Optimization of grouting material by the analytic hierarchy process

Abstract

Groundwater ingress can cause a wide range of problems in an underground rock space throughout the construction phase and during the usage of the space. Rock grouting is one of the most common methods in waterproofing underground spaces. The grouting design of a space includes the selection of the grouting materials to be used. Traditionally, the material selection is based on previous experiences in similar projects and environments. The main objective of this thesis was to experiment the suitability of a new systematical method for the grouting material selection. The method tested for this purpose is called the Analytic Hierarchy Process (AHP), which belongs to the group of multi-criteria decision-making (MCDM) tools.

This study consists of two main parts, a literature review and a case study of a shaft excavation project at Kittilä mine. In the first part of the thesis different grouting materials were explored and the most critical factors, i.e. execution of grouting work, costs and schedule, and environmental conditions, affecting the grouting material selection were determined. This knowledge was then used to implement the AHP methodology into grouting material selection and a basic hierarchy for grouting material selection with AHP was created. The AHP method was then tested in the second part of the thesis, the case study, by determining the most optimized grouting material alternative for the Kittilä shaft project. The three phases - decomposition, comparison and synthesis - of the AHP analysis were conducted. In the decomposition phase the developed hierarchy was modified into Kittilä shaft project needs and requirements. In the comparison phase the material options were compared pairwise in comparison matrices at the lowest level of the hierarchy and relative importance of the selected criteria was established. Material alternatives in the analysis were micro-cement and standard cement, and modern-day chemical grouts: polyurethane, colloidal silica and acrylics. As a result, in the synthesis phase of the analysis, the alternative grouting materials were ranked numerically by their suitability to the underground rock construction project in question. The most suitable material according to the AHP analysis for Kittilä shaft project was micro-cement.

In conclusion, the AHP can be successfully implemented into grouting material selection. However, the analysis can only suggest for the most suitable material for grouting, and as such cannot guarantee a successful grouting outcome. The AHP analysis can only compare the selected material options according to the criteria used in the analysis. The results from the analysis must be critically analyzed, since simplifications are often needed in the analysis process. It is suggested that the AHP analysis can be used as a supporting tool in design to systematically compare grouting material alternatives and to provide transparency in a complex decision-making process.

Pohjaveden vuoto maanalaiseen kalliotilaan voi aiheuttaa monenlaisia ongelmia niin rakennusvaiheessa kuin myöhemminkin tilan käytön aikana. Kallioinjektointi on yksi yleisimmistä käytännöistä maanalaisen tilan vedeneristämisessä. Injektointisuunnittelu sisältää muun muassa käytettävien injektointiaineiden valinnan. Perinteisesti aineen valinta perustuu usein kokemusperäiseen tietoon vastaavista projekteista samankaltaisissa ympäristöolosuhteissa. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli testata uudenlaisen systemaattisen menetelmän toimivuutta injektointiaineen valintaan. Tätä testattua menetelmää kutsutaan analyyttiseksi hierarkiaprosessiksi (AHP), joka kuuluu monikriteeristen päätöksenteko (MCDM) -työkalujen ryhmään.

Tämä tutkimus koostuu kahdesta pääosasta, kirjallisuuskatsauksesta ja Kittilän kaivoksen kuiluprojektin tapaustutkimuksesta. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa selvitettiin erilaisia injektointimateriaalivaihtoehtoja ja määritettiin tärkeimmät materiaalivalinnan kriteerit kuten injektointityön suoritus, hinta ja aikataulu sekä ympäristöolosuhteet. Sitten kerättyä tietoa käytettiin AHP-menetelmän soveltamisessa injektointiaineen valintaan ja luotiin menetelmään tarvittava hierarkia aineenvalinnalle. Tämän jälkeen tutkimuksen jälkimmäisessä osassa, tapaustutkimuksessa, AHP-menetelmää testattiin injektointiaineen valintaan Kittilän kuiluprojektissa ja AHP-analyysin kolme vaihetta – jaottelu, vertailu ja synteesi - suoritettiin. Jaotteluvaiheessa aineenvalinnalle luotu hierarkia muokattiin Kittilän kuiluprojektin tarpeiden ja vaatimusten mukaiseksi. AHP-menetelmän vertailuvaiheessa injektointimateriaalivaihtoehtoja vertailtiin pareittain matriiseissa hierarkian alimmalla tasolla ja määritettiin suhteelliset tärkeydet käytetylle kriteeristölle. AHP-analyysissä vertailtavat materiaalit olivat mikrosementti, yleissementti, ja nykyajan kemialliset injektointiaineet: polyuretaani, kolloidinen silika ja akryyli. Analyysin synteesivaiheessa eli tutkimuksen tuloksena vertailtavat injektointiaineet saivat numeraalisen paremmuusjärjestyksen niiden soveltuvuuden mukaan kyseiseen tapaustutkimuksen kohteena olevaan kallioprojektiin. AHP-analyysin mukaan soveltuvin injektointiaine Kittilän kuiluprojektiin olisi mikrosementti.

Tutkimuksen lopputuloksena voidaan todeta, että AHP-menetelmää voidaan onnistuneesti soveltaa injektointiaineen valintaan. AHP-analyysin tuloksena syntyy ehdotus aineenvalinnasta eli valitun aineen käyttö ei kuitenkaan takaa onnistunutta injektointia kohteessa. AHP:n avulla voidaan vain vertailla tutkimukseen valittuja materiaaleja keskenään niillä kriteereillä, joita vertailuvaiheessa on käytetty. Analyysin tuloksia pitää myös tarkastella kriittisesti, koska prosessin aikana voidaan joutua tekemään yksinkertaistuksia. Tutkimuksen perusteella ehdotetaan, että AHP-analyysiä voidaan käyttää suunnittelun apuvälineenä päätöksentekoprosessin tukena.