Congress ITA-AITES 1999, Oslo, 61–70, Balkema.
[8]   El Tani, M. (2003). Circular tunnel in a semi- infinit aquifer. Journal of Tunneling and Underground Space Technology, vol. 18, 49-55. DOI: 10.1016/S0886-7798(02)00102-5.
[9]  Lumbardi. (2002). Private Communication with El Tani.
[10]  Heuer, R.E. (1995). Estimating Rock Tunnel Water Inflow. Proceeding of the rapid excavation and tunneling conference. 41-60. ISSN: 10459065.
[11]   زارعی، ح.، ارومیه‌ای، ع.، و شریف‌زاده، م. )1388(. پیش‌بینی ورود آب زیرزمینی به درون تونل‌های سنگی با روش‌های تجربی و تحلیلی و مقایسه آن با مقادیر اندازه‌گیری شده (مطالعه موردی تونل سمنان). مجموعه مقالات هشتمین کنفرانس تونل، دانشگاه تربیت مدرس.
[12]   ناصری، ح.ر.، بیات، ن.، ایزدی­کیان، ل.، و علیجانی، ف. (1396). نقش ساختارهای تکتونیکی در هدایت آب‌های زیرزمینی به قطعه دوم تونل انتقال آب زاگرس استان کرمانشاه، فصلنامه زمین شناسی ایران. سال11. شماره 45، بهار 1397.
[13]           Li, Z., Li, J., Wan, J., Xiao, J., Feng, H., & Zhan, H. (2024). A dynamic modeling approach to predict water inflow during tunnel excavation in relatively uniform rock masses. Tunnelling and Underground Space Technology, 146, 105668. https://doi.org/10.1016/j.tust.2024.105668.
[14]           Liu, H. B. (2023). Semi-empirical models for predicting stable water inflow and influence radius under non-Darcian flow regime. Journal of Journal of Hydrology. Vol 624 (129574). https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129574.
[15]           Yao, X., et al. (2025). Intelligent prediction of tunnel water inflow in complex geological environments. Tunnelling and Underground Space Technology. Vol 166 (106997). https://doi.org/10.1016/j.tust.2025.106997.
[16]             رضایی، س، سحابی، ف و معماریان، ح. (1391). بررسی منشا تولید H2S در تونل نوسود) غرب کرمانشاه). نشریه علمی پژوهشی مهندسی معدن، دوره هفتم، شماره پانزدهم.
[17]  Fernandez, G., Moon, J. (2010). Excavation-induced hydraulic conductivity reduction around a tunnel – part 1: Guideline for estimate of groundwater inflow rate. Journal of Tunneling and Underground Space Technology. vol. 25, 560-566. DOI: 10.1016/j.tust.2010.04.001.
[18]  Palmstrom, A., Stille, H. (2007). Ground behavior and rock engineering tools for underground excavations. Journal of Tunneling and Underground Space Technology. vol 22, 363–376. DOI: 10.1016/j.jrmge.2014.04.003.
[19]              موسسه مهندسین مشاور ایمن سازان. (1385). گزارش زمین­شناسی تکمیلی، هیدروکلیماتولوژی، هیدروژئولوژی، آماربرداری ادواری گمانه­ها، منابع آب زیرزمینی و ازبیلت دبی ورودی به تونل انتقال آب زاگرس.
[20]            مهندسین مشاور لار. (1383). گزارش مطالعات ژئوتکنیک و لاگ های گمانه های حفاری قطعه دوم تونل نوسود.
[21]            موسسه مهندسین مشاور ایمن سازان. (1385). گزارش زمین­شناسی و مقطع طولی مسیر قطعه دوم تونل زاگرس.
[22]            طاهری، د.، افتخاری، ع.، و خانی، م. ر. (1385). ارزیابی میزان آب ورودی و لزوم اجرای آب‌بندی قطعه دوم تونل زاگرس"، دومین همایش انجمن زمین­شناسی ایران، دانشگاه تربیت مدرس.
[23]             شرکت ملی نفت ایران. (1388). نقشه زمین‌شناسی باینگان با مقیاس 1:100000.
[24]            شرکت ملی نفت ایران. (1388). نقشه زمین‌شناسی قصر شیرین با مقیاس1:100000.
[25]           AFTES Working Group. (1989). Recommendations for The Treatment of Water Inflows and Outflows in Operated Underground Structures. Tunnelling and Underground Space Technology, vol 4, 343-407. DOI: 10.1016/0886-7798(89)90084-9. 
[26]           Cesano, D., Bagtzoglou, A. C., Olofsson, B. (2003). Quantifying Fractured Rock Hydraulic Heterogeneity and Groundwater Inflow Prediction in Underground Excavations: The Heterogeneity Index. Tunnelling and underground space technology, vol 18, 19-34. DOI: 10.1016/S0886-7798(02)00098-6.
[27]           Park, K. H., Owatsiriwong, A., Lee, J. G. (2008). Analytical Solution for Steady-State Groundwater InfloW into a Drained Circular Tunnel in a Semi-Infinite Aquifer: A Revisit. Tunneling and Underground Space Technology. vol 23, 206-209. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tust.2007.02.004:.
[28]           Bayat, N., Sadeghi, E. Nassery, H.R. (2024). Evaluating the characteristics of geological structures in karst groundwater inflow, Nowsud Tunnel. J. Mt. Sci. 21, 3434–3452. https://doi.org/10.1007/s11629-024-8932-1
[29]            کتییبه، ه.، و عالی انوری، ع.، (۱۳۸۵). تخمین جریان نشت آب زیرزمینی به تونل انتقال آب قمرود توسط نرم افزارTunSeep، هفتمین کنفرانس تونل ایران، تهران، انجمن تونل ایران، دانشگاه شریف.
[30]  Liu, H.B., Zhou, J.Q., Li, C., Tan, J., Hou, D., 2023. Semi-empirical models for predicting stable water inflow and influence radius of a tunnel considering non-Darcian effect, Journal of Hydrology, 621, 129574, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129574.