Geomechanics and Tunnelling 01/2014 Free Sample Copy by Ernst & Sohn

Volume 7 February 2014 ISSN 1865-7362

Geomechanics and Tunnelling Geomechanik und Tunnelbau

EPB Tunnelling

- Multi-mode tunnel boring machines - Application of EPB shields in difficult ground conditions - TBM and spoil treatment selection process - Hybrid EPB tunnelling - Real-time process controlling - Interaction platform for mechanised tunnelling - Determining soil abrasiveness

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Content

Das Titelbild zeigt einen Anfahrtschacht für das Großprojekt Klang Valley MRT in Kuala Lumpur, Malaysia. Bei diesem Projekt kommen sechs Variable-Density-Maschinen zum Einsatz. Diese Maschine können sowohl in der flüssiggestützten Betriebsart unter Einsatz eines Druckluftpolsters zur Stützdrucksteuerung als auch in der erddruckgestützten Betriebsart unter Verwendung der Austragsvolumenkontrolle zur Stützdrucksteuerung betrieben werden (siehe Seite 18–30). The cover shows the launching pit of the Klang Valley MR project in Kuala Lumpur, Malaysia, where six Variable Density Machines come into operation. These machines can be operated both in slurry mode using an air bubble system for face pressure control and in EPB mode using muck volume control for face pressure control (see page 18–30).

Geomechanics and Tunnelling 1

Editorial 2

Ulrich Maidl EPB shields are once more gaining ground against hydroshields Erddruckschilde gewinnen gegenüber den Hydroschilden weiter an Boden

Interview 14

High innovation potential for mechanised tunnelling Hohes Innovationspotenzial für den maschinellen Tunnelbau

Werner Burger Multi-mode tunnel boring machines Multi-Mode Tunnelvortriebsmaschinen

Mario Galli, Markus Thewes Investigations for the application of EPB shields in difficult ground conditions Untersuchungen für den Einsatz von Erddruckschilden in schwierigem Baugrund

Rainer Rengshausen, Riku Tauriainen, Andreas Raedle TBM and spoil treatment selection process – case history Crossrail C310 Thames Tunnel

Ulrich Maidl, Julio C. D. D. Pierri Innovative hybrid EPB tunnelling in Rio de Janeiro

Ulrich Maidl, Janosch Stascheit Real-time process controlling of EPB shields Echtzeit-Prozesscontrolling bei Erddruckschilden

Steffen Schindler, Felix Hegemann, Abdullah Alsahly, Thomas Barciaga, Mario Galli, Karlheinz Lehner, Christian Koch An interaction platform for mechanized tunnelling Eine Interaktionsplattform für maschinelle Tunnelvortriebe

Jan Düllmann, Michael Alber, Ralf J. Plinninger Determining soil abrasiveness by use of index tests versus using intrinsic soil parameters Bewertung der Abrasivität von Lockergestein mit Indexverfahren und herkömmlichen Bodenkennwerten

Topics

Volume 7 February 2014 • No 1 ISSN 1865-7362 (print) ISSN 1865-7389 (online) Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG www.ernst-und-sohn.de Editor

Wiley InterScience is now Wiley OnlineLibrary

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Rubrics News People Diary of Events

Bautechnik 81 (2004), Heft 1

Editorial

EPB shields are once more gaining ground against hydroshields Erddruckschilde gewinnen gegenüber den Hydroschilden weiter an Boden Most tunnels worldwide are now being driven by earth pressure balance machines with active face support. This has been made possible by technical innovations, for example in soil conditioning and muck conveyance. In particular foam conditioning has enabled the extension of the scope of application of EPB machines to coarsegrained soils below the groundwater table. The precision of the support pressure regulation is meanwhile comparable to slurry shields. One major advantage of EPB machines is the comparatively low investment costs, since the use of an EPB machine permits the saving of essential peripheral machinery such as a separation plant. This is an important consideration for the contractors, particularly for tunnels outside Europe. The technical risks remain as a disadvantage, particularly the heavy wear when the support pressure is high. When a lot of conditioning is needed, tipping can often be problematic due to environmental requirements. The exploitation of savings by sustainably recycling the spoil is becoming ever more significant, with the separation of the grain fractions into coarse material for recycling and fine material for preparation as conditioning agent being a particularly promising approach. The aim in the future should be to combine the advantages of EPB and slurry machines. At the moment, the high point of development is the combination of hydraulic, screw and belt conveyance systems with intelligent separation technology. New developments from the German market leader Herrenknecht are reported by Werner Burger, head designer of Herrenknecht AG. Professor Markus Thewes and Mario Galli relate the current state of knowledge at the Ruhr-University Bochum on the subject of soil conditioning. Rainer Rengshausen, Andreas Raedle and Riku Tauriainen describe the TBM selection process on the Crossrail project in London. The great technical challenges with the innovative hybrid machine in the sands of Rio de Janeiro are described by me, together with Julio do Pieri, Odebrecht.

Weltweit wird heute die Mehrzahl der Tunnelvortriebe mit aktiver Ortsbruststützung von Erddruckschilden aufgefahren. Ermöglicht wird dies durch technische Innovationen, v. a. bei der Bodenkonditionierung und Materialförderung. Insbesondere durch die Schaumkonditionierung gelang es, den Einsatzbereich der Erddruckschilde auch auf grobkörnige Böden unterhalb des Grundwasserspiegels auszuweiten. Mittlerweile ist die Genauigkeit der Stützdruckregelung vergleichbar mit dem Flüssigkeitsschild. Ein großer Vorteil der Erddruckschilde sind die vergleichsweise niedrigen Investitionskosten, da beim Erddruckschild wesentliche Peripheriegeräte, z. B. die Separieranlage, eingespart werden können. Dies ist insbesondere bei Vortrieben außerhalb Europas ein wichtiges Kriterium für die beteiligten Unternehmen. Nachteilig bleiben die technischen Risiken, insbesondere der hohe Verschleiß bei hohem Stützdruck. Bei hohem Konditionierungsaufwand erweist sich die Deponierung aufgrund umwelttechnischer Belange vielfach problematisch. Die Hebung von Einsparpotenzialen durch nachhaltige Aushubwiederverwertungskonzepte gewinnen zunehmend an Bedeutung. Vielversprechend ist hier insbesondere die Trennung der Kornfraktionen in wiederverwertbares Grobkorn und das für den Einsatz als Konditionierungsmittel aufbereitete Feinkorn. Das Ziel sollte sein, die Vorteile der Erddruck- und Flüssigkeitsschilde künftig zu bündeln. Gegenwärtiger Höhepunkt der Entwicklung ist die Kombination von hydraulischen, Schnecken- und Bandfördersystemen in Verbindung mit intelligenter Separationstechnik. Über weitere technische Neuentwicklungen des deutschen Marktführers Herrenknecht berichtet Werner Burger, Chefdesigner der Herrenknecht AG. Professor Markus Thewes und Mario Galli stellen die aktuellen Kenntnisse der Ruhr-Universität Bochum zum Thema Bodenkonditionierung vor. Rainer Rengshausen, Andreas Raedle und Riku Tauriainen beschreiben den TVM-Auswahlprozess beim „Crossrail“-Projekt in London. Die größten technischen Herausforderungen an die innovative Hybridmaschine in den Sanden von Rio de Janeiro werden von mir gemeinsam mit Julio do Pieri, Odebrecht, dargestellt. Mit Janosch Stascheit berichte ich auch über die technischen Steuerungsmöglichkeiten zur Optimierung des Bauablaufs von Erddruckschilden bei der Nutzung von „Big Data“-Konzepten und Cloud Computing. Steffen Schindler, Felix Hegemann, Abdullah Alsahly, Thomas

With Janosch Stascheit, I also report on the technical control methods for the optimisation of the construction process of EPB machines through the use of big data concepts and cloud computing. Steffen Schindler, Felix Hegemann, Abdullah Alsahly, Thomas Barciaga, Mario Galli, Christian Koch, and Karlheinz Lehner – a young research team from the Ruhr-University Bochum – present further IT methods for mechanised tunnelling. The last article from Jan Düllmann, Michael Alber and Ralf J. Plinninger discusses the evaluation of the abrasiveness of loose ground.

Barciaga, Mario Galli, Christian Koch, und Karlheinz Lehner – ein junges Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum – stellen weitere IT-Ansätze für den maschinellen Tunnelbau vor. Im letzten Aufsatz von Jan Düllmann, Michael Alber und Ralf J. Plinninger wird die Bewertung der Abrasivität von Lockergesteinen beleuchtet. Dr. Ulrich Maidl mtc – Maidl Tunnelconsultants

Dr. Ulrich Maidl mtc – Maidl Tunnelconsultants

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

News New pressure tunnel for the Bärenwerk hydropower station The Salzburg AG is modernising the Bärenwerk, which went into operation in 1924, to increase the output of the power station by almost a third to 14.96 MW. The operator will then be able to supply about 19,000 households with electricity from environmentally friendly hydropower. Measures for ecological upgrading are also being carried out. The dismantling of the old penstock pipeline will make new pasture available for local farmers. One of the most important measures is the construction of the new underground pressure tunnel with an excavated diameter of 3.83 m, for which the contractor Marti Tunelbau AG used a Herrenknecht gripper TBM. In about five and a half months, the TBM bored 2.8 km of tunnel through phyllitic shale, quartzite, calcareous mica schist and greenschist with banded limestone, achieving advance rates of up to 72 m/d or 322 m/week. The breakthrough occurred on 10 September 2013.

The Herrenknecht gripper TBM S-800 (∅ 3.8 m) with 1,400 kW drive for rapid advance in hard rock (photo: Herrenknecht AG) Die Herrenknecht-Gripper-TBM S-800 (∅ 3,8 m) mit 1.400-kW-Antrieb für schnelles Vorankommen im Hartgestein (Foto: Herrenknecht AG)

Neuer Druckstollen für Wasserkraftwerk Bärenwerk aufgefahren Die Salzburg AG modernisiert das 1924 erstmals in Betrieb genommene Bärenwerk und steigert die Leistung des Wasserkraftwerks um knapp ein Drittel auf 14,96 MW. Rund 19.000 Haushalte kann der Betreiber dann mit Strom aus umweltfreundlicher Wasserkraft versorgen. Zusätzlich werden Maßnahmen zur ökologischen Aufwertung durchgeführt.

Durch den Rückbau der alten Druckrohrleitungen stehen der örtlichen Landwirtschaft neue Weideflächen zur Verfügung. Zu den größten Maßnahmen zählt der Neubau eines unterirdischen Druckstollens mit einem Ausbruchdurchmesser von 3,83 m, für den die bauausführende Marti Tunnelbau AG eine Herren-

knecht Gripper-TBM einsetzte. In rund fünfeinhalb Monaten bohrte die TBM 2,8 km Stollen durch phylitischen Schiefer, Quarzit, Kalkglimmerschiefer und Grünschiefer mit Bänderkalk und erreichte dabei Vortriebsleistungen von bis zu 72 m/d bzw. 322 m/Woche. Am 10. September 2013 erfolgte schließlich der erfolgreiche Durchbruch.

Second tunnel breakthrough on the Schwäbisch Alb The tunnelling works of the Deutsche Bahn AG in the Albaufstieg (ascent) section of the new line from Wendlingen to Ulm are progressing quickly, and the second breakthrough could already be celebrated by the tunnellers on 17 December 2013. On the south drive, the tunnel section at Hohenstadt between the starting excavation at Pfaffenäcker and the cutting to the Hohenstadt portal, the bores for the future new line Stuttgart-Ulm were also broken through. The breakthrough of the other 430 m long bore for the future track UlmStuttgart had already taken place on 30 October 2013. Since the breakthrough in the summer, 2,946 m of tunnels have been driven at the Steinbühl Tunnel near Hohenstadt and from the intermediate starting point of the Boßler Tunnel at Umpfental near Gruibingen. Now the construction process has become famil-

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iar for all parties, advance rates of up to 8 m are possible. At the Boßler Tunnel, the main tunnel will be driven by the shotcrete method following completion of the in-

termediate starting point at Umpfental from about the end of February/start of March 2014. A tunnel boring machine should also be working from the Aichelberg portal next year.

Steinbühl Tunnel – second breakthrough (photo: Bahnprojekt Stuttgart–Ulm e.V.) Steinbühltunnel – zweiter Durchschlag (Foto: Bahnprojekt Stuttgart–Ulm e.V.)

News Zweiter Tunneldurchschlag auf der Schwäbischen Alb Die Arbeiten der Deutschen Bahn AG für den Tunnelbau im Projektabschnitt Albaufstieg der Neubaustrecke Wendlingen-Ulm gehen schnell voran. Am 17. Dezember 2013 wurde bereits der zweite Tunneldurchschlag auf der Schwäbischen Alb von den Mineuren gefeiert. Bei dem sogenannten Südvortrieb, dem Tunnelabschnitt bei Hohenstadt zwischen der Baugrube Pfaffenäcker und dem Geländeeinschnitt des Tunnelportals Hohenstadt wurde auch die Tunnelröhre, in der später das Neu-

baustreckengleis Stuttgart-Ulm verläuft, durchgeschlagen. Der Durchschlag der ebenfalls rund 430 m langen Röhre, durch die später das Gleis Ulm-Stuttgart führt, erfolgte bereits am 30. Oktober 2013. Seit dem Tunnelanschlag im Sommer konnten am Steinbühltunnel bei Hohenstadt sowie am Zwischenangriff Umpfental des Boßlertunnels bei Gruibingen 2.946 m bergmännische Tunnel aufgefahren werden. Nachdem sich die Bauabläufe zwischen allen Beteiligten einge-

spielt haben, sind tägliche Vortriebsleistungen von bis zu 8 m möglich. Beim Boßlertunnel wird nach Fertigstellung des Zwischenangriffs Umpfental ab etwa Ende Februar/Anfang März 2014 von dort der Vortrieb der Haupttunnel in Spritzbetonbauweise ausgeführt. Darüber hinaus ist für das nächste Jahr der Einsatz einer Tunnelbohrmaschine vom Portal Aichelberg aus geplant.

of new tunnels, including the access tunnel, the diversion tunnel for the Padasterbach stream and continued work at the landfill site in the Padastertal valley. The works will last four year

with a contract volume of 104 million Euro; the contractor is Swietelsky.

los 6,8 km neue Tunnel. Zu diesem Baulos gehören neben dem Zufahrtstunnel der Umleitungsstollen für den Padasterbach sowie die Weiterarbeit an der Deponie im Padastertal. Die Arbeiten wer-

den vier Jahre dauern. Das Auftragsvolumen beträgt 104 Mio. Euro. Errichtet werden die Bauwerke von der Firma Swietelsky.

First blast in Wolf Construction of the Wolf access tunnel at Steinach am Brenner continues. The first blast took place on schedule on St. Barbara’s day on 4 December 2013. Altogether, the contract comprises 6.8 km

Erste Sprengung in Wolf Der Vortrieb am Zufahrtstunnel Wolf bei Steinach am Brenner wird fortgesetzt. Die erste Sprengung erfolgte pünktlich zum Barbaratag am 4. Dezember 2013. Insgesamt beinhaltet das Bau-

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Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

News Breakthrough in the Scheibengipfel Tunnel for the Reutlingen bypass On 27 January 2014, an excavator belonging to Max Bögl tore out the last separating wall at the south portal. In about 15 months, 1,620 m has been driven by blasting and excavator muck clearance. Tunnelling started from the north portal

in October 2012. The geology posed a few problems for the tunnelling works, above all the occurrence of methane and harder rock strata. Altogether 123,000 m3 of rock was excavated and cleared from the main tunnel, with another 38,000 m³

from the parallel escape tunnel. At the moment, preparations are underway for the excavation of the bench and invert and the subsequent lining works. Completion of all tunnelling works is planned for summer 2014.

Durchschlag am Scheibengipfeltunnel der Ortsumgehung Reutlingen Am 27. Januar 2014 durchstieß ein Max Bögl-Bagger mit seinem Reißlöffel die letzte trennende Wand am Südportal der Baustelle. In rund 15 Monaten wurden die 1.620 m lange Strecke im Spreng- und Baggervortrieb aufgefahren. Im Oktober 2012 haben die bergmännischen Arbeiten am Nordportal begonnen. Die Geologie stellte die Beteiligten vor einige Herausforderungen, allen voran aufgrund des Antreffens von geogen bedingtem Methangas und härteren Felsschichten. Insgesamt wurden bis jetzt im Haupttunnel 123.000 m3 Gestein herausgebrochen und abtransportiert, im parallel laufenden Rettungsstollen waren es 38.000 m³. Derzeit laufen die Vorbereitungen für den StrossenSohl-Ausbruch und die nachlaufenden Innenschalenarbeiten. Mit der Fertigstellung aller Vortriebsarbeiten ist im Sommer 2014 zu rechnen.

Breakthrough of the Scheibengipfel Tunnel (photo: Max Bögl) Durchschlag Scheibengipfeltunnel (Foto: Max Bögl)

S 10 Tunnel Götschka – breakthrough of the second bore Two years after the start of the Tunnel Götschka, the east bore was broken through on 4 December 2013. The 4.4 km long tunnel is the main link in the S10 Mühlviertler Schnellstraße (Expressway) in Upper Austria and runs from Unterweitersdorf southward to the Neumarkt district. It is being constructed with two bores. The east bore for the carriageway towards Freistadt and Prague has three lanes due to the gradient (two lanes plus a crawler lane for

HGVs) and the west bore towards Linz has two lanes. The downhill bore of the Tunnel Götschka towards Linz was already broken through in September 2013. The 22 km long southern section of the S10 Mühlviertler Schnellstraße connects to the end of the A7 Mühlkreis Autobahn. The road will be completely improved with four lanes and hard shoulder and constructional central division (concrete barrier) in open sections and

with two bores in the tunnels and cutand-cover sections. The Tunnel Götschka is one of altogether eight underground works, tunnels or cut-and-cover sections. For the protection of the local inhabitants and the environment, almost 10 km – more than 40 % of the entire route – run underground. The Asfinag is investing about 718 million Euro in their currently largest project.

S 10 Tunnel Götschka – Durchschlag der zweiten Tunnelröhre Zwei Jahre nach dem Startschuss für den Tunnel Götschka erfolgte am 4. Dezember 2013 der Durchschlag in der Oströhre des Tunnels. Der 4,4 km lange Tunnel ist das Herzstück der S10 Mühlviertler Schnellstraße in Oberösterreich und verläuft von Unterweitersdorf bis in den Süden der Gemeinde Neumarkt. Er wird mit zwei Röhren errichtet. Die Oströhre in Fahrtrichtung Freistadt/Prag wird wegen der Steigung dreispurig

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(zwei Fahrstreifen plus eine Kriechspur für Lkw), die Weströhre in Fahrtrichtung Linz zweispurig errichtet. Die Bergab-Röhre des Tunnels Götschka in Fahrtrichtung Linz wurde bereits im September 2013 durchgeschlagen. Der 22 km lange Südabschnitt der S10 Mühlviertler Schnellstraße schließt an das Ende der A7 Mühlkreis Autobahn an. Die Strecke wird voll ausgebaut, also vierstreifig mit zusätzlichem Abstell-

streifen und baulicher Mitteltrennung (Betonleitwand) im Freiland sowie zweiröhrig in den Tunneln und Unterflurtrassen. Der Tunnel Götschka ist einer von insgesamt acht Untertagebauwerken, also Tunnel oder Unterflurtrassen. Zum Schutz von Anrainern und Umwelt verlaufen knapp 10 km – also über 40 % der gesamten Trasse – unterirdisch. Die Asfinag investiert rund 718 Mio. Euro in ihr aktuell größtes Projekt.

News New Semmering Base Tunnel: Start of the first tunnelling contract Intensive work has been underway on the New Semmering Base Tunnel for almost two years. After preparatory works in Lower Austria and Styria, work on the first tunnel contract started in the Fröschnitzgraben on 7 January 2014, at first with preparatory measures like slope support or the construction of site facilities. This will be followed by sinking two shafts more than 400 m deep each with a diameter of about 10 m with caverns at the bottom. From the caverns, the tunnel will be driven towards Gloggnitz and Mürzzuschlag. In the direction of Gloggnitz, two tunnel boring machines will be used due to the geolog-

ical conditions on the 8.6 km section, and in the direction of Mürzzuschlag the tunnel will be driven according to the principles of the New Austrian Tunnelling Method (NATM) by blasting and clearing the muck with excavators. (c. 4.3 km). In addition to the tunnelling works, the contract includes the operation of the landfill site at Longsgraben, where material excavated from all three tunnel contacts will be deposited. An EU-wide tendering process resulted in the award of the contract to the consortium Swietelsky Tunnelbau/Implenia. The contract sum is about 623 million Euro.

The 27.3 km long New Semmering Base Tunnel is designed as a two-bore tunnel system and will provide an up-todate connection between Vienna and Graz along the new southern route. Together with the new main station of Vienna, Graz main station and the Koralmbahn line, the New Semmering Base Tunnel is one of the most important projects on the new southern route and will play an important role in the European rail network as part of the Baltic-Adriatic Corridor running from Danzig in Poland to Ravenna in Italy.

Semmering-Basistunnel neu: Baustart des ersten Tunnelbauloses Seit fast zwei Jahren wird intensiv am Semmering-Basistunnel neu gearbeitet. Nach den Vorarbeiten auf niederösterreichischer und steirischer Seite begannen im Fröschnitzgraben am 7. Januar 2014 die Arbeiten für das erste Tunnelbaulos. Dabei werden zunächst vorbereitende Maßnahmen wie Hangsicherungsmaßnahmen oder die Errichtung der Baustelleneinrichtungsfläche getroffen. Anschließend werden zwei mehr als 400 m tiefe Schächte mit einem Durchmesser von jeweils rund 10 m abgeteuft, dann werden Kavernen am Schachtfuß ausgebrochen. Von dort aus erfolgen die Vortriebe Richtung Gloggnitz und Mürzzuschlag. In Richtung Gloggnitz kommen aufgrund

der geologischen Verhältnisse auf rund 8,6 km zwei Tunnelvortriebsmaschinen zum Einsatz, Richtung Mürzzuschlag erfolgt der Vortrieb nach den Grundsätzen der Neuen Österreichischen Tunnelbaumethode (NÖT) mittels Bagger und Sprengungen (ca. 4,3 km). Neben den Tunnelbauarbeiten umfasst das Baulos auch den Betrieb der Deponie Longsgraben, in der Tunnelausbruchmaterial von allen drei Tunnelbaulosen eingebaut wird. Aus einem EU-weiten Vergabeverfahren ging die Bietergemeinschaft Swietelsky Tunnelbau/Implenia als Billigstbieter hervor. Die Auftragssumme beträgt rund 623 Mio. Euro.

Der 27,3 km lange Semmering-Basistunnel neu ist als zweiröhriges Tunnelsystem konzipiert und sorgt für eine zeitgemäße Verbindung zwischen Wien und Graz entlang der neuen Südstrecke. Gemeinsam mit dem neuen Hauptbahnhof Wien, dem Hauptbahnhof Graz und der Koralmbahn ist der SemmeringBasistunnel neu eines der wichtigsten Projekte an der neuen Südstrecke und erfüllt als Teil des Baltisch-AdriatischenKorridors, der von Danzig/Polen bis Ravenna/Italien führt, eine Schlüsselfunktion im europäischen Schienennetz.

Porr awarded three contracts on the Vienna underground system Porr has won the latest three contracts for the Vienna underground system with a volume of 68 million Euro. The three contracts are for construction works to extend the line U1 to the south. The

award includes the contracts “Weichenanlage Favoritenstraße”, “Neulaa” and “Oberlaa”. The construction works include the construction of a switch system including control box, the stations

at Neulaa and Oberlaa, two stabling halls, a roof conversion hall for two long trains, an operations building and various bridge structures and passenger subways.

Porr erhält drei Baulose im Wiener U-Bahn-Netz Porr hat die Ausschreibung der letzten drei Baulose im Wiener U-Bahnnetz mit einem Volumen von 68 Mio. Euro gewonnen. Bei den drei Abschnitten handelt es sich um bauliche Maßnahmen bei der Verlängerung der U1 nach Sü-

den. Der Zuschlag umfasst die Baulose „Weichenanlage Favoritenstraße“, „Neulaa“ und „Oberlaa“. Die Bauleistungen beinhalten unter anderem die Errichtung einer Weichenanlage inklusive Stellwerk, die Stationen Neulaa und

Oberlaa, zwei Abstellhallen, eine Dachrevisionshalle für zwei Langzüge, ein Betriebsgebäude sowie verschiedene Brückenbauwerke und Fußgängerunterführungen.

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

News Emschergenossenschaft awards a further large contract The Emschergenossenschaft awarded construction contract 40 of the large sewer Abwasserkanal Emscher (AKE) in December 2013. The contract include construction of two sewer tunnels each 10 km long with an internal diameter of 2.6 m and altogether 15 shafts in the urban area of Oberhausen. The AKE will run at depths of 25 to 37 m in this sec-

tion – the deepest invert point is just less than three metres below sea level. In contrast to the other AKE construction sections, the sewer will not be installed solely by pipe jacking but with segmental lining, which enables the driving of longer sections. The contract with a volume of about 170 million Euro is the second largest single contract in the his-

tory of the Emscher rebuilding – the largest was 423 million Euro (section 30 of the AKE between Bottrop and Dortmund) – and was awarded to Porr. Porr is already working on section 20, with tunnelling works being completed recently.

Emschergenossenschaft vergibt weiteres Großbaulos Die Emschergenossenschaft hat im Dezember 2013 den Bauabschnitt 40 des großen Abwasserkanals Emschers (AKE) vergeben. Der Auftrag umfasst den Bau von zwei jeweils 10 km langen Abwasserröhren mit einem Innendurchmesser von 2,6 m und von insgesamt 15 Schächten im Stadtgebiet von Oberhausen. Der AKE wird in diesem Bauabschnitt in Tiefenlagen von 25 bis

37 m verlegt – der tiefste Sohlpunkt liegt knapp drei Meter unter dem Meeresspiegel. Anders als in den anderen AKEBauabschnitten wird der Abwasserkanal Emscher in diesem Bauabschnitt nicht in Tübbingbauweise erstellt. Dadurch sind längere Vortriebsstrecken möglich. Der Bauauftrag mit einem Gesamtvolumen von rund 170 Mio. Euro ist der zweithöchste Einzelauftrag in der

Geschichte des Emscher-Umbaus – der höchste beläuft sich mit 423 Mio. Euro (Bauabschnitt 30 des AKE zwischen Bottrop und Dortmund) – und wurde an Porr vergeben. Porr baut bereits den Abschnitt 20, wo Vortriebsarbeiten vor kurzem abgeschlossen wurden.

European construction industry considers tunnel under the Baltic The industry day on the occasion of two new tenders for the Fehmarnbelt Tunnel created great interest among companies from Germany, Denmark and all over Europe. More than 400 participants from more than 200 different companies came to Copenhagen on 21 January 2014 in order to find out about two new tenders from Femern A/S, who are re-

sponsible for the design of the immersed tunnel between Germany and Denmark. Nine international consortia are already involved in current tendering for the structural work of the Fehmarnbelt Tunnel. The two new contract packages include the internal fittings in the tunnel, i.e the electrical and mechanical systems such as lighting, drainage, ventilation,

The Femern A/S industry day for the presentation of two new contract packages for the Fehmarnbelt Tunnel project awoke great interest (photo: Femern.de) Auf großes Interesse stieß der Branchentag der Femern A/S zur Vorstellung zweier neuer Vertragspakete für das Projekt Fehmarnbelttunnel (Foto: Femern.de)

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

monitoring and control systems, and also the electricity supply for the tunnel including building of a new substation. Companies from Germany, Denmark, England, France, Italy, Spain, Holland, Belgium, Austria, Sweden, Portugal and the Czech Republic attended at the presentation of the tunnel project and the two new contracts. In addition to the official presentation, the participants had ample opportunity for discussions among themselves. The intention was for smaller and medium-sized companies to get to know potential business partners and investigate possibilities of joint ventures as suppliers in order to then make contact with the consortia who intend to take part in the tendering process. In the next step of the tendering process from February to May, the consortia can apply for pre-qualification. Then Femern A/S will make a preliminary selection of suitable consortia to take part in the actual tendering in the course of the summer. The overall schedule for the project intends that the Danish parliament (Folketing) will discus the appropriate construction law at the end of 2014 or start of 2015. For Germany, the approval of the project is expected in the middle of 2015. Once the Danish construction law has been passed and German official approval has also been obtained, construction can start in summer 2015. The tunnel should be completed by the end of 2021.

News Europäische Bauindustrie nimmt Tunnel unter der Ostsee ins Visier Der Branchentag anläßlich zwei neuer Ausschreibungen zum Fehmarnbelttunnel weckte großes Interesse bei Unternehmen aus Deutschland, Dänemark und ganz Europa. Mehr als 400 Teilnehmer aus 200 verschiedenen Unternehmen kamen am 21. Januar 2014 nach Kopenhagen, um sich über zwei neue Ausschreibungen von Femern A/S, der Planungsgesellschaft des Tunnels zwischen Deutschland und Dänemark, zu informieren. Neun internationale Konsortien nehmen bereits an den laufenden Ausschreibungen für den Rohbau des Fehmarnbelttunnels teil. Die zwei neuen Vertragspakete umfassen zum einen die Innenausstattung des Tunnels, d. h. dessen elektrische und mechanische Anlagen wie die Beleuchtung, Dränage, Ventilation, Überwachung und Kontrollsysteme. Zum anderen geht es

um die Stromversorgung des Tunnels einschließlich Bau eines neuen Umspannwerks. An der Vorstellung des Tunnelprojekts und der beiden neuen Verträge waren Unternehmen aus Deutschland, Dänemark, England, Frankreich, Italien, Spanien, Holland, Belgien, Österreich, Schweden, Portugal und Tschechien anwesend. Neben den offiziellen Präsentationen hatten die Teilnehmer auch zahlreiche Gelegenheiten sich untereinander auszutauschen. Ziel war es, dass kleinere und mittlere Unternehmen potenzielle Geschäftspartner kennenlernen und die Möglichkeit von Joint-Ventures als Zulieferer ausloten konnten, um daraufhin Kontakt mit den Konsortien aufzunehmen, die sich an den Vertragsausschreibungen beteiligen möchten. Als nächsten Schritt im Ausschreibungs-

prozess können die Konsortien von Februar bis Mai ihre Präqualifikation beantragen. Hiernach wird Femern A/S im Laufe des Sommers eine Vorauswahl der geeigneten Konsortien treffen, die anschließend an den eigentlichen Ausschreibungen teilnehmen können. Im übergeordneten Zeitplan für das Vorhaben ist vorgesehen, dass das dänische Parlament (Folketing) Ende 2014 oder Anfang 2015 das entsprechende Baugesetz behandelt. Für Deutschland wird die Genehmigung des Projekts Mitte 2015 erwartet. Wenn das dänische Baugesetz verabschiedet wurde und auch die deutsche behördliche Genehmigung vorliegt, kann der Bau im Sommer 2015 beginnen. Der Tunnel soll Ende 2021 fertiggestellt sein.

Trial operation commenced in the Gotthard Base Tunnel In December 2013, the first train ran on the trial section between Bodio and Faido with a speed of 160 km/h. Trial operation delivers important information for the planned start of scheduled services through the Gotthard Base Tunnel in December 2016. The approximately 13 km long trial section in the west bore of the Gotthard Base Tunnel between the south portal at Bodio and the multifunction station at Faido is already completely equipped with the necessary rail equipment. Test runs will be undertaken on about 100 days until June 2014. The intention of trial operation is to provide initial confirmation that the entire tunnel system complies with the specified requirements. The trials will test the complex interaction between the

various processes, systems and plant such as track, overhead, electricity supply, tunnel control technology, train protection and safety and operational communications. Trains will run on the test section at maximum speeds of 220 km/h until June 2014. The trial operation is taking place under the management of AlpTransit Gotthard AG. The necessary crews and rolling stock have been provided by Swiss railways SBB. Parallel to this, installation of railway equipment continues in the remaining sections of the Gotthard Base Tunnel. The six months of trial operation are an important precondition for the handover of a tunnel ready for service to the Swiss Federation and the SBB at the start of June 2016.

View from the driver’s cab during the first trial run through the Gotthard Base Tunnel (photo: Alp Transit AG) Blick aus dem Führerstand während der ersten Testfahrt durch den Gotthard-Basistunnel (Foto: Alp Transit AG)

Versuchsbetrieb im Gotthard-Basistunnel aufgenommen Im Dezember 2013 fuhr zum ersten Mal ein Zug auf der Versuchsstrecke zwischen Bodio und Faido mit einer Geschwindigkeit von 160 km/h. Der Versuchsbetrieb liefert wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf die fahrplanmäßige Inbetriebnahme des Gotthard-Basistunnels im Dezember 2016. Die rund 13 km lange Versuchsstrecke in der Weströhre des Gotthard-Basistunnels zwischen dem Südportal bei Bodio und der Multifunktionsstelle Faido ist bereits komplett mit den nötigen Bahntechnikanla-

gen ausgerüstet. Bis im Juni 2014 werden an rund 100 Tagen Tests durchgeführt. Ziel des Versuchsbetriebs ist eine erste Bestätigung, dass das gesamte Tunnelsystem den gestellten Anforderungen entspricht. Getestet wird das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Abläufe, Systeme und Anlagen wie Fahrbahn, Fahrleitung, Stromversorgung, Tunnelleittechnik, Zugsicherung sowie Sicherheit und innerbetriebliche Kommunikation. Die Versuchsstrecke wird bis im Juni 2014 mit Geschwindigkeiten

bis zu maximal 220 km/h befahren. Der Versuchsbetrieb findet unter der Leitung der AlpTransit Gotthard AG statt. Das erforderliche Lokpersonal und Rollmaterial hat die AlpTransit Gotthard AG bei den SBB gemietet. Parallel dazu wird der Einbau der Bahntechnik in den übrigen Abschnitten des Gotthard-Basistunnels weitergeführt. Der sechsmonatige Versuchsbetrieb ist eine wichtige Voraussetzung, damit Anfang Juni 2016 dem Bund und der SBB ein betriebsbereiter Tunnel übergeben werden kann.

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

News Jäger Bau building a water supply tunnel on Crete The Austrian company Jäger Bau will provide essential tunnelling assistance to the Greek company Intrakat with a 5 m double shield tunnel boring machine and full segment lining under a service contract. The water will in the future be fed from the historic Lassithi Plateau on Crete (the mythological birthplace of Zeus) into a newly built

reservoir 600 m lower down (Aposelemis Dam) through a 3.5 km long tunnel. From there, the water will be pumped after appropriate treatment into the water supply networks of Heraklion and Agios Nikolaos. In addition to the tunnel boring equipment adapted for the gradient of 15 %, Jäger will deliver special machin-

ery and expert staff in key positions on site, together with consulting and design services. The TBM drive should start in 2014 and be completed in summer 2015. Jäger has wide experience with the construction of water supply tunnels, having implemented similar projects in Spain, South America and South Africa in recent years.

Jäger Bau erstellt Wasserüberleitungstunnel in Kreta Das österreichische Unternehmen Jäger Bau wird im Auftrag der griechischen Baufirma Intrakat im Rahmen eines Service-Vertrags den Tunnelvortrieb mit einer 5 m-Doppelschild- Tunnelbohrmaschine und Tübbing-Vollauskleidung maßgeblich begleiten. Zukünftig soll Wasser vom geschichtsträchtigen Lassithi-Plateau auf Kreta (Zeus soll hier der Sage nach geboren worden sein) in ein neu geschaffenes 600 m tiefer gelegenes

Wasserreservoir (Aposelemis-Dam) durch einen 3,5 km langen Tunnel geleitet werden. Von dort wird das Wasser über Pumpleitungen und nach entsprechender Aufbereitung in die Trinkwassernetze von Heraklion und Agios Nikolaos eingespeist. Neben der für eine Neigung von 15 % adaptierten Tunnelbohrausrüstung liefert Jäger weiteres Spezialgerät und wird auch Fachpersonal in Schlüsselstellun-

gen vor Ort einsetzen sowie Beratungsdienste leisten und Planungsleistungen erbringen. Der TBM-Vortrieb wird 2014 starten und im Sommer 2015 abgeschlossen sein. Jäger hat große Erfahrung mit der Errichtung von Wasserüberleitungsstollen; ähnliche Projekte wurden in den letzten Jahren in Spanien, Südamerika und Südafrika realisiert.

Call for papers – Themes for the next issues of Geomechanics and Tunnelling The table below shows the themes for the next issues of “Geomechanics and Tunnnelling”, selected by the editing team, and contributions are now being called for. All papers received will first be reviewed prior to publication. In view of the time required to complete this exercise, all contributions should be submitted at least four months before the publication date. Papers should be submitted online via http:// mc.manuscriptcentral.com/geot. Site reports, technical reports and news items from the construction industry are of course also welcome.

Themen für die nächsten Ausgaben der „Geomechanics and Tunnelling“ Die Schwerpunktthemen für die nächsten Ausgaben der „Geomechanics and Tunnelling“ sind in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst. Das Redaktionsteam bittet um Beitragsvorschläge. Unter Berücksichtigung des Reviews sollten die Beiträge mindestens vier Monate vor dem Erscheinungstermin eingereicht werden. Beiträge sollten online eingereicht werden (http:// mc.manuscriptcentral.com/geot). Darüber hinaus sind Baustellenreportagen, technische Berichte und Mitteilungen aus der Industrie jederzeit willkommen.

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

Issue

Publication date

Topics

2/14

April 2014

Focus on India Unterirdisches Bauen in Indien

3/14

June 2014

Large Projects in Austria Großprojekte in Österreich

4/14

August 2014

Landslides and interaction with infrastructures Erdrutsche und Auswirkungen auf die Infrastruktur

5/14

October 2014

Proceedings of the 63rd Geomechanics Colloquium Beiträge des 63. Geomechanik-Kolloquiums

6/14

December 2014

Austrian Tunnel Day Österreichischer Tunneltag

They should be directed to the Rector of the Montanuniversitaet Leoben, Franz-Josef-Strasse 18, 8700 Leoben, Austria. Application deadline is 31/03/2014. For more information, please contact the head of the search committee: Prof. R.F. Sachsenhofer, Tel.: +43 3842 402 6300, reinhard.sachsenhofer@unileoben.ac.at.

Applications should include a curriculum vitae, description of research interests and vision with reference to the research profile of the Montanuniversitaet (http://www.unileoben.ac.at), as well as the 5 most important publications; all supplied via CD ROM or USB flash drive, 5 copies.

The Montanuniversitaet Leoben is striving to increase the representation of women in its faculty. Therefore, we explicitly encourage qualified female researchers to apply and stress that – given equivalent skills – their recruitment takes precedence.

The salary depends on the level of experience with a minimum of 64.417 € per year for full-time employment at the A1 job-level classification of the Austrian university law. It is negotiable.

Prerequisites for an appointment at the full professor level are a PhD in the field of research, and a habilitation or equivalent demonstration of the ability to teach, supervise graduate students, attract research funding, and successfully conduct research projects.

The Chair of Applied Geophysics contributes substantially to the design and teaching of the BSc/ MSc programs in Applied Geosciences, Petroleum Engineering, and Resource Engineering. Several courses are taught in English, but the knowledge of the German language is an advantage.

Qualified are researchers of international repute and experience in the field of Applied Geophysics as documented by a track record in academic and industry-funded research projects including field studies and / or JIPs. The willingness to engage in multidisciplinary research projects together with colleagues from Petroleum, Mining and Subsurface Engineering, the UZAG, and stakeholders in the private and public sector is essential. Examples of appropriate research areas include, but are not limited to: reservoir characterization, modeling and monitoring; seismic processing and attribute analysis including algorithm development; coupled inversion of seismic and other geophysical data; non-conventional hydrocarbon resources; borehole geophysics and petrophysics.

The chair is associated with the Department of Applied Geosciences and Geophysics (DAGG). The DAGG is part of an alliance of Styrian universities in the field of applied geosciences (UZAG).

The Montanuniversitaet Leoben, Austria, invites applications for its Chair of Applied Geophysics (full time employment).

Full Professor/ Chair of Applied Geophysics

Reservoir Charakterisierung, Modellierung und Monitoring Seismische Datenbearbeitung, Attributanalyse und Entwicklung von Rechenalgorithmen Gekoppelte Inversion von seismischen und anderen geophysikalischen Daten Unkonventionelle Kohlenwasserstoffvorkommen Bohrlochgeophysik Petrophysik

Auskünfte erteilt der Vorsitzende der Berufungskommission der Montanuniversität Leoben, Univ.-Prof. Dr. Reinhard F. Sachsenhofer, Franz-Josef-Straße 18, 8700 Leoben, Österreich, e-mail: reinhard.sachsenhofer@unileoben.ac.at, Tel.: +43 3842 402 6300.

Bewerbungen mit den üblichen Unterlagen (Lebenslauf, Nachweis der oben angeführten Anstellungserfordernisse, Darstellung der bisherigen Forschungs- und Lehrtätigkeit, Kopien der fünf wichtigsten Publikationen) sowie eine Darstellung der eigenen Forschungspläne und Absichten im Hinblick auf das Forschungsprofil der Montanuniversität Leoben sind im Postwege (alle Unterlagen 5-fach auf CD-ROM oder USB-Stick) einlangend bis spätestens 31.03.2014 an den Rektor der Montanuniversität Leoben, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Wilfried Eichlseder, Franz-Josef-Str. 18, A-8700 Leoben, zu senden.

Die Montanuniversität Leoben strebt eine Erhöhung des Anteils von Frauen an und fordert qualifizierte Wissenschaftlerinnen nachdrücklich auf, sich zu bewerben. Bei gleicher Qualifikation werden Frauen bevorzugt eingestellt.

Die Einstufung erfolgt in Verwendungsgruppe A 1 nach Universitäten-Kollektivvertrag. In dieser Einstufung beträgt das kollektivvertragliche Mindestjahresentgelt bei Vollzeitbeschäftigung € 64 417,–. Ein höheres Entgelt kann zum Gegenstand von Verhandlungen gemacht werden.

Anstellungserfordernisse sind ein abgeschlossenes Universitätsstudium und ein Doktorat in dem zu vertretenden Fach. Die Habilitation oder eine gleichwertige wissenschaftliche Qualifikation und die pädagogische und didaktische Eignung sind nachzuweisen. Die Beherrschung der deutschen Sprache ist von Vorteil.

Der Lehrstuhl Angewandte Geophysik trägt maßgeblich zur Ausrichtung und Umsetzung der BSc und MSc Programme „Angewandte Geowissenschaften“, “Petroleum Engineering“ und „Rohstoffingenieurwesen“ bei. In einem Teil dieser Programme ist Englisch die Unterrichtssprache.

Auslandstätigkeit, Interesse und Mitarbeit an Feldstudien, sowie Erfahrung bei der Durchführung von Forschungsprojekten mit Industriebeteiligung wird vorausgesetzt. Die Bereitschaft zur interdisziplinären Zusammenarbeit mit Fachkollegen/innen innerhalb der Universität (Petroleum/Mining/Subsurface Engineering), des UZAG, der Industrie und öffentlicher Stellen wird erwartet.

• • • • • •

Gesucht wird eine Persönlichkeit von internationalem Rang, die im Bereich der Angewandten Geophysik wissenschaftlich hervorragend ausgewiesen ist. Folgende Forschungsschwerpunkte sind für die Montanuniversität von besonderem Interesse:

Der Lehrstuhl ist dem Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik (DAGG) zugeordnet. Das DAGG ist Teil des Universitätszentrums Angewandte Geowissenschaften Steiermark (UZAG).

in Form eines unbefristeten privatrechtlichen Dienstverhältnisses zur Montanuniversität Leoben nach Angestelltengesetz in vollem Beschäftigungsausmaß zu besetzen.

Angewandte Geophysik

An der Montanuniversität Leoben, Österreich, ist eine Professur für

Stellenanzeigen

People Dr. Vavrovsky awarded the Stuva Prize 2013 In recognition and appreciation of his long years of service to tunnelling, the Research Association for Underground Transport Facilities (Stuva) has awarded the Stuva Prize 2013 to Dr. Georg-Michael Vavrovsky. Not only in tunnelling but also in other geotechnical problems, he has trodden new paths and developed innovative solutions. In his laudation, the Stuva chairman Prof. Dr. Martin Ziegler related the prize-winner to the “Salzburger Circle” of the tunnelling legends Müller, Pacher and Rabcewicz, from whom he derives his technical roots. In the first ten years of his career, Dr. Vavrovsky was an employee and later director of the Ingenieurgemeinschaft für Geotechnik und Tunnelbau in Salzburg with Prof. Pacher, before moving entirely into railways, first from 1989 to 2004 as technical director of Eisenbahnhochleistungsstrecken AG, Vienna and later as director responsible for project management and technology with ÖBB-Infrastruktur AG, Vienna. During this period, most of the Austrian high-speed rail network was implemented. Dr. Vavrovsky was a pathfinder in the application and exploitation of progress in measurement technology for improved observation of rock mass and system behaviour and for the design of support measures in tunnelling. The combination of advance-oriented deformation display with the development with time was essentially developed by him. His work has contributed to enabling the safer and more economic construction of tunnel projects. He developed systems and methods to improve the forecasting precision and cost stability of transport infrastructure projects. The constant achievement of cost stability considering the commis-

Dr. Vavrovsky with the Stuva Prize. The stainless steel sculpture on a plinth of diabase was specially made for STUVA by the artist Will Brüll from the Lower Rhine. It represents an excavated cavity Dr. Vavrovsky mit dem Stuva-Preis. Die von dem niederrheinischen Künstler Will Brüll eigens für die Stuva geschaffene Edelstahl-Plastik auf einem Sockel aus Diabas verkörpert einen herausgelösten Hohlraum

sioned project volumes confirms the success of his methods. A high-quality design is for him one of the central factors influencing the development of a project with enormous leverage on the costs, quality and progress. In this regard, he made a decisive contribution regarding these points to the Austrian contract award law and its related documents. The furthering of a qualified culture among designers and clients and the development of a systematic-cybernetic understanding of project management with all its basics and constraints are still important matters for Vavrovsky. As he made clear in his acceptance speech:

“we must continue to succeed in placing well-founded trust before excessive control, turn close obedience to guidelines into allowing space for designers and allow the motivation of specialists to come from internal impetus rather than from external pressure. And it should also be our common concern to again give intentional partnership and cooperation precedence over short-term self-interest or unfair behaviour, because the durability and cost-effectiveness of our works demand engineering expertise with holistic thinking and action. With insufficient trust, lack of cooperation or sluggish motivation, this aim will seldom be achieved.”

ersten zehn Berufsjahren war Dr. Vavrovsky Mitarbeiter und später Gesellschafter der Ingenieurgemeinschaft für Geotechnik und Tunnelbau in Salzburg um Prof. Pacher, bevor er ganz zur Bahn wechselte. Er war dort zunächst von 1989 bis 2004 Technischer Vorstand der Eisenbahnhochleistungsstrecken AG, Wien und später Ressortvorstand Projektmanagement/Technik der ÖBBInfrastruktur AG Wien. In diese Zeit fielen die Realisierung großer Teile des Hochgeschwindigkeitsnetzes der Österreichischen Bahnen. Dr. Vavrovsky war ein Wegbereiter für den Einsatz und die Verwertung von Fortschritten in der Messtechnik zur verbes-

serten Beurteilung des Gebirgs- und Systemverhaltens und für die Dimensionierung der Stützmaßnahmen im Tunnelbau. Die Kombination der vortriebsorientierten Verformungsdarstellung mit der zeitlichen Entwicklung wurde maßgeblich von ihm entwickelt. Mit seinen Arbeiten hat er dazu beigetragen, dass Tunnelbauvorhaben noch sicherer und wirtschaftlicher durchgeführt werden konnten. Er entwickelte Systeme und Methoden zur Erhöhung der Prognosegenauigkeit und der Kostenstabilität für Verkehrsinfrastrukturprojekte. Die kontinuierlich erzielte hohe Kostenstabilität im übertragenen Projektvolumen bestätigt den Erfolg seiner Methodik. Eine quali-

Dr. Vavrovsky erhält Stuva-Preis 2013 In Anerkennung und Würdigung seiner langjährigen Verdienste um den Tunnelbau hat die Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen e.V. den Stuva-Preis 2013 an Herrn Baurat h. c. Dipl.-Ing. Dr. mont. Georg-Michael Vavrovsky verliehen. Sowohl im Tunnelbau als auch bei sonstigen geotechnischen Problemstellungen hat er neue Wege beschritten und innovative Lösungen entwickelt. In seiner Laudatio ordnet der StuvaVorsitzende Prof. Dr. Martin Ziegler den Preisträger dem „Salzburger Kreis“ um die Tunnellegenden Müller, Pacher und Rabcewicz zu, denen er seine fachlichen Wurzeln zu verdanken hat. In den

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

People tätsvolle Planung steht für ihn als eine der zentralsten Einflussgrößen in der Projektabwicklung mit enormer Hebelwirkung auf Kosten, Qualität und Zeitablauf des Projektes. Er hat diesbezüglich das Bundesvergabegesetz Österreichs bzw. die Materialien zum Bundesvergabegesetz in diesen Punkten entscheidend mitgestaltet. Die Förderung einer qualifizierten Planungs- und Bauherrnkultur, aber auch die Entwicklung eines systemisch-

kybernetischen ProjektmanagementVerständnisses mit all seinen Grundlagen und Rahmenbedingungen sind Vavrovsky bis heute ein wichtiges Anliegen. So betont er in seinen Dankesworten: „Es muss uns wieder gelingen, begründetes Vertrauen vor überbordende Kontrolle zu stellen, richtlinienhörige Enge in gestaltende Weiten zu kehren und fachliches Engagement aus innerem Drang und nicht durch äußeren Zwang entstehen zu lassen. Und es muss uns auch ein ge-

meinsames Anliegen sein, einer zielgerichteten Partnerschaft und Kooperation wieder den Vorrang vor kurzfristigem Eigennutz oder unfairem Verhalten einzuräumen. Denn die Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit unserer Werke braucht ingenieurmäßigen Sachverstand und braucht ganzheitliches Denken und Handeln. Mit mangelndem Vertrauen, fehlender Kooperation und lahmendem Engagement wird dieses Ziel wohl kaum zu erreichen sein.“

Prize for young tunnellers awarded to Susanne Fehleisen On the occasion of the conference “Tunnels – Infrastructure for the future”, the German Research Association for Underground Transportation Facilities (Stuva) has awarded the prize for young tunnelers to Susanne Fehleisen, from the project management for Koralmbahn 3, New Construction and Upgrading. As part of the “Young Forum”, four young and highly qualified women from all specialist areas of tunnelling were able to report on new developments in their respective fields. All specialist areas of tunnelling are included: design, construction, operation, safety questions, environmental protection, theory, testing, economics, finance and marketing. The talks had already been selected early in the year from applications, including that from Susanne Fehleisen. “I am responsible for safety questions in the project management and supervise implementation in the construction phase, so I talked about the subject “Koralm Tunnel: the implementation of rescue and fire protection plans for complex underground construction sites through the example of the main contract”, says

Susanne Fehleisen from the project management for Koralmbahn 3, New Construction and Upgrading , receives the STUVA prize for young tunnellers in the field of underground construction Susanne Fehleisen, Mitarbeiterin der Projektleitung Koralmbahn 3, Neu- und Ausbau, erhält den Stuva-Nachwuchspreis auf dem Gebiet des unterirdischen Bauens

Fehleisen. The final selection was through a survey of the public at the lecture event, with the content of the talks,

the type of graphic display and the manner of presentation being evaluated.

Susanne Fehleisen mit Stuva-Nachwuchspreis ausgezeichnet Die deutsche Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen (Stuva) hat anlässlich der Stuva-Tagung 2013 „Tunnel – Infrastruktur für die Zukunft“ Susanne Fehleisen, Mitarbeiterin der Projektleitung Koralmbahn 3, Neu- und Ausbau, mit dem Stuva-Nachwuchspreis ausgezeichnet. Im Rahmen des „Jungen Forums“ hatten vier junge hochqualifizierte MitarbeiterInnen aus allen Fachsparten des Tunnelbaus die Möglichkeit, über Neuentwicklungen aus ihrem je-

weiligen Gebiet zu berichten. Dabei sind alle Fachbereiche des unterirdischen Bauens einbezogen wie Planung, Bauausführung, Betrieb, Sicherheitsfragen, Umweltschutz, Theorie, Versuchswesen, Wirtschaftlichkeit, Finanzierung und Marketing. Die Vorträge wurden bereits im Frühjahr aus den Einreichungen ausgewählt, darunter auch jener von Susanne Fehleisen. „Ich bin in der Projektleitung zuständig für die Sicherheitsthemen und begleite die Umsetzung in

der Bauphase. Daher habe ich zum Thema ‚Koralmtunnel: Die Umsetzung des Rettungs- und Brandschutzkonzeptes für komplexe Untertagebaustellen am Beispiel das Hauptbauloses“ vorgetragen, berichtet Fehleisen. „Die Endauswahl erfolgte aufgrund einer Bewertung durch das Publikum der Vortragsveranstaltung, wobei der Vortragsinhalt, die Art der bildlichen Darstellung und die Vortragsweise in die Beurteilung eingingen.“

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

Interview

High innovation potential for mechanised tunnelling Hohes Innovationspotenzial für den maschinellen Tunnelbau “Geomechanics and Tunnelling” talked with Thomas Edelmann, Manager of Research and Development in Traffic Tunnelling, Herrenknecht AG. Herr Edelmann, you are in charge of the research and development department in the business unit Traffic Tunnelling at Herrenknecht AG in Schwanau. Statistics show that the construction industry invests far less in research and development than other branches of industry. Few companies in our industry even have research and development departments. Do you have an explanation for this? It makes sense to differentiate between contractors and suppliers in the construction industry. Overall, developments are often started and carried through with distinct aims, often in collaboration with research institutions like universities and also consultants. Mechanised tunnelling also has a special position. Large-diameter tunnel boring machines are one-off constructions, adapted to the wide range of conditions on each site. Our customers often need special solutions in order to be able to build a particular tunnel. Research and development therefore takes place close to the project. The R&D and design departments collaborate with specialists from various professions. A solution has to be found by a certain date, and it must above all work in practice; a particularly efficient combination. More general research work at Herrenknecht is mostly concerned with construction safety, performance improvement, cost-effectiveness and maximising environmental acceptability. Energy efficiency of tunnel boring machines is one of the fields where there is plenty to do. In addition to continuous development of the components and individual systems, which demand intensive know-how and are decisive for performance, we are continuously working on process innovations. Direct Pipe, from our colleagues in the Utility Tunnelling department, is an example of this, a combination of classic Microtunnelling and Horizontal Directional Drilling developed by

„Geomechanik und Tunnelbau“ im Gespräch mit Herrn Thomas Edelmann, Leitung Forschung + Entwicklung Traffic Tunnelling, Herrenknecht AG. Herr Edelmann, Sie leiten die Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Geschäftseinheit Traffic Tunneling der Herrenknecht AG in Schwanau. Statistisch gesehen, wird im Baubereich verglichen mit anderen Industriesparten weitaus weniger in Forschung und Entwicklung investiert. Die wenigsten Firmen in diesem Bereich verfügen überhaupt über eine Forschungs- und Entwicklungsabteilung. Haben Sie dazu eine Erklärung? Es ist sinnvoll, in der Baubranche zwischen bauausführenden Unternehmen und Lieferanten zu unterscheiden. Übergreifend werden immer wieder – zusammen mit Forschungseinrichtungen wie Universitäten und auch Planern – ganz gezielt Weiterentwicklungen angestoßen und fortgeführt. Der maschinelle Tunnelbau nimmt zudem eine Sonderstellung ein. Tunnelbohrmaschinen im Großdurchmesser-Bereich sind Unikate, an vielfältige Rahmenbedingungen der Baustelle angepasst. Unsere Kunden benötigen immer wieder spezielle Lösungen, um einen Tunnel bauen zu können. Forschung und Entwicklung passiert daher nah am Projekt. Die F+E-Mitarbeiter und Konstruktion arbeiten hierzu mit Spezialisten aus verschiedenen Fachbereichen zusammen. Bis zu einem bestimmten Termin muss eine Lösung gefunden sein. Und sie muss sich vor allem in der Praxis auszahlen. Eine besonders effiziente Konstellation. Die übergeordnete Entwicklungsarbeit wird bei Herrenknecht maßgeblich von den Themen Bausicherheit, Leistungssteigerung, Wirtschaftlichkeit sowie maximaler Umweltverträglichkeit bestimmt. Energieeffizienz der Tunnelbohrmaschinen ist eines der Themenfelder, hier ist noch viel zu tun. Neben der fortlaufenden Weiterentwicklung Know-how-intensiver und leistungsentscheidender Komponenten und Einzelsysteme arbeiten wir kontinuierlich an Verfahrensinnovationen. Direct Pipe, von unseren Kollegen aus dem Geschäftsbereich Utility Tunnelling, ist ein Beispiel hierfür, eine von Herrenknecht entwickelte Kombination des klassischen Microtunnelling und des Horizontal Directional Drilling. In einem Arbeitsschritt erfolgt sowohl der Bodenabbau als auch der Einzug der vorgefertigten Pipeline. Inzwischen hat sich das Verfahren weltweit in der Branche etabliert.

Interview

Herrenknecht. The excavation of the soil and the insertion of the prefabricated pipeline take place in one working step. The process has now become established al over the world. Do you see corresponding innovation potential for the future in mechanised tunnelling? Yes, naturally. In general, the state of development is at a high level. But there is always something to optimise. The developments of the past will continue in the future. Tunnels are a key component of many infrastructure projects, they cross natural and artificial barriers of any type. Modern construction methods enable alignments close to the ideal line, they literally provide the breakthrough for routes, which would once have been inconceivable – for example for reasons of geology, hydrology, diameter, depth or site situation. Many of these projects would not have been possible only with conventional methods. And the trend to undertake ever more difficult projects continues without pause all over the world. Think of large diameters or complex, variable geology. Beneath the city of Kuala Lumpur, straight through karstified limestone with scarcely predictable cavities, one of the Variable Density TBMs successfully completed the first section a few days ago. With EPB and slurry-supported modes, the Variable Density TBM represents the most complex form of convertible machine. They combine the advantages of both processes in one machine. Without mechanical modification, it is possible to change between four operating modes in the tunnel. This enables extremely flexible reaction to geological and hydrogeological changes along the alignment. One more step towards universal tunnelling technology for all types of soft ground, unthinkable a few years ago. Is the innovation potential just the result of enquiries from sites or do innovations also result from contacts with universities, colleges and/or other research institutions? Communication between all experts in the industry, including clients, consultants and contractors, machine suppliers and naturally research institutions, is extremely important. Innovation does not originate in an ivory tower. We do of course have to watch out that we don’t dissipate our energies and invest too much effort in work that then – for whatever reason – is not implemented. It is important to set clearly focussed and practically achievable aims and carry them through. Do you offer future engineers the possibility of collaborating in research and development work as placements or part of bachelor/masters courses? This is an important matter for us. Our aim is to gain well qualified, reliable and enthusiastic young engineers – with a pragmatic passion for high-tech. Purely theoretical knowledge without practical experience does not help us. It is decisive that experts in various fields work together and find ever better solutions collaboratively. We therefore

Sehen Sie im maschinellen Tunnelbau noch entsprechendes Innovationspotenzial für die Zukunft? Ja, natürlich. Allgemein ist der Entwicklungsstand auf einem hohen Niveau. Aber es gibt immer etwas zu optimieren. Die Entwicklung der Vergangenheit wird sich auch in Zukunft fortsetzen. Tunnel haben bei vielen Infrastrukturprojekten eine Schlüsselfunktion, sie unterqueren natürliche oder künstliche Barrieren jeder Art. Moderne Bautechniken ermöglichen Streckenverläufe eng an der Ideallinie orientiert, sie bringen im Wortsinn den Durchbruch für Trassen, die früher undenkbar waren – beispielsweise in Bezug auf die Geologie, die Hydrologie, den Durchmesser, die Tiefenlage oder die Baustellensituation. Viele dieser Projekte wären mit rein konventionellen Methoden nicht machbar gewesen. Und der Trend, immer schwierigere Projekte anzugehen ist weltweit ungebrochen. Denken Sie an große Durchmesser oder komplexe, wechselhafte Geologien. Unter der Stadt Kuala Lumpur, mitten durch verkarsteten Kalkstein mit schwer vorhersehbaren Hohlräumen, gelang einer der Variable Density TBMs vor wenigen Tagen der erfolgreiche Abschluss der ersten Teilstrecke. Mit EPBund flüssigkeitsgestütztem Modus stellt die Variable Density TBM die komplexeste Form der umbaubaren Maschinen dar. Sie kombinieren die Vorteile beider Verfahren in einer Maschine. Ohne mechanische Modifikationen kann direkt im Tunnel zwischen vier verschiedenen Vortriebsmodi umgeschaltet werden. Dadurch kann im Verlauf der Trasse extrem flexibel auf geologische und hydrogeologische Veränderungen reagiert werden. Ein weiterer Schritt zur universellen Vortriebstechnik für Lockergestein aller Art, vor Jahren noch undenkbar. Resultiert das Innovationspotenzial ausschließlich aus Anfragen der Baustellen oder ergeben sich Innovationen auch aus Kontakten mit Universitäten, Fachhochschulen und/oder externen Forschungseinrichtungen? Der Austausch zwischen allen Experten der Branche, sowohl Bauherren, Planern als auch bauausführenden Unternehmen, Maschinenlieferanten und natürlich Forschungseinrichtungen ist äußerst wichtig. Innovation entsteht nicht im Elfenbeinturm. Man muss selbstverständlich aufpassen, dass man sich nicht verzettelt und zu viel Energie in Themen steckt, die dann – aus welchen Gründen auch immer – nicht realisiert werden. Wichtig ist es, klar fokussiert, praktisch erreichbare Ziele zu setzen und zu erreichen. Bieten Sie angehenden Ingenieuren Möglichkeiten, im Rahmen von Praktika oder Bachelor- und Masterarbeiten an Forschungs- und Entwicklungsthemen mitzuarbeiten? Das ist uns ein echtes Anliegen. Unser Ziel ist es, gut qualifizierte, zuverlässige und begeisterte junge Ingenieure und Ingenieurinnen zu gewinnen – mit pragmatischer Leidenschaft für High-Tech. Rein theoretisches Wissen ohne jegliche Praxiserfahrung bringt uns nicht voran. Es ist entscheidend, dass Experten verschiedener Fachgebiete zusammenarbeiten und gemeinsam immer bessere Lösungen finden. Daher halten wir es auch für richtig, dass die ITA

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

Interview

think it right that the ITA CET1 is attempting to involve the industry more in education and training, including at universities. Some good examples of this are Lausanne, Turin, Stuttgart and Lyon. Another important component is placements, which awake the interest of young engineers and offer a realistic view of our business. Clearly some prefer to work in supposedly more attractive, well-known boom industries like automobile, mobile radio or energy. But with us they can bear plenty of responsibility, for example in project management. The engineers work on real and interesting infrastructure projects, which make a contribution to improving the quality of life of millions of people.

CET1 versucht, die Industrie mehr in die Lehre und das Training einzubinden, auch an Universitäten. Gute Beispiele hierfür sind Lausanne, Turin, Stuttgart und Lyon. Ein weiterer wichtiger Baustein sind Praktika, sie fördern das Interesse der jungen Ingenieure und geben einen realistischen Einblick in unser Geschäft. Klar, manche wollen zwar lieber in vermeintlich attraktiveren, weil bekannteren Boombranchen wie Automobil-, Mobilfunk- oder Energieindustrie arbeiten. Bei uns erhalten sie, beispielsweise im Projektmanagement, viel Verantwortung. Die Ingenieure arbeiten an ganz realen und interessanten Infrastrukturprojekten mit, die einen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität von Milliarden Menschen leisten.

Could you state a figure, what percentage of turnover Herrenknecht AG invests in research and development?

Können Sie eine Angabe dazu machen, welchen Prozentsatz des Umsatzes die Herrenknecht AG in Forschung und Entwicklung investiert?

Percentage figures are no reliable indicator of progress in our business. Our Traffic Tunnelling and Utility Tunnelling departments each have their own research and development teams and budgets, and on top of this comes project-related R&D. For us, it is clear that out market leadership is based on our technical excellence and our very widely based project expertise covering all infrastructure applications. With intensive application-oriented R&D work, we are also laying the foundation for future success. As Herrenknecht AG you are also involved in the large EU research project called DRAGON, which has the intention of massively reducing the waste from underground works. What is your aim in this project? Herrenknecht AG is one of the industry partners on the project. The intention is to develop solutions integrated into the machine for the analysis of spoil material from tunnels. Existing technologies should also be improved further in order to improve effectiveness and thus also profitability. Is it possible in the lifetime of three years of such a project to develop a prototype, which then has a chance of being ready for production? In our view it is important and promising that all parties in the chain of processing spoil are collaborating in DRAGON. In this way, targeted solutions can be found. The first prototypes can then be tested on real tunnel projects. Final readiness for production is then a further step. Can we assume that the technology, which is being developed here together with partners from Austria (Montanuniversität Leoben, chair of Subsurface Engineering and the contractor Porr), France (Jacques Burdin Ingenieur Conseil), Switzerland (B+G Betontechnologie + Materialbewirtschaftung AG), England (PE International Consultants) and Germany (Indu Tech), will lead to further progress in mechanised tunnelling? 1

Foundation for Education and Training on Tunnelling and Underground Space Use

Prozentzahlen sind in unserem Geschäft keine aussagekräftigen Indikatoren für Fortschritt. Unsere Geschäftsbereiche Traffic Tunnelling und Utility Tunnelling verfügen über jeweils eigene Forschung- und Entwicklungsteams sowie Etats. Hinzu kommt die projektbezogene F+E-Arbeit. Für uns ist klar, dass unser Marktführerschaft auf unserer technischen Exzellenz fußt sowie auf unserer sehr breit aufgestellten Projektexpertise über alle Infrastrukturanwendungen hinweg. Mit intensiver anwendungsorientierter F+E-Arbeit legen wir auch einen Grundstein für den Erfolg von morgen. Sie sind als Herrenknecht AG auch an einem großen EUForschungsprojekt namens DRAGON beteiligt, mit welchem beabsichtigt wird, die Abfallströme aus dem Untertagebau massiv zu reduzieren. Was ist ihr Ziel in diesem Projekt? Die Herrenknecht AG ist einer der Industriepartner in diesem Projekt. Ziel ist es, maschinenintegrierte Lösungen für die Analyse des Ausbruchsmaterials von Tunneln zu entwickeln. Zudem sollen existierende Techniken weiter verbessert werden, um die Effektivität und damit die Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Kann man bei einer Laufzeit eines solchen Projektes in drei Jahren einen Prototypen entwickeln, der in weiterer Folge Chance auf Serienreife bekommen wird? Wichtig und erfolgsversprechend ist aus unserer Sicht, dass bei DRAGON alle Beteiligte der Abraum-Prozesskette zusammenarbeiten. So können gezielt Lösungsansätze gefunden werden. Mit ersten Prototypen können diese dann auf realen Tunnelbauprojekten getestet werden. Die endgültige Serienreife ist ein weiterer Schritt. Können wir davon ausgehen, dass mit der Technologie, die hier gemeinsam mit Partnern aus Österreich (Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Subsurface Engineering, Baukonzern Porr), Frankreich (Jacques Burdin Ingenieur

Foundation for Education and Training on Tunnelling and Underground Space Use

Interview

Numerous projects have demonstrated that the use of part of the excavated material is possible, e.g. for the production of elements of the tunnel structure. Apart from this, the reuse of excavated material has seldom been considered, i.e. outside the actual project. This offers scope for optimisation in mechanised tunnelling. In our work, we are essentially involved with three points: the sampling and analysis of tunnel spoil on the backup during the tunnel advance; material sorting, processing and recycling; and thirdly with the design and production of a first prototype. The interview was performed by Prof. Robert Galler, Montanuniversität Leoben

Conseil), Schweiz (B + G Betontechnologie + Materialbewirtschaftung AG), England (PE International Consultants) und Deutschland (Indu Tech) entwickelt wird, ein Fortschritt im maschinellen Tunnelbau gelingen wird? Etliche Projekte haben gezeigt, dass die Verwendung von Teilen des Ausbruchmaterials z. B. für die Herstellung von Komponenten des Tunnelausbaus, möglich ist. Darüber hinaus, d. h. außerhalb des eigenen Projekts, ist die Verwendung des Ausbruchmaterials bisher nur selten betrachtet worden. Hier kann der maschinelle Tunnelbau optimiert werden. In unserer Arbeit beschäftigen wir uns im Wesentlichen mit drei Punkten: der Probennahme und Analyse von Abraum auf dem Nachläufer während des Maschinenvortriebs; der Material-Sortierung, -Aufbereitung und -Wiederverwertung und drittens mit dem Design und der Herstellung eines erste Prototypen. Das Interview führte Prof. Robert Galler, Montanuniversität Leoben

TECHNICAL PROGRAM TRACKS

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Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

Topics Werner Burger

DOI: 10.1002/geot.201310027

Multi-mode tunnel boring machines Multi-Mode Tunnelvortriebsmaschinen Classic tunnelling shields can reach their technical, but also their economic limits, when they have to drive through highly varied geologies along the tunnel route. A tunnel route may pass through extended sections of stable rock faces which alternate with soft, water-bearing loose soils. Such tunnelling routes are among the most demanding challenges in tunnel construction and they have to be mastered more and more often, because important infrastructures nowadays are being built in such formations. Herrenknecht has developed so-called Multi-mode tunnel boring machines especially for ground conditions of this kind. These are hybrid tunnel boring machines which offer optimum safety and flexibility when choosing the support and excavation method. They allow for an optimum tunnelling strategy that is adaptable to the conditions along the tunnel alignment. And they also have a positive influence on the desired efficiency. Multimode machines have different concepts in terms of how rapidly or how easily they can be adapted. The following chapters describe the functionalities of the Multi-mode TBM and the corresponding reference projects. In addition, this paper deals with the innovative concept of the Herrenknecht Variable Density TBM, a first universal tunnel boring machine for mixed ground conditions.

Klassische Vortriebsschilde können bei geologisch variantenreich aufgebauten Tunneltrassen an technische, aber auch wirtschaftliche Grenzen stoßen. So kann eine Tunneltrasse längere Passagen standfestes Gebirge enthalten, das in weiche, wasserführende Lockerböden wechselt sowie umgekehrt. Derartige Streckenverläufe gehören zu den anspruchsvollsten Anforderungen im Tunnelbau. Sie stellen immer öfter eine Herausforderung dar, da wichtige Infrastrukturen in solchen Formationen gebaut werden. Herrenknecht hat speziell für solche Baugründe und Projekthintergründe sogenannte Multi-Mode-Tunnelbohrmaschinen entwickelt. Es handelt sich hier um hybrid aufgebaute Vortriebsmaschinen, die höchstmögliche Sicherheit und Flexibilität bei der Wahl des Stütz- und Abbauverfahrens bieten, also eine in Hinsicht auf den Streckenverlauf anpassungsfähige und möglichst optimale Vortriebsstrategie ermöglichen. Dies hat auch positive Effekte auf die gebotene Wirtschaftlichkeit. Multi-ModeMaschinen sind hinsichtlich der Anpassungsschnelligkeit und des Anpassungsaufwands unterschiedlich angelegt. Die folgenden Kapitel beschreiben die Funktionsweisen der Multi-ModeTBM und entsprechende Referenzprojekte. Zudem geht der Beitrag auf das neuartige Konzept der Herrenknecht „Variable Density TBM“ ein, einer ersten universellen Vortriebsmaschine für Lockergestein.

1 General considerations 1 Grundlagen In mechanized tunnelling, we basically distinguish between three different shielded machine types (Fig. 1). Each of these well-established methods offers advantages in its special field of application: – Open single shield for stable and usually non- or low-water-bearing ground conditions with excavation under atmospheric pressure and dry muck removal from the excavation chamber with belt conveyor. – Closed earth pressure balance shield (EPB Shield) for fine-grained and usually unstable and water-bearing soils with excavation under controlled face support pressure and thick-matter-type muck removal from the excavation chamber with screw conveyor. – Closed slurry machine for coarse-grained, unstable and usually water-bearing soils with excavation under controlled face support pressure and muck removal from the excavation chamber with hydraulic slurry circuit and slurry treatment plant. Technological development have also greatly spread the respective geological area of implementation over the past

Im maschinellen Tunnelvortrieb wird grundsätzlich zwischen drei geschildeten Maschinentypen unterschieden (Bild 1). Jedes dieser erprobten Verfahren bietet in seinem speziellen Anwendungsgebiet Vorteile. – Offene Einfachschilde für standfesten und in der Regel nicht oder gering wasserführenden Baugrund: Der Abbau erfolgt unter atmosphärischen Bedingungen mit trockenem Materialaustrag aus der Abbaukammer mittels Förderband. – Geschlossene Erddruckschilde (EPB-Schilde) für feinkörnigen und in der Regel nicht standfesten wasserführenden Baugrund: Der Abbau erfolgt unter gesteuertem Stützdruck mit dickstoffartigem Materialaustrag aus der Abbaukammer mittels Förderschnecke. – Geschlossene Flüssigkeitsschilde für grobkörnigeren, nicht standfesten und in der Regel wasserführenden Baugrund: Der Abbau erfolgt unter gesteuertem Stützdruck mit Materialaustrag aus der Abbaukammer mittels eines hydraulischen Förderkreises mit Separationsanlage.

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Fig. 1. The three basic machine types (Open shield, Slurry shield, Earth pressure balance shield) Bild 1. Die drei grundsätzlichen Maschinentypen

years. The aim is to achieve optimum tunnelling performances and safety for the given geology while increasing project efficiency. Alongside the enhancement of the respective field of application of the tunnelling modes, a modular machine technology has been developed, which makes it possible to change the operation mode inside the tunnel. The basic concept of convertible Multi-mode machines was already designed in the early 1980s and was the starting point that led to developing the Mixshield. The basic concept of the Multi-mode TBM allows the machine to change between slurry support, earth pressure support and open mode by modifying support control system and muck removal. On this basis, two design variants are basically possible: – Multi-mode TBM with a modular basic structure: changing the tunnelling method is achieved by extensive modifications or by exchanging individual components. – Multi-Mode TBM with components all integrated into the machine allowing for several tunnelling methods: the tunnelling mode can be changed with less work and time but requires a considerably more complex machine concept.

2 Changing between open single shield and closed earth pressure balance shield Earth pressure balance shields with screw conveyor in the invert section can be driven in both; the conventional closed EPB or the compressed air mode (Fig. 2) and the open mode (Fig. 3). In both cases, the screw conveyor removes the muck from the excavation chamber, and in closed operation it is used additionally for pressure reduction. In particular, in abrasive soils, you have the disadvantage that a partial filling must remain in the excavation

Technologischer Fortschritt hat das jeweilige geologische Einsatzspektrum in den letzten Jahren enorm erweitert. Das Ziel besteht darin, für die vorherrschende Geologie das Optimum an Vortriebsleistung und -sicherheit zu gewinnen und zudem die Wirtschaftlichkeit des Projekts zu optimieren. Parallel zur Erweiterung des jeweiligen Einsatzspektrums der Vortriebsmodi entwickelte sich eine modulare Maschinentechnik, die den Wechsel der Betriebsart im Tunnel ermöglicht. Das Grundkonzept der umbaubaren Multi-Mode-Maschinen wurde bereits in den frühen 1980er-Jahren entworfen und ist Ausgangspunkt für die Entwicklung des Mixschilds. Das Grundkonzept der Multi-Mode-TBM erlaubt durch Modifikationen der Stützdrucksteuerung und der Abraumförderung den Wechsel zwischen Flüssigkeitsstützung, Erddruckstützung und offenem Modus. Auf dieser Grundlage sind grundsätzlich zwei konstruktive Umsetzungen möglich: – Multi-Mode-TBM mit modularem Grundaufbau: Der Wechsel des Vortriebsverfahrens wird durch umfangreichere Modifikationen oder Austausch einzelner Baugruppen erreicht. – Multi-Mode-TBM mit parallel integrierten Komponenten für mehrere Verfahrensarten: Der Wechsel des Vortriebsmodus ist mit geringerem Arbeits- und Zeitaufwand möglich, setzt aber ein erheblich komplexeres Maschinenkonzept voraus.

2 Wechsel zwischen offenem Einfachschild und geschlossenem Erddruckschild Erddruckschilde mit Förderschnecke im Sohlbereich können neben dem herkömmlichen geschlossenen EPB- oder Druckluft-Modus (Bild 2) auch im offenen Modus (Bild 3)

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Fig. 2. Earth pressure balance machine in closed mode (left) and in compressed air mode (right) Bild 2. Erddruckmaschine in geschlossenem Modus (links) und im Druckluftmodus (rechts)

Fig. 3. Earth pressure balance machine in open mode with partial filling remaining in the chamber Bild 3. Erddruckmaschine in offenem Modus mit teilgefüllter Abbaukammer

chamber in the open mode to ensure that the screw conveyor can be fed. On the one hand , a massive screw conveyor for removing dry muck does not have the same efficiency as alternative solutions such as belt conveyors, for example. On the other hand, the screw conveyor has the considerable advantage that its discharge gate can be closed rapidly at any time, thus isolating the excavation chamber quickly and reliably from the aft tunnel in the event of a sudden water inrush or instabilities at the face, for example. In order to avoid the above-mentioned disadvantages, a retractable muck hopper (muck ring) with belt conveyor can be installed in the center. Here, two significant challenges must be met. – Rotary coupling in the center is mandatory for EPB operations to allow the conditioning additives to be fed into the rotating cutting wheel. This requires compromises or significant conversion efforts when converting to belt conveyor removal. – Muck guide plates or channels at the rear of the cutting wheel are needed for central belt conveyor removal. As they impact the closed earth pressure operation they cannot remain installed permanently. Corresponding installation and dismantling work require more efforts. For the construction of the Katzenberg Rail Tunnel in Germany, two EPB Shields (∅11.12 m) were used working, both in the open and the closed mode [1]. The ground conditions along the 8.9 km twin tube tunnel route were expected to be predominately soft rock of medium to low

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gefahren werden. In beiden Fällen übernimmt die Förderschnecke den Materialaustrag aus der Abbaukammer und im geschlossenen Betrieb zusätzlich die Aufgabe des Druckabbaus. Insbesondere bei abrasiven Böden wirkt sich die Notwendigkeit nachteilig aus, im offenen Modus in der Abbaukammer eine Teilfüllung zur Speisung der Förderschnecke sicherstellen zu müssen. Ebenso erreicht ein massiver Schneckenförderer zur Abförderung von trockenem Haufwerk nicht die Effektivität alternativer Lösungen wie Förderbänder. Andererseits besteht ein wesentlicher Vorteil des Schneckenförderers darin, dass der Abwurfschieber der Förderschnecke jederzeit schnell geschlossen werden kann. Die Abbaukammer kann beispielsweise im Fall eines plötzlichen Wassereinbruchs oder einer Ortsbrustinstabilität sicher und zuverlässig vom hinteren Tunnelbereich isoliert werden. Um die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden, kann ein rückziehbarer Förderbandtrichter (Muckring) mit Förderband im Zentrum installiert werden. Hierbei sind zwei wesentliche Herausforderungen zu beachten. – Der Erddruckbetrieb setzt eine Drehdurchführung im Zentrum zwingend voraus, um die Konditionierungsmedien in das sich drehende Schneidrad einleiten zu können. Dies bedingt Kompromisse oder verursacht beträchtlichen Umbauaufwand bei der Umstellung auf einen Förderbandaustrag. – Für den zentralen Förderbandaustrag werden Materialführungskanäle an der Schneidradrückseite benötigt. Sie beeinträchtigen den geschlossenen Erddruckbetrieb und können deshalb nicht permanent installiert bleiben.

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abrasiveness. The tunnel portal sections with low overburdens in soft ground as well as several possible fault zones along the alignment had to be driven in the closed mode. Due to the moderate abrasiveness expected and uncertainty concerning the number of fault zones, the machine concept provided for screw conveyor muck removal both in open and closed mode. The machine concept developed and used proved to be an efficient solution for the Katzenberg Tunnel project. The two machines were operated both in the open and closed mode without requiring major standstills and/or conversion times when changing between the operation modes. The increased secondary wear which was expected at the cutterhead structure was addressed by an appropriate wear protection, and reconditioning of the cutting wheel was planned half way along the route while passing through a future ventilation shaft location. Almost 22 months later, both EPB Shields reached the target portal (Fig. 4). Mechanized tunnelling of the Tunnel de Saverne rail tunnel west of Strassbourg in France [2] faced a completely different situation. The two 3.8km long parallel tunnel tubes run through soft to medium-hard, highly abrasive sandstone. At least, one of the two portal zones had to be excavated in the closed mode with positive face support. In addition, a fault zone was expected half way, which also required the closed operation mode. The machine concept for the EPB Shield (∅10.01 m) integrated a retractable central muck hopper and a belt conveyor for open mode and a bottom-arranged telescopic screw conveyor for closed mode operation (Fig. 5). Both muck removal systems were permanently installed and these transported the excavated material directly to a gantry belt conveyor behind the ring erection area. To change from closed to open operation mode, the conditioner supply pipes in the cutterhead center had to be dismantled. This was the only way for the muck hopper with the belt conveyor to be shifted to its front work position. At the rear of the cutterhead, guide plates had to be installed to transport muck from the periphery buckets to the central muck hopper. The special design of these muck guide plates allowed for the bottom screw conveyor to remain partly operational even in a retracted position. During excavation of the first tunnel tube, the operation mode was changed from closed to open mode after passing a soft ground section at the beginning of the drive. Thanks to the project-specific machine concept and highly efficient jobsite logistics, the system conversion could be

Fig. 4. Two EBP shields after breakthrough at the Katzenberg Tunnel Bild 4. Zwei EPB-Schilde nach dem Durchstich am Katzenbergtunnel

Ein- und Ausbau verursachen entsprechend höheren Aufwand. Für den Katzenbergtunnel (Eisenbahn, Deutschland) waren zwei EPB-Schilde (∅11,12 m) sowohl im offenen als auch im geschlossenen Modus im Einsatz [1]. Der Baugrund entlang der 8,9 km langen Doppelröhren-Trasse war im Wesentlichen als weiches Felsgestein moderater Abrasivität prognostiziert. Die Portalzonen mit geringer Überdeckung im Lockergestein sowie einzelne mögliche Störzonen entlang der Trasse waren im geschlossenen Modus zu durchfahren. Aufgrund des erwarteten beherrschbaren Verschleißverhaltens und der Unsicherheit bezüglich der Häufigkeit der Störzonen wurde ein Maschinenkonzept vorgesehen, das den Förderschneckenaustrag für die geschlossene als auch für die offene Betriebsart vorsah. Das entwickelte und eingesetzte Maschinenkonzept erwies sich als leistungsfähige Lösung für das Projekt Katzenbergtunnel. Beide Maschinen wurden sowohl im offenen als auch im geschlossenen Modus betrieben, ohne dass längere Stillstände bzw. Umbauzeiten beim Betriebsartenwechsel notwendig wurden. Einem erwarteten höheren Sekundärverschleiß an der Schneidradstruktur wurde Rechnung getragen, indem ein verstärkter Verschleißschutz aufgetragen wurde sowie eine Schneidradrevision auf etwa halber Strecke beim Durchfahren eines späteren Lüftungsbauwerks eingeplant wurde. Nach nur rund 22

Fig. 5. Multi-mode machine for the Tunnel de Saverne Bild 5. Multi-Mode-Maschine für den Tunnel de Saverne

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Fig. 6. Breakthrough of the second tube at Tunnel de Saverne Bild 6. Durchstich der zweiten Röhre am Tunnel de Saverne

successfully carried out in less than one week – once when driving the first tube and once for the parallel second tube. Breakthrough of the first tunnel tube took place in June 2012 and breakthrough of the second tube was in February 2013 (Fig. 6). The different mucking systems for open and closed mode proved to be an efficient solution concept for the highly abrasive ground conditions. The bottom-arranged screw conveyor turned out to be an advantage, because it was still partly operational in the open mode. This allowed for both complete invert cleaning in the excavation chamber and driving in the open mode through short sections with limited face stability.

3 Changing between closed slurry shield and open single shield Multi-mode machines with open and slurry-supported mode have been used successfully in many projects. This machine concept is especially suitable for tunnel routes with longer sections of loose rock below the groundwater level and with dry hard rock sections. The varied forms of muck removal constitute the greatest challenge when changing the tunnelling mode. A slurry circuit is installed in the slurry-supported shield; in the case of a stable face and compressed air – or even atmospheric flushing operation with a partially filled excavation chamber, the mucking system would still also be based on a hydraulic slurry circuit. Powerful dry muck removal in the open mode is only possible with a belt conveyor. Therefore, both conveying systems must be installed on the TBM, the gantry system and in the tunnel if this combination is used.

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Monaten erreichten beide EPB-Schilde das Zielportal (Bild 4). Eine gänzlich unterschiedliche Situation stellte sich beim maschinellen Vortrieb des Tunnel de Saverne (Eisenbahn, Frankreich) westlich von Straßburg dar [2]. Die beiden 3,8 km langen parallelen Tunnelröhren verlaufen durch weichen bis mittelharten Sandstein hoher Abrasivität. Zumindest eine der beiden Portalzonen musste in geschlossenem Modus mit aktiver Ortsbruststützung aufgefahren werden. Des Weiteren war auf etwa halber Strecke eine Lockergesteinszone prognostiziert, die ebenfalls eine geschlossene Betriebsweise vorsah. Das Maschinenkonzept für den EPB-Schild (∅10,01 m) integrierte einen rückziehbaren zentralen Förderbandtrichter und ein Förderband für den offenen Betrieb sowie eine teleskopierbare Förderschnecke im Sohlbereich für den geschlossenen Betrieb (Bild 5). Beide fest installierten Materialaustragssysteme übergaben das Abbaumaterial direkt hinter dem Ringbaubereich auf ein gemeinsames Nachläuferband. Für den Wechsel von geschlossener zu offener Betriebsart mussten die Zufuhrleitungen für Konditionierungsmittel im Zentrum demontiert werden. Nur so konnte der Förderbandtrichter mit dem Austragsband in seine vordere Arbeitsposition verschoben werden. An der Schneidradrückseite wurden Materialleitkanäle für den Materialtransport von den außen liegenden Räumern zum zentralen Aufgabetrichter installiert. Die speziell angepasste Ausführung dieser Materialleitkanäle erlaubte es, die Förderschnecke im Sohlbereich auch in zurückgezogener Position eingeschränkt arbeitsfähig zu halten. Beim Auffahren der ersten Tunnelröhre wurde nach der Durchörterung der anfänglichen Lockergesteinsstrecke die Betriebsart vom geschlossenen zum offenen Modus gewechselt. Mit dem projektspezifischen Maschinenkonzept sowie einer hochleistungsfähigen Baustellenlogistik wurde die Systemumstellung in weniger als einer Woche erfolgreich durchgeführt – jeweils einmal beim Vortrieb der ersten Röhre und einmal in der parallelen zweiten Röhre. Der Durchstich der ersten Tunnelröhre erfolgte im Juni 2012 und im Februar 2013 der Durchstich der zweiten Röhre (Bild 6). Die unterschiedlichen Materialaustragsysteme für den offenen und den geschlossenen Modus bewährten sich in dem hoch abrasiven Baugrund als leistungsfähiges Konzept. Auch die im offenen Modus immer noch eingeschränkt einsetzbare Förderschnecke im Sohlbereich erwies sich als vorteilhaft. Sie diente sowohl der vollständigen Sohlreinigung in der Abbaukammer als auch dem Durchfahren kurzer Zonen mit gebrächer Ortsbrust im offenen Modus.

3 Wechsel zwischen geschlossenem Flüssigkeitsschild und offenem Einfachschild Multi-Mode-Maschinen mit offenem und flüssigkeitsgestütztem Modus wurden bereits vielfach erfolgreich in Projekten eingesetzt. Vor allem für Tunneltrassen mit längeren Anteilen von Lockergesteinsstrecken unterhalb des Grundwasserspiegels als auch trockenen Festgesteinsstrecken ist dieses Maschinenkonzept passend. Die größte Herausforderung beim Wechsel des Vortriebsmodus be-

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The installation of a belt conveyor in the centre with a retractable muck hopper as a second, dry muck transport system is possible without majorly compromising the excavation system. The same applies to a cutting wheel even with additional guide plates for muck transfer oriented towards the centre in the open mode. As there are no major impairments for the closed slurry-supported operation, these can be installed on a permanent basis. On the other hand, a stone crusher in front of the suction grid for operation as a slurry shield does not have an impact when changing to the open mode (Fig. 7). An outstanding and significant technical and economic advantage is obtained when changing the operation modes as part of an integrated concept. Depending on the efforts required to provide two material transport systems on the machine, operating modes can be changed in the tunnel and above ground in a short period of time. In the open mode, the excavation chamber can be safely isolated towards the aft tunnel section within about two to four hours, by retracting the muck hopper and the belt conveyor. According to the operational availability of the slurry circuit, the compressed air supply and the aboveground slurry treatment plant, tunnelling can be resumed in the closed mode as slurry shield after a few shifts. In 1989, this concept experienced its first successful application at the Grauholz Tunnel in Switzerland [3] and subsequently in the Thalwil and Önzberg projects, both in Switzerland as well. Further successful reference projects are the Finne Tunnel in Germany [4] and the Weinberg Tunnel in Switzerland (Zurich). Another Multi-mode TBM for open single-shield operation and closed slurry-supported operation was used for the Hallandsås project (Sweden, railway). Due to the expected high slope-water pressure, the machine for the Hallandsås project was designed for a maximum operating pressure of 13 bar in the closed mode [5]. Characteristic for the Lake Mead Intake N° 3 water tunnel project (Las Vegas, USA) is that fault zones with extremely high water pressures were expected on the tunnel route. The machine concept of the currently used Multimode TBM has two special features for the open mode and the closed slurry-supported mode [6]. On the one hand, the machine is designed for support pressures of up to 17 bar. On the other hand, the machine is fitted with a

steht in der unterschiedlichen Förderung des Abraums. Beim flüssigkeitsgestützten Schild ist ein Förderkreislauf installiert; auch im Fall einer standfesten Ortsbrust und einem Druckluft- oder gar atmosphärischem Spülbetrieb mit teilgefüllter Abbaukammer würde der Materialaustrag noch immer auf einem hydraulischen Förderkreis beruhen. Ein leistungsfähiger trockener Materialaustrag im offenen Modus ist nur mit einem Förderband möglich. Für die Realisierung dieser Kombination müssen daher beide Fördersysteme auf der TBM, dem Nachläufer sowie im Tunnel installiert werden. Der Einbau eines zentral angeordneten Förderbands mit rückziehbarem Förderbandtrichter als zweites, trockenes Materialaustragssystem ist ohne wesentliche Kompromisse für das Abbausystem realisierbar. Gleiches gilt für das Schneidrad selbst mit zusätzlichen, zum Zentrum hin gerichteten Materialleitkanälen für den offenen Betrieb. Sie stellen keine wesentliche Beeinträchtigung für den geschlossenen, flüssigkeitsgestützten Betrieb dar und können daher fest eingebaut bleiben. Ein Steinbrecher vor dem Saugstutzen für den Betrieb als Flüssigkeitsschild beeinträchtigt wiederum die Wechsel auf den offenen Modus nicht (Bild 7). Ein herausragender und bedeutender technischer und wirtschaftlicher Vorteil ergibt sich, wenn der Betriebsartenwechsel als integrales Konzept ausgeführt werden kann. Der Wechsel der Vortriebsmodi kann dann abhängig vom betriebenen Aufwand für das Vorhalten zweier Materialtransportsysteme auf der Maschine, im Tunnel und über Tage innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden. Im offenen Modus kann die Abbaukammer innerhalb von rund zwei bis vier Stunden sicher zum hinteren Tunnelbereich hin abgeschlossen werden, indem der Förderbandtrichter und das Förderband zurückgezogen werden. Je nach betrieblicher Verfügbarkeit des Förderkreislaufs, der Druckluftversorgung und der übertägigen Separationsanlage kann der Vortrieb im geschlossenen Modus als Flüssigkeitsschild nach wenigen Schichten wieder aufgenommen werden. 1989 wurde das System erstmals beim Grauholztunnel in der Schweiz erfolgreich eingesetzt [3] und anschließend bei den Projekten Thalwil und Önzberg, beide ebenfalls in der Schweiz. Weitere erfolgreiche Projektreferenzen sind der Finnetunnel in Deutschland [4] sowie der

Fig. 7. Integrated machine concept for change between slurry shield (left) and open single shield (right) Bild 7. Integrales Maschinenkonzept für den Wechsel von Flüssigkeitsschild (links) zu offenem Einfachschild (rechts)

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Fig. 8. Machine for Lake Mead Intake N° 3 Tunnel, open mode with center screw conveyor (left) and closed mode with active slurry system Bild 8. Maschine für den Lake Mead Intake Tunnel No 3, im offenen Modus mit zentraler Förderschnecke (links) und im geschlossenen Modus mit aktivem Förderkreis

retractable screw conveyor in the centre instead of a belt conveyor for the muck transport in the open mode (Fig. 8). The screw conveyor ensures that the tunnel can be safely isolated within seconds by only closing the discharge gate. By using this machine concept, the mandatory requirement in this project to isolate the system within a few seconds can be fulfilled. By November 2013, 50 % of the 4.8 km tunnel length was excavated, around 800 m of, which was successfully driven in the closed mode (slurry-supported) under a support pressure of 13 to 14 bar.

4 Changing between closed slurry shield and earth pressure balance shield Slurry and earth pressure balance machines are both operated with a filled excavation chamber under controlled face pressure. The two operation modes differ regarding the properties of the chamber filling (viscosity, shear strength or density) and regarding the type of face pressure control. The design of a Multi-mode TBM for earth pressure supported and slurry supported tunnelling must not consider basic differences in the excavation chamber or the cutting wheel. The major difference to be considered in the Multimode machine concept relates to the muck transport from the excavation chamber and in the tunnel. Whereas a slurry machine uses a closed, pressurized slurry circuit with an above-ground slurry treatment plant, the EPB machine uses a screw conveyor for controlled muck extraction from the excavation chamber and an open tunnel transport system with muck cars or belt conveyors. Another major difference between the machine types relates to the type of face pressure control. Face pressure control for an EPB machine is mainly realized by controlling the operational parameters of advance speed and muck extraction volume and/or screw conveyor speed. In contrast, a remote pressurized air bubble in the pressure chamber behind the submerged wall is used to control the face pressure in a slurry machine (Fig. 9). For machines with diameters of more than 8 m, both muck removal systems can be installed parallel to one another in the invert area of the excavation chamber with only little effects on operation. If, however, ground conditions require the use of a stone crusher in front of the suction grid in the slurry mode, the change in the mode of operation requires significant additional mechanical effort – connected with manual intervention and/or correspond-

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Weinbergtunnel in der Schweiz (Zürich). Eine MultiMode-TBM für offenen Einfachschildvortrieb und geschlossenen flüssigkeitsgestützten Vortrieb befand sich auch im Einsatz beim Projekt Hallandsås (Schweden, Eisenbahn). Aufgrund des prognostizierten hohen Bergwasserdrucks wurde die Maschine für Hallandsås auf einen maximalen Betriebsdruck von 13 bar im geschlossenen Modus ausgelegt [5]. Das Wassertunnelprojekt Lake Mead Intake No 3 (Las Vegas, USA) zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Tunneltrasse Störzonen mit extrem hohen Wasserdrücken vorhergesagt wurden. Entsprechend weist das Maschinenkonzept der derzeit eingesetzten Multi-Mode-TBM für offenen Betrieb und geschlossenen flüssigkeitsgestützten Betrieb zwei Besonderheiten auf [6]. Zum einen ist sie auf Stützdrücke bis 17 bar ausgelegt. Zum anderen ist sie anstelle eines Förderbands für den Materialaustrag im offenen Betrieb – mit einer rückziehbaren zentralen Förderschnecke – ausgerüstet (Bild 8). Die Förderschnecke gewährleistet, dass alleine durch das Schließen des Abwurfschiebers innerhalb weniger Augenblicke die Abbaukammer sicher verschlossen werden kann. Diese Maschinenkonzeption dient dazu, eine zwingende Forderung nach einer Systemverschließbarkeit innerhalb weniger Sekunden bei diesem komplexen Projekt umzusetzen. Bis November 2013 wurden 50 % der 4,8 km Tunnellänge aufgefahren, wovon etwa 800 m im geschlossenen Modus (flüssiggestützt) unter einem Stützdruck von 13 bis 14 bar erfolgreich durchörtert wurden.

4 Wechsel zwischen geschlossenem Flüssigkeitsschild und Erddruckschild Sowohl Flüssigkeitsschilde als auch Erddruckschilde werden unter einem gesteuerten Stützdruck mit gefüllter Abbaukammer betrieben. Die beiden Betriebsmodi unterscheiden sich hinsichtlich der Eigenschaften des Materials in der Abbaukammer (Viskosität, Scherfestigkeit oder Dichte) sowie hinsichtlich des Prinzips der Stützdrucksteuerung. Bei der Konzeption einer Multi-Mode-TBM für erddruckgestützten und flüssigkeitsgestützten Vortrieb müssen bei der Ausgestaltung der Abbaukammer oder des Schneidrads keine grundlegenden Unterschiede berücksichtigt werden. Der wesentliche Unterschied, der in der Multi-ModeMaschinenkonzeption umgesetzt werden muss, besteht beim Materialtransport aus der Abbaukammer und im

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Fig. 9. Basic layout of face pressure control for an EPB machine (left) and a slurry machine with submerged wall and air bubble (right) Bild 9. Systemskizze zur Stützdruckregulierung bei einer Erddruckmaschine (links) und bei einer Flüssigkeitsmaschine mit Tauchwand und einem dahinter liegenden Druckluftpolster (rechts)

Fig. 10. Modular machine concept for changing between slurry machine (left) and earth pressure balance machine (right) by replacing individual modules Bild 10. Modulares Maschinenkonzept für einen Wechsel zwischen Flüssigkeitsschild (links) und Erddruckschild (rechts) durch den Austausch einzelner Module

ing compressed air work. With machine diameters of less than 8 m in particular, these are only possible to a limited extent due to space constraints. Convertible machines with medium and smaller diameters have therefore been realized using a modular concept so far (Fig. 10) that allows individual components or modules to be exchanged in an intermediate shaft along the alignment. No modular modification concept for changing the operation mode in the tunnel has been realized so far. This would most likely require a significant amount of work under atmospheric pressure in the excavation chamber, which means considerably higher technical and logistic efforts. In order to justify such a complex machine design, which allows for a complete change from slurry to EPB operation in the tunnel (Fig. 11), special project conditions must be given. The Socatop project in Paris [7], for example, had such conditions. With an overall length of 10 km, the alignment ran approx. 60 % through soils, which were optimally suitable for earth pressure or compressed air operation. 40 % of the route ran through soils, which were very suitable for using a slurry supported machine. In addition, the machine and tunnelling concept considered that the respective formations occurred in longer and joint stretches (Fig. 12). In general, the successful completion of tun-

Tunnel. Das Konzept der Flüssigkeitsstützung sieht einen geschlossenen, druckbeaufschlagten hydraulischen Förderkreis mit übertägiger Separationsanlage vor. Bei einem Erddruckschild ist ein Schneckenförderer für einen kontrollierten Materialaustrag aus der Abbaukammer verantwortlich und im Tunnel ein offenes Transportsystem mit Schutterzügen oder Förderbändern. Ein weiterer zentraler Unterschied zwischen den Maschinentypen betrifft die Art der Stützdrucksteuerung. Bei einer Erddruckmaschine erfolgt die Stützdrucksteuerung vorwiegend über die Beeinflussung der Parameter Vortriebsgeschwindigkeit und Materialaustragsvolumen bzw. Förderschneckendrehzahl. Bei einer Flüssigkeitsmaschine hingegen erfolgt die Regulierung des Stützdrucks mittels eines automatisch geregelten Druckluftposters in der Druckkammer hinter der Tauchwand (Bild 9). Bei Maschinen mit Durchmessern über 8 m können mit nur geringen Beeinträchtigungen beide Materialaustragsysteme parallel im Sohlbereich der Abbaukammer installiert werden. Sobald allerdings die Baugrundverhältnisse den Einsatz eines vor dem Saugstutzen angeordneten Steinbrechers im flüssigkeitsgestützten Modus erforderlich machen, entsteht bei einem Betriebsartwechsel ein erheblicher mechanischer Mehraufwand – verbunden mit einem manuellen Eingriff bzw. damit notwendigen Druckluftarbeiten. Diese sind insbesondere bei Maschinen-

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Fig. 11. Machine for the Socatop project in slurry mode (left) and earth pressure mode (right) Bild 11. Maschine für das Projekt Socatop im flüssigkeitsgestützten (links) und im erddruckgestützten Modus (rechts)

Fig. 12. Overview of the Socatop tunnel alignment and mode of operation for VL1 and VL2 sections Bild 12. Überblick über den Trassenverlauf und die jeweils eingesetzten Betriebsarten in den Abschnitten VL1 und VL2 des Projekts Socatop

nelling showed that the high technical and logistic efforts required by using the Multi-mode TBM concept on the Socatop project proved to be worth it.

5 The Variable Density concept Taking into consideration the fact that changing from slurry to earth pressure operation causes a great deal of effort in practice, Herrenknecht developed an innovative machine concept that combines the generic advantages of both systems in one machine type. The development target was to adapt the tunnelling mode without mechanical modification or conversion work in the excavation chamber, on the machine itself or in the gantry area.

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durchmessern unterhalb von 8 m aufgrund beengter Platzverhältnisse lediglich eingeschränkt möglich. Umbaubare Maschinen mittleren und kleineren Durchmessers wurden aus diesen Gründen bislang auf der Basis eines modularen Konzepts realisiert (Bild 10). Dies bietet die Möglichkeit, den Austausch einzelner Maschinenbaugruppen oder Funktionseinheiten in einem Zwischenschacht entlang der Trasse vorzunehmen. Ein modulares Umbaukonzept für einen Betriebsartwechsel im Tunnel wurde bis heute nicht realisiert. Es würde absehbar Arbeiten unter atmosphärischem Druck in der Abbaukammer erfordern und einen entsprechend hohen technischen und logistischen Aufwand verursachen.

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Fig. 13. Variable Density Machine in open mode (left) and in EPB mode (right) Bild 13. Variable-Density-Maschine im offenen Betrieb (links) und im erddruckgestützten Betrieb (rechts)

Fig. 14. Variable Density Machine in high density operation (left) and in slurry mode (right) Bild 14. Variable-Density-Maschine im High-Density-Betrieb (links) und im flüssigkeitsgestützten Betrieb (rechts)

The Herrenknecht Variable Density Machine is a highly flexible machine type of this kind that can be operated both in the classical STBM (slurry) mode using an air bubble system for face pressure control and in the classical EPB mode using muck volume control for face pressure control. The change between operational modes can be done gradually while in full and safe face pressure control. There is no need for chamber interventions. An extended operation with high density in the excavation chamber (high density mode) that is too high for standard slurry operation, but too low for EPB is an additional option. The machine functions as follows: muck is removed from the pressurized excavation chamber using a screw conveyor both in the earth pressure and slurry supported mode. The face pressure is controlled in line with the respective mode via screw conveyor speed and muck extraction volume or via a remote controlled air bubble. Communicating pipes replace the non-existing opening in the submerged wall. In the EPB mode, the screw discharges the muck onto a belt conveyor (Fig. 13). In the slurry mode, the TBM is operated with a slurry circuit using an additional Slurryfier Box at the end of the screw (Fig. 14). In the slurry mode, either a standard bentonite suspension or, alternatively, a high-density suspension may be used. This also enhances the field of application for the Variable Density TBM and makes the machine a universal solution for tunnelling through mixed ground of any kind.

Um den hohen Aufwand für ein Maschinenkonzept zu rechtfertigen, das den vollständigen Wechsel von flüssigkeitsgestütztem zu erddruckgestütztem Betrieb im Tunnel ermöglicht (Bild 11), müssen spezielle Projektvoraussetzungen gegeben sein. Beim Projekt Socatop in Paris [7] war dies beispielsweise der Fall. Bei einer Gesamtlänge von 10 km verlief die Trasse zu rund 60 % durch Böden, die optimal geeignet für erddruck- oder druckluftgestützten Betrieb waren. Zu 40 % verlief sie in Böden, die optimal für den Einsatz einer flüssigkeitsgestützten Maschine war. Das Maschinen- und Vortriebskonzept berücksichtigte darüber hinaus, dass die jeweiligen Formationen in längeren zusammenhängenden Trassenabschnitten auftraten (Bild 12). Insgesamt bestätigte der erfolgreiche Abschluss der Maschinenvortriebe den hohen technischen und logistischen Aufwand im Projekt Socatop, der durch das Maschinenkonzept der hier eingesetzten Multi-Mode-TBM verursacht wurde.

5 Das Variable-Density-Konzept Angesichts der Tatsache, dass ein Wechsel von flüssiggestützter Betriebsart zu erddruckgestützter Betriebsart sich in der praktischen Umsetzung als eine aufwändige Aufgabe erweist, entwickelte Herrenknecht ein neuartiges Maschinenkonzept. Es vereinigt die generischen Vorteile jedes der beiden Systeme in einem Maschinentyp. Die

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Fig. 15. Layout of a fully equipped Variable Density Machine Bild 15. Schematische Darstellung einer komplett ausgestatteten Variable-Density-Maschine

When fully equipped, the Variable Density Machine requires two muck transport systems in the tunnel: a slurry circuit for STBM mode and muck cars or a tunnel conveyor for the EPB mode. However, depending on the specific project conditions, one of the two systems may be chosen to be the high performance primary system and the other the reduced performance secondary system for economic reasons. Muck is extracted from the excavation chamber of a Variable Density Machine via a screw conveyor in both operation modes. In the EPB mode, the twin screw arrangement with a flat gate between the front screw 1 and the rear screw 2 has a muck discharge gate at the end of screw 1 to discharge the muck onto a belt conveyor. In the slurry mode, the discharge gate is closed and the flat gate between the front and the rear screw is open, and the muck is discharged into a closed Slurryfier Box at the rear end of screw 2. Inside the Slurryfier Box, a standard jaw type stone crusher can be installed in front of the suction grid. The crusher reduces larger particles that pass the screw conveyor but are too large for the slurry circuit. After closing the flat gate between the two screws, the Slurryfier Box and/or crusher room is accessible under atmospheric conditions for maintenance (Fig. 15). In both slurry and high density mode, muck transfer with the screw conveyor is a combination of mechanical and hydraulic transportation. The compressed air needed to control the face pressure in the slurry mode is located in the front shield between two bulkheads. There is no submerged wall opening integrated at the invert, as is the case in classical STBMs, but the connection between pressure chamber and excavation chamber is produced by communicating pipes between the chambers. Such technology uses the concept of a closed invert, which has been successfully applied for standard slurry machines before.

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Zielvorgabe dabei war, den Vortriebsmodus anpassen zu können, ohne mechanische Modifikationen oder Umbauarbeiten in der Abbaukammer an der Maschine selbst oder im Nachlaufbereich vornehmen zu müssen. Dieser hochflexible Maschinentyp liegt mit der Herrenknecht „Variable-Density-Maschine“ vor, die sowohl in der klassischen flüssiggestützten Betriebsart unter Einsatz eines Druckluftpolsters zur Stützdrucksteuerung als auch in der klassischen erddruckgestützten Betriebsart unter Verwendung der Austragsvolumenkontrolle zur Stützdrucksteuerung betrieben werden kann. Der Übergang von der einen in die andere Betriebsart kann fließend, das heißt unter voller Beibehaltung einer sicheren Stützdruckkontrolle erfolgen. Die Notwendigkeit eines Kammereinstiegs entfällt dabei. Ein längerer Betrieb in einem Zwischenstatus mit höherer Kammerdichte (high density mode), die zu hoch für einen reinen Flüssigbetrieb ist, aber zu gering für einen Erddruckbetrieb, ist ebenfalls möglich. Zur Funktionsweise der Maschine: Sowohl im erddruck- als auch im flüssigkeitsgestützten Modus wird der Abraum über einen Schneckenförderer aus der unter Druck stehenden Abbaukammer entnommen. Die Regelung des Stützdrucks erfolgt je nach Modus über Schneckendrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit oder über ein automatisch geregeltes Druckluftpolster. Kommunizierende Röhren ersetzen die fehlende Tauchwandöffnung. Im EPB-Modus wird der Abraum von der Schnecke auf ein Förderband abgeworfen (Bild 13). Im Flüssigkeitsmodus wird die TBM dank einer zusätzlichen Slurryfier-Box am Ende der Schnecke mit hydraulischem Förderkreislauf gefahren (Bild 14). Im Flüssigkeitsmodus kann entweder eine normale Bentonitsuspension oder alternativ eine Suspension mit hoher Dichte (high density) genutzt werden. Das erweitert den Einsatzbereich der Variable-Density-

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TBM zusätzlich und macht die Maschine zu einer universellen Lösung für Lockergestein-Vortriebe aller Art. Voll ausgerüstet benötigt eine Variable-Density-Maschine zwei Abraumtransportsysteme im Tunnel: – Hydraulischer Förderkreislauf für die flüssigkeitsgestützte Betriebsart, – Wagenförderung oder Tunnelband für die erddruckgestützte Betriebsart.

Fig. 16. Kuala Lumpur: Chochrane Station launch shaft for four Variable Density Machines Bild 16. Kuala Lumpur: Anfahrschacht Station Chochrane für vier Variable-Density-Maschinen

In EPB mode, the filling volume of the pressure chamber can also be used as a pressurized bentonite reservoir for automatic chamber refill in case of sudden face pressure irregularities. Since the system, unlike standard slurry machines, has no crusher in the excavation chamber, the cutterhead design and tool configuration had to limit the particles. The particle size of muck reaching behind the cutting wheel must correspond with the conveying capacity of the screw conveyor used. Numerous successful EPB projects have shown that a screw conveyor of at least 700 mm diameter can safely deal with bouldery conditions without any operational limits. Depending on the project requirements, simplified systems or specifically adapted versions of the Variable Density Machine are possible. The large Slurryfier Box at the end of the rear screw can be replaced by a smaller version with a rotary crusher, which was done for the OARS Project in Columbus USA, for example. Another solution is a single screw conveyor with a combination of rotary crusher and Slurryfier Box at the outlet. The single screw version, however, requires more modifications in this area, when changing the operation mode. In this case, the combination of rotary crusher and Slurryfier Box must be moved into a parking position before the belt conveyor can be put in a working position for earth pressure operation. Such a configuration has clearly proved its worth in the Port of Miami Tunnel project in Florida, USA. Currently, it is also being used in Kuala Lumpur, Malaysia. For line 1 of the Klang Valley MRT project in Kuala Lumpur, Herrenknecht delivered not only two conventional 6.6 m earth pressure balance machines but also six Variable Density Machines with the same diameter. By

Allerdings kann auch je nach Projektgegebenheiten aus ökonomischen Gründen eines der beiden Fördersysteme als Hauptsystem mit voller Leistungsfähigkeit und das andere als Nebensystem mit verminderter Kapazität ausgelegt sein. Der Materialaustrag aus der Abbaukammer erfolgt bei einer Variable-Density-Maschine in beiden Betriebsarten mittels einer Förderschnecke. Die Doppelschneckenanordnung mit einem Absperrschieberschieber zwischen der vorderen Förderschnecke 1 und der hinteren Förderschnecke 2 verfügt am hinteren Ende der Schnecke 1 über einen Abwurfschieber zur Übergabe des Abraums auf ein Förderband im erddruckgestützten Betrieb. Im flüssigkeitsgestützten Betrieb ist dieser Abwurfschieber geschlossen und der Absperrschieber zwischen der vorderen und der hinteren Förderschnecke geöffnet. Hier wird der Abraum in einen geschlossenen Spülkasten (Slurryfier-Box) am Ende der Förderschnecke 2 abgeworfen. In diesem Spülkasten kann vor dem Saugstutzen ein konventioneller Zangenbrecher angeordnet werden. Er zerkleinert Korngrößen, die die Schneckenförderer passieren können, die aber zu groß sind für den Förderkreis. Nach dem Schließen des Absperrschiebers zwischen den beiden Schnecken kann der Spülkasten bzw. Brecherraum beispielsweise für Wartungsarbeiten auch unter atmosphärischen Bedingungen betreten werden (Bild 15). Sowohl in der flüssigkeitsgestützten als auch in der High-Density-Betriebsart stellt der Abraumtransport mittels Förderschnecken eine Kombination aus mechanischer und hydraulischer Förderung dar. Die im Flüssigkeitsbetrieb zur Stützdrucksteuerung notwendige Druckluft wird im Frontschild zwischen zwei Druckwänden beaufschlagt. Die bei klassischen Flüssigkeitsschilden integrierte Tauchwandöffnung im Sohlsegment ist hier nicht vorgesehen. Stattdessen wird die Verbindung zwischen der Druckkammer und der Abbaukammer über kommunizierende Röhren zwischen den Kammern hergestellt. Diese Technik entspricht dem Konzept des abgeschotteten Sohlsegments, das bereits bei reinen Flüssigkeitsschilden erfolgreich eingesetzt wurde. Im Erddruckbetrieb kann das Füllvolumen der Druckkammer auch als vorgespanntes Bentonitreservoir zur automatischen Nachspeisung in die Abbaukammer bei irregulären Stützdruckschwankungen verwendet werden. Da das System nicht wie bei reinen Flüssigkeitsschilden über einen Brecher in der Abbaukammer verfügt, muss die Korngröße durch einen geeigneten Werkzeugbesatz und Korngrößenbegrenzungen am Schneidrad begrenzt werden. Die Korngröße des Materials, das hinter das Schneidrad gelangt, muss der Förderkapazität des eingesetzten Schneckenförderers entsprechen. Eine Vielzahl erfolgreicher EPB-Projekte belegt, dass auch Grobkornvorkommen beim Einsatz eines Schneckenförderers von

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November 2013, four of the six Variable Density Machines had been launched in intervals from one shaft. The total stretch driven has reached a length of 2,000 m (Fig. 16). So far, the machines have been operated in a slurry supported low density mode and in a high density mode, when driving through carstic limestone (Fig. 14), reaching densities in the excavation chamber of up to 1.5 t/m³. It is planned to use the EPB mode with muck cars for muck transport in the tunnel at a later point in time when the tunnel route passes through the Kenny Hill formation, which is suitable for this. In general, tunnelling experience in difficult ground conditions to date has shown the enormous adaptability and flexibility of the system, not least compared with previous tunnelling operations with standard slurry shields used in the same ground conditions.

6 Conclusion Demanding, very varied ground conditions – in particular regarding face pressure or muck conveyance within individual tunnel alignments – require new and innovative tunnelling technologies. In view of the increasing range of applications over the past years, conventional single shields, EPB machines and Mixshields may not meet requirements under certain project conditions concerning safety and economic efficiency any more. Multi-mode tunnelling machines from Herrenknecht fulfill all of these high requirements; thanks to their flexible machine concept. They are used when conventional machines come up against their technical and economic limits. Against this backdrop, the Variable Density machine concept is not only a further development of the convertible shield but also a decisive innovation step. The concept clearly increases flexibility and safety in the tunnel and the machine is almost universally usable in mixed ground. References [1] Abele, M.: Der Katzenbergtunnel. DB Projektbau GmbH. 2012. [2] Cuccaroni, A., Veyron, P., Lacroix, A., Russo, M.: Eastern European High Speed Rail Line: Stretch 47 and Saverne Tunnel. AFTES Conference, Lyon 2011. [3] Steiner, W., Becker, C.: Grauholz Tunnel in Switzerland: Large Mixed-Face Slurry Shield. RETC Conference, Seattle 1991. [4] Rieker, K.: Construction of Long Tunnels Using Mixshields in Slurry and Hard-Rock Mode – Finnetunnel. ITA Conference, Vancouver 2010. [5] Burger, W., Dudouit, F.: The Hallandsas Dual Mode TBM. RETC Conference, Las Vegas 2009. [6] McDonald, J. Burger, W.: Lake Mead Intake Tunnel No. 3. Tunnel 4/2009. [7] Toris, J. L.: A86-West Ring Road – a bi-mode TBM. ITA Conference, Prag 2007. Dipl.-Ing. Werner Burger Head of Design Department Traffic Tunnelling Herrenknecht AG Schlehenweg 2 77963 Schwanau Germany burger.werner@herrenknecht.com

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mindestens 700 mm Durchmesser ohne betriebliche Einschränkungen sicher beherrscht werden können. In Abhängigkeit von den Projektanforderungen sind auch vereinfachte oder spezifisch angepasste Ausführungen der Variable-Density-Maschine möglich. Beispielsweise kann der große Spülkasten am Ende der hinteren Förderschnecke durch eine kleinere Variante mit Walzenbrecher ersetzt werden – wie derzeit beim Projekt OARS in Columbus in den USA. Ebenso ist eine Lösung mit nur einer Förderschnecke und einer Walzenbrecher-Spülkasten-Kombination an der Abwurföffnung möglich. Die Einzelschneckenversion benötigt allerdings einen etwas erhöhten Umbauaufwand in diesem Bereich, wenn die Betriebsart gewechselt wird. Die Walzenbrecher-Spülkasten-Kombination muss hierfür in eine Parkstellung verschoben werden, bevor das Förderband für den Erddruckbetrieb in Arbeitsposition gebracht werden kann. Eine solche Konfiguration hat sich beim Projekt Port of Miami Tunnel, Florida USA eindeutig bewährt. Sie ist derzeit auch in Kuala Lumpur, Malaysia im Einsatz. Für die Linie 1 des Klang-Valley-MRT-Projekts in Kuala Lumpur hat Herrenknecht neben zwei konventionellen 6,6 m Erddruckschilden sechs Variable-Density-Maschinen gleichen Durchmessers geliefert. Bis November 2013 wurden vier der sechs Variable- Density-Maschinen zeitlich versetzt aus einem Schacht angefahren, die gesamthaft aufgefahrene Streckenlänge beträgt 2.000 m (Bild 16). Bislang werden die Maschinen in verkarstetem Kalkstein im flüssiggestützen „low density“ als auch im „high density“ Modus betrieben (Bild 14) wobei Dichten in der Abbaukammer bis 1,5 t/m³ erreicht werden. Ein Betrieb im EPB Modus mit Schutterzügen zur Materialförderung im Tunnel ist zu einem späteren Zeitpunkt geplant, wenn die Tunneltrasse in der dafür geeigneten Kenny-Hill Formation verläuft. Gesamthaft zeigen die bisherigen Vortriebserfahrungen in schwierigem Baugrund die enorme Anpassungsfähigkeit und Flexibilität des Systems, nicht zuletzt auch im Vergleich zu früheren Vortrieben mit reinen Flüssigkeitsschilden in gleichartigem Baugrund.

6 Zusammenfassung Anspruchsvolle, stark wechselhafte Baugrundbedingungen – insbesondere hinsichtlich der Stützdruckverhältnisse oder Fördereigenschaften des Abraums – innerhalb einzelner Tunneltrassen erfordern neue, innovative Vortriebstechniken. Die in den vergangenen Jahren ständig erweiterten Einsatzbereiche der klassischen Einfach-, EPB- und Mixschilde genügen unter bestimmten Projektbedingungen nicht mehr den Sicherheits- und Wirtschaftlichkeitsanforderungen. Multi-Mode-Tunnelvortriebsmaschinen von Herrenknecht erfüllen diese hohen Anforderungen dank ihres flexibel ausgelegten Maschinenkonzepts. Sie kommen zum Einsatz, wo herkömmliche Schilde an ihre technischen und wirtschaftlichen Grenzen stoßen. Neben der Weiterentwicklung der umbaubaren Schilde stellt das Konzept der Variable-Density-Maschine den entscheidenden Innovationsschritt dar, da es die Flexibilität und Sicherheit im Tunnel deutlich erhört und man einer in Lockergestein universell einsetzbaren Vortriebsmaschine sehr nahe kommt.

Topics Mario Galli Markus Thewes

DOI: 10.1002/geot.201310030

Investigations for the application of EPB shields in difficult grounds Untersuchungen für den Einsatz von Erddruckschilden in schwierigem Baugrund As a result of growing urbanisation, subsurface space is developed and has to be expanded. New and bigger tunnels are required to meet the infrastructural needs. The ground is the decisive factor regarding the type of tunnelling method and its efficiency. The bigger such projects the greater the chance to encounter inhomogeneous in situ ground conditions. This makes an adequate and economic choice of the process technology more difficult, especially in mechanised shield tunnelling. A clear differentiation based on the grain-size distribution between the field of application of an EPB shield and a hydro shield nowadays is hardly possible. An application of a hydro shield machine in fine soils is just as feasible as tunnelling with EPB shields in coarse soils. In this article, the authors explain selected geological conditions, which represent challenging situations for the application of EPB shields. Therefore, it is particularly focused on overconsolidated cohesive soils, highly permeable non-cohesive soils and sedimentary rock as well as areas of mixed face conditions (rock and soil). Moreover, test methods and tools for the planning and the construction phase are presented.

Im Zuge der fortschreitenden Urbanisierung wird der Bau neuer und größerer Tunnel erforderlich. Je größer solche Projekte angelegt sind, desto unwahrscheinlicher ist es, dass die In-situ-Bodenverhältnisse homogen und verfahrenstechnisch eindeutig sind. Beim maschinellen Tunnelbau im Schildvortrieb ist der Baugrund der entscheidende Faktor für die Auswahl und die Effizienz des Bauverfahrens. Eine eindeutige Differenzierung zwischen dem Einsatzbereich eines Erddruckschilds und eines Hydroschilds nur auf Grundlage der Kornverteilung des Baugrunds ist heute kaum noch möglich. Eine Verschiebung des Einsatzbereichs von Hydroschilden in den Feinkornbereich ist ebenso möglich wie die Erweiterung des Einsatzbereichs der Erddruckschilde in grobkörniges Lockergestein. In diesem Beitrag erläutern die Autoren ausgewählte geologische Situationen, die für den Einsatz von Erddruckschilden eine besondere Herausforderung darstellen können. Exemplarisch sind dies überkonsolidierte bindige Böden, stark durchlässige nichtbindige Böden sowie Sedimentfestgesteine bzw. Bereiche mit gemischter Ortsbrust aus Festund Lockergestein. Es werden Untersuchungsmethoden und Hilfsmittel für die Planung und Begleitung von Schildvortrieben vorgestellt.

1 Face support with EPB shield machines 1.1 Support pressure control In unstable ground, the face has to be actively supported in order to avoid surface settlement. EPB machines make use of the excavated soil to provide face support. The soil excavated by the cutting wheel enters the excavation chamber, where the volume of soil retained can be regulated through the advance rate and the pumping speed of the screw conveyor. Depending on the compressibility of the soil volume in the excavation chamber, the support pressure can be controlled as required to support the face. The required support pressure can be calculated depending on the geometric (shield diameter, overburden depth), geological and hydrogeological conditions and any surcharge in the area affecting the tunnel alignment. The calculation of support pressure is based on the assumption of a linear (hydrostatic) distribution of support pressure over the face, which is in equilibrium with the prevailing ground and water pressures. However, evaluation of data from earth pressure measurement systems at the pressure bulkhead and cutting wheel [27] has demonstrated non-linear pressure distribution with strong fluctuations at times (Fig. 1). This showed in particular differences between the sensors at the cutting wheel and those at the bulkhead, a reduction of support pressure

1 Ortsbruststützung bei Erddruckschilden 1.1 Stützdrucksteuerung In nicht standfestem Baugrund muss die Ortsbrust aktiv gestützt werden, um Oberflächensetzungen zu vermeiden. Beim Vortrieb mit Erddruckschilden findet die Ortsbruststützung mithilfe des abgebauten Bodens statt. Der durch das Schneidrad gelöste Boden gelangt in die Abbaukammer. Das dort verbleibende Bodenvolumen kann über die Vortriebsgeschwindigkeit der Schildmaschine und die Fördergeschwindigkeit des Schneckenförderers reguliert werden. In Abhängigkeit der Kompressibilität des Bodenvolumens in der Abbaukammer kann der Stützdruck kontrolliert werden, der zur Stützung der Ortsbrust erforderlich ist. Der erforderliche Stützdruck errechnet sich in Abhängigkeit der geometrischen (Schilddurchmesser, Überdeckungshöhe), geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen und etwaiger Auflasten im Einflussbereich der Tunneltrasse. Grundlegende Annahme für die Stützdruckberechnung ist eine lineare (hydrostatische) Stützdruckverteilung über die Ortsbrust, die im Gleichgewicht zu den anstehenden Erd- und Wasserdrücken steht. Allerdings konnte durch Datenauswertung von Erddruckmesssyste-

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Fig. 1. Analysis of earth pressure sensors regarding the actual support pressure distribution of an EPB shield [27] Bild 1. Auswertung von Erddruckmesssensoren zur tatsächlichen Stützdruckverteilung bei einem Erddruckschildvortrieb [27]

during interruptions of tunnelling and the influence of the screw conveyor, which has to be taken particularly into account. This example shows that the question of effective support pressure distribution at the face has to be investigated much more sensitively. The properties of the support medium are a decisive aspect, which can be checked by planned testing. Regarding the properties of the support medium, discussions in the literature are mostly concerned with flow behaviour or consistency, internal friction or shear strength, stability, abrasiveness and tendency to clogging. These parameters can be summarised, partly from empirical values from practical experience and partly from laboratory tests, into the following requirements for the support medium: – Appropriate flow behaviour of the support medium is required in order to ensure sufficient material flow in the excavation chamber and screw conveyor. According to Maidl [19], a consistency index IC between 0.40 and 0.75 is ideal. In non-cohesive soils, the consistency index can no longer be used as a measure. In this case the term workability from concrete technology has become established and is expressed through the slump according to [10] as an index value for the workability. Various authors [9] [34] describe slumps between 10 (or 15) and 20 cm as a suitable range for the workability of the support medium. The support material should at the same time show sufficient penetration resistance for muck conveyance and tipping of the excavated material. – Homogeneous material properties and particularly sufficient compressibility are also required for uniform support pressure transfer to the ground as well as to dampen volume and support pressure fluctuations and for pressure gradient in the screw conveyor [27]. The compressibility is determined according to Budach [8] [9] depending on the geometrical dimensions of the tunnelling machine. – The hydraulic conductivity should – particularly in coarse-grained soil – according to Abe et al. [1] have a

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men an Druckwand und Schneidrad [27] eine nichtlineare und zeitlich starken Schwankungen unterliegende Druckverteilung nachgewiesen werden (Bild 1). Insbesondere wurden dabei Unterschiede zwischen den Sensoren an Schneidrad und Druckwand, eine Verringerung des Stützdrucks während Vortriebspausen und ein besonders zu berücksichtigender Einfluss des Schneckenförderers aufgezeigt. Dieses Beispiel zeigt, dass der Frage der effektiven Stützdruckverteilung an der Ortsbrust viel sensibler nachgegangen werden muss. Dabei sind die Eigenschaften des Stützmediums ein maßgebender Aspekt, der durch gezielte Überprüfung kontrolliert werden kann. Hinsichtlich der Stützmaterialeigenschaften werden in der Literatur im Wesentlichen das Fließverhalten bzw. die Konsistenz, die Kompressibilität, die Wasserdurchlässigkeit, die innere Reibung bzw. Scherfestigkeit, die Stabilität, die Abrasivität und die Verklebungsneigung diskutiert. Diese Parameter lassen sich teils durch empirische Erfahrungswerte aus der Praxis und teils durch Laborversuche in Anforderungen an das Stützmedium wie folgt zusammenfassen: – Ein geeignetes Fließverhalten des Stützmediums ist erforderlich, um einen ausreichenden Materialfluss in Abbaukammer und Schneckenförderer sicherzustellen. Nach Maidl [19] ist hier eine Konsistenzzahl IC zwischen 0,40 und 0,75 anzustreben. Bei nichtbindigen Böden kann die Konsistenzzahl nicht mehr als Maßzahl herangezogen werden. Vielmehr hat sich dann der Begriff der Verarbeitbarkeit aus der Betontechnologie durchgesetzt und wird über das Setzmaß nach [10] als Indexwert für die Verarbeitbarkeit ausgedrückt. Verschiedene Autoren [9] [34] bezeichnen Setzmaße zwischen 10 (bzw. 15) und 20 cm als geeigneten Bereich für die Verarbeitbarkeit des Stützmediums. Gleichzeitig sollte das Stützmaterial eine ausreichende Stichfestigkeit für den Abraumtransport und die Deponierung des Aushubs aufweisen. – Homogene Materialeigenschaften und insbesondere eine ausreichende Kompressibilität sind ferner für eine

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value of k < 10–5 m/s in order to avoid or reduce destabilising flow forces at the face, see [28]. This also avoids the danger of uncontrolled inflow of groundwater into the excavation chamber. – Low internal friction of the support medium means that the drive torque and thus the electricity consumption of the cutting wheel and screw conveyor can be kept low, as well as the material wear to the cutting tools and other mechanical components [28]. – In fine-grained soils, the tendency to clogging is particularly significant. Especially clayey, perhaps even overconsolidated soils show high clogging potential, which depends on their plasticity and consistency and their clay minerals, see [13] [14]. It is thus important to control the consistency of the support medium by appropriately influencing the water content. – The support material must provide sufficient (sedimentation) stability, above all during stoppages [16]. This is particularly important when an additive like foam, which only has temporary and highly changeable stability, is added to the support medium, see [3]. When the foam decomposes, the result can be separation in the excavation chamber and thus uneven support pressure transfer. If an air bubble forms in the crown, this can also lead to a danger of blowouts in course-grained soils.

1.2 Scope of application of EPB shield machines

gleichmäßige Stützdruckübertragung auf den Baugrund sowie zur Dämpfung von Volumen- und Stützdruckschwankungen und zum Druckabbau in der Förderschnecke erforderlich [27]. Die Kompressibilität bestimmt sich nach Budach [8] [9] in Abhängigkeit der geometrischen Abmessungen der Schildmaschine. – Die Wasserdurchlässigkeit sollte – insbesondere bei grobkörnigem Lockergestein – nach Abe et al. [1] einen Wert von k < 10–5 m/s besitzen, um destabilisierende Strömungskräfte an der Ortsbrust zu vermeiden oder zu verringern, vgl. [28]. Außerdem besteht so kaum Gefahr eines unkontrollierten Zuflusses von Grundwasser in die Abbaukammer. – Eine geringe innere Reibung des Stützmediums führt dazu, dass sowohl die Antriebsdrehmomente bzw. der Energiebedarf von Schneidrad und Schneckenförderer als auch der Materialverschleiß an Abbauwerkzeugen und anderen Maschinenkomponenten gering gehalten werden können [28]. – In feinkörnigen Böden ist die Verklebungsneigung von besonderer Bedeutung. Insbesondere tonige, vielleicht sogar überkonsolidierte Böden weisen in Abhängigkeit ihrer Plastizität und Konsistenz und der Tonminerale ein hohes Verklebungspotenzial auf, vgl. [13] [14]. Daher ist es wichtig, durch eine entsprechende Beeinflussung des Wassergehalts die Konsistenz des Stützmediums zu kontrollieren.

Working from the support medium requirements stated above, areas for the effective application of earth pressure shields can be defined. The various requirements can be of more or less significance depending on the composition of the ground. For example, fine-grained cohesive soils, depending on their mineralogy, often pose a high risk of clogging, while their hydraulic conductivity in the natural state is very low. Coarse-grained soils, on the other hand, may demand measures to artificially produce sufficient flow capability and sufficiently low hydraulic conductivity through the appropriate soil conditioning. In principle, the classic range of application and an extended range can be differentiated for earth pressure shield machines. Fig. 2 shows areas of application for EPB machines depending on grain size, conditioning agent and water pressure, based on lap test and values from tunnelling experience. According to Maidl et al. [18], the classic area is in soils with a fines content (d ≤ 0.063 mm) of at least 30 % by weight. In this case only water and an anticlogging additive may have to be added to fulfil the requirements for the support medium. The boundary of the classic area of application is shown by line 1. Past line 1 is the extended area of application for EPB machines. With the use of foams, polymers and suspensions of fine material, EPB machines can be used in highly permeable soils. The use of additives is necessary in order to temporarily give the support medium the missing properties and thus fulfil the requirements (soil conditioning). Budach and Thewes [9] investigated the extended area in more detail in laboratory tests and modified the area of application in terms of grain size distributions. Fig. 3 shows the new area of application for earth pressure shield tunnelling in non-cohesive soils, taking into account the use of various soil conditioning agents (foams,

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Fig. 2. Application ranges for EPB shields according to [18]. Area 1 with IC = 0.40–0.75, Area 2 with k < 10–5 m/s and water pressure < 2 bar, Area 3 with k < 10–4 m/s and without water pressure Bild 2. Einsatzbereich der Erddruckschilde nach [18]. Bereich 1 mit IC = 0,40–0,75, Bereich 2 mit k < 10–5 m/s und Wasserdruck < 2 bar, Bereich 3 mit k < 10–4 m/s und ohne Grundwasserdruck

Fig. 3. Application ranges for EPB shields in coarse soils in dependence of the conditioning agents according to [9] supplemented by application ranges according to [18] Bild 3. Einsatzgrenzen von Erddruckschilden für grobkörnige Böden in Abhängigkeit des Konditionierungsmittels nach [9] im Vergleich zu Einsatzgrenzen nach [18]

polymers, suspensions of fine material). These have been supplemented with practical recommendations according to Fig. 2 from [18]. From this diagram, it is clear that EPB machines can also be used in fine-gravelly sands, but only with the use of foam as conditioning agent, if the soil has

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– Das Stützmaterial muss vor allem bei Vortriebsstillständen eine ausreichende (Sedimentations-)Stabilität aufweisen [16]. Dies ist insbesondere wichtig, wenn dem Stützmedium ein Zusatzmittel wie Schaum zugegeben wird, das nur eine zeitliche, stark veränderliche Stabilität

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a fines content of about 5 % by weight and the water pressure is limited to 3 bar. If the fine fraction is still less, the addition of further additives is required. A derivation of any soil conditioning measures from the grain size distribution of the ground alone using these diagrams is however still not possible [29]. But they do offer a good assignment of the necessary additional measures to be expected for efficient tunnelling. This is illustrated for three selected tunnelling situations in the following sections.

2 Tunnels in overconsolidated, cohesive soils 2.1 Challenges In highly cohesive, overconsolidated soils, particularly with stiff, semi-solid and solid consistencies, high drive torques are often required to cut into the ground. In order to reduce the consistency, water and foam are normally added to condition the soil, which changes the workability properties (plasticity) of the soil material. This does however also increase the danger of clogging (caking), particularly to the cutting wheel arms and openings. The cause of this is homogenising effects in the water balance of an excavated clay soil, which makes the workability (consistency) variable with time (Fig. 4). Initially, the soil is shaved off by the cutting tools in the form of clay lumps or chips, which can be classified according to their soil physical and mineralogical properties like grains of gravel. The addition of water and the input of mixing energy from the rotation of the cutting wheel results in a soft, flowing consistency. The water turns the outer parts of the clay lumps into a soft or pasty consistency, with the hard core of excavated clay lumps “floating” in the mixture of water and softened clay. This produces a suitable remoulded earth mud for face support. Over time – particularly while the machine is stopped – the consistency of the components of the support medium can balance (homogenise), above all when no further water is added. The earth mud can thus stiffen again and cause clogging.

2.2 Possible methods of evaluating clogging potential In recent investigations, the consistency of the actual clogging material from the excavation chamber has been eval-

besitzt, vgl. [3]. Beim Zerfall des Schaums kann es zu einer Entmischung in der Abbaukammer und dadurch zu einer ungleichmäßigen Stützdruckübertragung kommen. Bei einer Luftblasenbildung in der Firste besteht in grobkörnigen Böden außerdem die Gefahr von Ausbläsern.

1.2 Einsatzbereiche von Erddruckschilden Basierend auf den vorgenannten Anforderungen an das Stützmedium lassen sich daraus Bereiche für einen effektiven Einsatz von Erddruckschilden definieren. In Abhängigkeit der Baugrundzusammensetzung können die verschiedenen Anforderungen von größerer oder geringerer Bedeutung sein. Beispielsweise besitzen feinkörnige, bindige Böden unter Berücksichtigung ihrer Mineralogie oftmals ein hohes Verklebungsrisiko, während die Wasserdurchlässigkeit im natürlichen Zustand sehr gering ist. Bei grobkörnigen Böden hingegen muss eine ausreichende Fließfähigkeit und eine ausreichend geringe Wasserdurchlässigkeit unter Umständen durch eine gezielte Bodenkonditionierung künstlich erzeugt werden. Grundsätzlich kann zwischen dem klassischen Einsatzbereich und einem erweiterten Einsatzbereich für Erddruckschilde unterschieden werden. Bild 2 zeigt Einsatzbereiche für Erddruckschilde in Abhängigkeit von Korngröße, Konditionierungsmittel und Wasserdruck, die auf Laborversuche sowie Erfahrungswerten der Tunnelbaupraxis beruhen. Nach Maidl et al. [18] ist der klassische Einsatzbereich auf Böden mit einem Feinkornanteil (d ≤ 0,063 mm) von mindestens 30 M.-% zu beziehen. Hier sind ggf. Wasser und Anti-Verklebungs-Additive zur Erfüllung der Anforderungen an das Stützmedium zuzugeben. Die Abgrenzung des klassischen Einsatzbereichs erfolgt durch Linie 1. Daran schließt sich der erweiterte Einsatzbereich für Erddruckschilde an. Unter Verwendung von Schäumen, Polymeren und Feinstoffsuspensionen können Erddruckschilde danach bis in stark durchlässige Böden eingesetzt werden. Der Einsatz von Zusatzmitteln ist erforderlich, um dem Stützmedium temporär fehlende Eigenschaften zu verleihen und so den erforderlichen Anforderungen zu begegnen (Bodenkonditionierung). Budach und Thewes [9] haben auf Grundlage von Laborversuchen mit grobkörnigen Böden ohne oder nur mit

Fig. 4. Development of the water balance in clayey support medium Bild 4. Homogenisierungseffekte im Wasserhaushalt von tonigen Stützmedien

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uated. Weh et al. [35] report practical experience that the material excavated by EPB machines in open mode is particularly sticky at soft to stiff consistency. According to experience [14], a soft consistency is dominant among 150 samples from clogging material from current open and slurry-supported shield tunnel drives. Accordingly a soft consistency is predominant for the actual material clogging the excavation chamber, independent of the tunnelling process. The tendency to stick reduces with stiffer and pastier consistency. In addition to the natural water content, the freely available water (groundwater, process water) must be paid particular attention. It has to be assumed that soils can be changed into sticky material at different rates depending on their initial consistency, plasticity and the availability of water. The more water is present in the tunnelling system, the higher and more solid are the ranges of consistency of natural soil, which can be changed to a consistency that is critical for clogging due to contact with the water inherent in the system. The available water quantity depends both on the hydrogeological and the construction operational conditions [14]. On EPB drives in open mode (without face support), groundwater can flow in from a jointed rock mass. The resulting water volume in relationship to the soil excavated as the tunnel advances depends however not only on the yield of the water ingress but also on the duration of stoppages and the cross-sectional area. Particularly after longer stoppages, the consistency of the muck can vary in the course of an advance cycle (first mud, then sticky material and finally dry material with lumps). Weh et al. [35]

geringem Feinanteil den erweiterten Einsatzbereich genauer untersucht und den Einsatzbereich in Bezug auf Korngrößenverteilungen modifiziert. Bild 3 zeigt die neuen Einsatzbereiche für Erddruckschildvortriebe in nichtbindigen Böden unter Berücksichtigung verschiedener Bodenkonditionierungsmittel (Schäume, Polymere, Feinstoffsuspensionen) und Wasserdrücke. Diese werden ergänzt durch die Praxisempfehlungen aus Bild 2 nach [18]. Aus diesem Diagramm wird deutlich, dass Erddruckschilde auch in feinkiesigen Sanden nur unter Verwendung von Schaum als Konditionierungsmittel eingesetzt werden können, wenn der Boden dabei einen Feinkornanteil von ca. 5 M.-% besitzt und der Wasserdruck auf 3 bar beschränkt ist. Bei geringerer Feinkornfraktion wird eine Zugabe weiterer Additive erforderlich. Eine pauschale Ableitung etwaiger Bodenaufbereitungsmaßnahmen alleine über die Kornverteilung des Baugrunds und mithilfe dieser Diagramme ist jedoch trotzdem nicht möglich [29]. Sie bieten allerdings eine gute Einordnung der zu erwartenden notwendigen Zusatzmaßnahmen für einen effizienten Vortrieb. Dies soll anhand von drei ausgewählten Vortriebssituationen in schwierigen Baugründen in den nachfolgenden Kapiteln veranschaulicht werden.

2 Vortrieb in überkonsolidierten, bindigen Böden 2.1 Herausforderungen In stark bindigen überkonsolidierten Böden, insbesondere bei steifer, halbfester und fester Konsistenz, treten häufig hohe Antriebsdrehmomente zur Lösung des Baugrunds

Fig. 5. New classification diagram for clogging with the typical consistency range of EPB support mud [14] Bild 5. Verklebungsdiagramm nach [14] mit den typischen Konsistenzbereichen für Erddruckschilde

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Fig. 6. Aims of consistency for the support medium in overconsolidated cohesive grounds: soft consistency in the centre between the cutting wheel arms, soft to stiff consistency in the outer area Bild 6. Zielsetzung für die Konsistenz des Stützmediums in überkonsolidierten bindigen Böden: weiche Konsistenz im Zentrum zwischen den Schneidradarmen, weiche bis steife Konsistenz im äußeren Bereich

describe the dependencies between ground water and construction operational effects on EPB machines in open mode [14]. For EPB machines working in earth pressure mode, a defined quantity of water is added (as water or in the form of foam) in order to condition the muck into an earth mud. The evaluation of the susceptibility to clogging of a type of ground must therefore always take into account the availability of conditioning water under the given conditions in the tunnel [14]. With the intention of providing an evaluation scheme for every type of TBM, Hollmann and Thewes [14] developed a classification diagram, in which the consistencies that are problematic for tunnelling (clogging: pasty-softstiff, dispersing fines: stiff) are displayed as critical fields and the effects of changes in water content can be read off (Fig. 5). A soil with a certain initial consistency “runs through” the diagram with increasing water content parallel to the contour of the plasticity index. The relative change of water content, which leads to the conversion of a soil into a critical consistency, can thus be read off from the diagram. The smaller the change of water content necessary to reach a critical consistency for clogging, the less freely available water is necessary. A soil will thus be converted more quickly and easily into clogging material, the nearer it lies in the diagram to the consistency that is critical for clogging. With increasing plasticity index, the risk of clogging thus increases since the plastic consistency zones are covered more widely, i.e. by a wider range of possible water contents. At low plasticity indexes, clogging can only occur within a narrow range of water content since the

auf. Um die Konsistenz zu reduzieren, werden in der Regel Wasser und Schaum zur Bodenkonditionierung beigegeben. Dadurch werden die Verarbeitungseigenschaften (Bildsamkeit) des Bodenmaterials verändert. Jedoch erhöht sich gleichzeitig die Gefahr von Verklebungen (Verbackungen), insbesondere der Schneidradarme und der Schneidradöffnungen. Verantwortlich dafür zeigen sich Homogenisierungseffekte im Wasserhaushalt eines abgebauten Tonbodens, welche die Verarbeitbarkeit (Konsistenz) zeitlich veränderlich machen (Bild 4). Zunächst wird der Boden durch die Abbauwerkzeuge in Form von Tonklumpen bzw. -spänen abgeschält, die je nach bodenphysikalischen und mineralogischen Eigenschaften wie Kieskörner klassifiziert werden könnten. Durch die Zugabe von Wasser und den Eintrag von Mischenergie durch die Schneidradrotation entsteht eine weiche, fließende Konsistenz. Randbereiche der Tonklumpen werden durch das Wasser in eine weiche bis breiige Konsistenz versetzt, wobei der harte Kern abgebauter Bodenklumpen in dem Gemisch aus Wasser und aufgeweichtem Ton „schwimmt“. Dadurch entsteht ein für die Ortsbruststützung geeigneter Erdbrei. Über die Zeit – insbesondere bei Vortriebsstillständen – kann es zu einem Ausgleich (Homogenisierung) der Konsistenz innerhalb der Bestandteile des Stützmediums kommen, vor allem wenn kein weiteres Wasser zugegeben wird. Der Erdbrei kann sich dadurch wieder versteifen, und es kann zu Verklebungen kommen.

2.2 Bewertungsmöglichkeiten für Verklebungsneigung In neueren Untersuchungen wurde auch die Konsistenz des eigentlichen Verklebungsmaterials aus der Abbaukam-

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sticking consistency zones can only be reached at few possible water contents.

2.3 Conditioning process Clogging in overconsolidated clays can be greatly reduced by the targeted use of conditioning agents. The addition of water for conditioning should mostly be fed into the centre of the cutting wheel and the excavation chamber in order to achieve a soft consistency there. The purpose is to transport the excavated muck with as few problems as possible through the arms at the back of the cutting wheel in order to avoid clogging and bridge formation here, which could damage the drive and result in high torques. In addition, foam can also be injected to reduce the tendency to clogging. In the outer parts of the excavation chamber, a rather stiffer consistency is not a problem since this assists the conveyance of the muck. Fig. 6 shows a diagram of ideal conditioning for earth pressure tunnelling in overconsolidated cohesive soils. In addition to adequate conditioning, thorough mixing also has to be ensured by providing stators on the bulkhead and on the back of the cutting wheel. The potential danger of clogging during stoppages can also be reduced by adding further water and occasionally turning the cutting wheel.

3 Tunnelling in highly permeable, non-cohesive soils 3.1 Challenges Tunnelling in highly permeable, non-cohesive soils (sands, gravelly sands) is a great challenge for EPB machines and is way outside the classic range of application. Conditioning of the excavated muck is essential in order to temporarily provide the support medium with adequate properties. Typical permeabilities for sands and gravelly sands are given at k = 10–5 to 10–3 m/s [23], which exceed the recommended guideline value according to [1]. In such permeable soils, seepage flows can occur in the ground near the face and have a destabilising influence on the stability of the face, see [2]. In case of high consolidation densities, very high torques can result, which together with the higher quartz content in sands and gravels can worsen wear to the excavation tools and machine components [31]. The aim must therefore be to take the appropriate conditioning measures so that the muck can fulfil the requirements stated in Section 1.1.

3.2 Conditioning Tenside foams are normally used as a conditioning agent in sands and gravelly sands. According to the concentration of the tenside solution cf and the mixing ratio of air and liquid measured by the parameter FER (Foam Expansion Ratio), foams of varying stability and dryness can be produced. Definitions of the manufacturing parameters ands factors affecting foam production and quality can be found, for example, in [27]. The introduction of foams into the soil during the excavation process can produce both improved compressibility and a repellent effect in the face against prevailing groundwater. The soil also becomes capable of flowing

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mer ausgewertet. Weh et al. [35] berichten über Erfahrungen aus der Praxis, denen zufolge das Ausbruchsmaterial offen gefahrener EPB-Schilde bei weicher bis steifer Konsistenz besonders klebrig ist. Erfahrungen zufolge [14] dominiert bei 150 Proben von Verklebungen aus aktuellen offenen und flüssigkeitsgestützten Schildvortrieben eine weiche Konsistenz. Demzufolge ist beim eigentlichen Verklebungsmaterial in der Abbaukammer die weiche Konsistenz, unabhängig vom Vortriebsverfahren, vorherrschend. Die Verklebungsneigung nimmt in Richtung steifer und breiiger Konsistenzen ab. Zusätzlich zum natürlichen Wassergehalt muss insbesondere das freie verfügbare Wasser (Bergwasser, Prozesswasser) berücksichtigt werden. Dabei ist davon auszugehen, dass Böden in Abhängigkeit von der Ausgangskonsistenz, ihrer Plastizität sowie der Verfügbarkeit von Wasser unterschiedlich schnell in klebriges Material umgewandelt werden können. Je mehr Wasser im System des Vortriebs vorhanden ist, desto höhere und festere Konsistenzbereiche des natürlichen Bodens können infolge des systembedingten Kontakts mit Wasser in eine für Verklebungen kritische Konsistenz überführt werden. Die verfügbare Wassermenge hängt sowohl von den hydrogeologischen als auch den baubetrieblichen Randbedingungen ab [14]. Bei offen gefahrenen EPB-Vortrieben (ohne Ortsbruststützung) kann aus einem geklüfteten Gebirge Bergwasser zulaufen. Das resultierende Wasservolumen im Verhältnis zum abgebauten Boden während des Vortriebs hängt dabei aber nicht nur von der Stärke des Wasserzutritts sondern auch von der Dauer der Stillstände und der Querschnittsgröße ab. Insbesondere nach längeren Stillständen kann die Konsistenz des Ausbruchsmaterials im Laufe eines Vortriebszyklus variieren (zunächst Schlamm, dann klebriges Material und schließlich trockenes Material mit Klumpen). Weh et al. [35] beschreiben die Abhängigkeiten zwischen Bergwasser und baubetrieblichen Auswirkungen bei offen gefahrenen EPB-Schilden [14]. Bei EPB-Schilden im Erddruck-Modus erfolgt eine definierte Flüssigkeitszugabe (als Wasser oder in Form von Schaum), um den gelösten Boden zu einem Erdbrei zu konditionieren. Die Bewertung der Verklebungsanfälligkeit eines Baugrunds muss daher immer auch die Verfügbarkeit von Konditionierungswasser unter den jeweiligen Randbedingungen berücksichtigen [14]. Unter der Zielsetzung, ein Bewertungsschema für jeden TVM-Typ bereitzustellen, wurde von Hollmann und Thewes [14] ein Klassifikationsdiagramm entwickelt, bei dem die im Vortrieb wirksamen problematischen Konsistenzen (Verklebungen: breiig-weich-steif, freigesetztes Feinkorn: flüssig) als kritische Felder dargestellt und die Effekte von Wassergehaltsänderungen ablesbar werden (Bild 5). Ein Boden mit bestimmter Ausgangskonsistenz „durchläuft“ mit zunehmendem Wassergehalt das Diagramm parallel zur Isolinie der Plastizitätszahl. Dabei ist die relative Änderung des Wassergehalts, die zur Umwandlung eines Bodens in eine kritische Konsistenz führt, im Diagramm ablesbar. Je geringer die notwendige Änderung des Wassergehalts zum Erreichen einer für das Verkleben kritischen Konsistenz ist, desto weniger frei verfügbares Wasser ist dafür nötig. Ein Boden wird also schneller und leichter in Verklebungsmaterial umgewandelt, je näher er im Dia-

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with the addition of foam and if the dosage is correct, shows similar plastic flow behaviour to (water-conditioned) cohesive soil. In order to preserve sufficient stability of the mix, long drainage times are advantageous in order that the process of the foam decomposing in the support material proceeds as slowly as possible. The formation of an air bubble in the crown leads to uneven and perhaps insufficient pressure transfer to the face and also represents a danger regarding blowout safety [16]. Foam is added through injection points in the cutting wheel, at the pressure bulkhead and in the screw conveyor. The volume added can be controlled through the conditioning parameter FIR (Foam Injection Ratio) depending on the advance rate and the excavation diameter. It is usual to provide a foam lance at each injection point, although the foam volume flows are not usually defined for each foam lance but rather for the three conditioning zones cutting wheel, excavation chamber and screw conveyor. It should be noted here that the FIR refers to the total foam requirement, as can be seen from the following equation: FIR =

(

QF · 100 [%] v Adv · A Exc

)

where QF is the total foam volume flow [m³/s], vAdv the advance rate [m/s] and AExc the circular excavation area [m²]. In case it is not possible to adequately produce the decisive properties of the support medium (flow capability, hydraulic conductivity, compressibility, stability) solely by adding foam, additional conditioning with polymers or suspensions of fines may be necessary. The use of fines suspensions artificially increases the fines content of the excavated soil and thus theoretically moves the area of application of an EPBM further into the fine-grained area of the application diagram. The addition of suspensions does however need a separate injection system on the machine and demands additional quality assurance, associated with increased costs and logistical demands. The tipping volume is also increased through the extra input of material, so the use of fines may lead to extra costs at both ends. Such a situation could be one of the decisive limiting factors for the cost-effective application of an earth pressure machine in coarse-grained soil, so the feasibility and limits of application therefore need to be determined in advance. The use of polymers depends on the product. The polymer is added to the foam or as a separate suspension directly into the excavation chamber [17]. Particularly the polymers described as super absorbers with their high capacity of binding water can improve the stability of the support medium in relatively small quantities. Whatever conditioning agent is used, the conditioning parameters cannot be determined precisely from the grading distribution curve. Experience from similar ground conditions can be useful, see [11] [15], although just slight deviations in consolidation, mineralogy, water content and fines content can lead to great differences in the requirements for soil conditioning. Thus guideline values for the FIR should be determined in the laboratory, see [20] [29].

gramm an der verklebungskritischen Konsistenz liegt. Mit zunehmender Plastizitätszahl steigt daher das Risiko von Verklebungen, da die plastischen Konsistenzbereiche breiter, d.h. durch eine größere Bandbreite möglicher Wassergehalte, abgedeckt werden. Bei niedrigen Plastizitätszahlen können Verklebungen nur innerhalb eines engen Bereichs für den Wassergehalt auftreten, da die klebenden Konsistenzbereiche nur bei wenigen möglichen Wassergehalten erreicht werden.

2.3 Vorgehen bei der Konditionierung Verklebungen in überkonsolidierten Tonen können durch gezielten Einsatz von Konditionierungsmitteln stark reduziert werden. Die Zugabe von Wasser zur Konditionierung sollte in besonderem Maß im Zentrum des Schneidrads und der Abbaukammer erfolgen, um dort eine weiche Konsistenz zu erzielen. Ziel ist es, den abgebauten Boden möglichst problemlos durch die rückwärtigen Schneidradarme zu transportieren, um hier Verklebungen und Brückenbildungen zu vermeiden, die antriebsschädigend wirken und hohe Drehmomente verursachen können. Ferner kann auch Schaum zur Reduktion der Verklebungsneigung injiziert werden. In den äußeren Bereichen der Abbaukammer ist eine etwas steifere Konsistenz nicht von Nachteil, da sie die Abraumförderung begünstigt. Bild 6 zeigt schematisch die Zielsetzung der Konditionierung für den Vortrieb mit Erddruckschilden in überkonsolidierten bindigen Böden. Neben einer adäquaten Konditionierung ist außerdem eine gezielte Durchmischung erforderlich. Dafür sollte auf der Maschine ein System aus Statoren auf der Druckwand und der Rückseite des Schneidrads vorgesehen werden. Des Weiteren könnten bei Stillständen eine weitere Wasserzugabe und das zeitweise Drehen des Schneidrads die potenzielle Gefahr von Verklebungen verringern.

3 Vortrieb in stark durchlässigen, nichtbindigen Böden 3.1 Herausforderungen Der Vortrieb in stark durchlässigen, nichtbindigen Böden (Sande, kiesige Sande) stellt für Erddruckschilde eine große Herausforderung dar, bewegt man sich doch weit außerhalb des klassischen Einsatzbereichs. Hier ist nun eine Konditionierung des abgebauten Bodens unausweichlich, um dem Stützmedium temporär adäquate Eigenschaften zu verleihen. Typische Durchlässigkeiten für Sande und kiesige Sande sind mit k = 10–5 bis 10–3 m/s angegeben [23], die den empfohlenen Richtwert nach [1] überschreiten. Bei solchen Durchlässigkeiten können Sickerströmungen im Baugrund nahe der Ortsbrust auftreten, die einen destabilisierenden Einfluss auf die Standsicherheit der Ortsbrust ausüben, vgl. [2]. Im Fall von hohen Lagerungsdichten können sehr hohe Antriebsdrehmomente auftreten, die gemeinsam mit größeren Quarzanteilen in der Mineralogie von Sanden und Kiesen das Verschleißen von Abbauwerkzeugen und Maschinenkomponenten begünstigen [31]. Zielsetzung muss es daher sein, durch geeignete Konditionierungsmaßnahmen des abgebauten Bodens die in Kapitel 1.1 aufgeführten Anforderungen zu erfüllen.

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3.3 Recommendations for laboratory tests

3.2 Konditionierung

In cooperative project-related works from research and practice, it has been shown that laboratory tests can be of assistance in the planning of shield tunnel drives regarding the conditioning, see [6] [11] [29]. There are several approaches for the determination of the quality of foams for soil conditioning and of conditioned soils (e.g. [11]), but there are no standardised laboratory tests. Research projects have been completed recently or are underway, for example in Bochum [8] [19], Lyon [25], Oxford and Cambridge [7] [22], Delft [4], Turin [5] [33] and Aachen [32], into soil conditioning of coarse-grained soils for EPB tunnelling. Although the emphases of these research projects vary, some similar test series have been carried out but there is still not any uniform definition of essential properties and test methods (testing equipment and implementation). In [30], tests intended explicitly for foam (Fig. 7) and soil-foam mixes (Fig. 8) are described, which can sometimes be performed on site as a tunnel advances. Based on these laboratory tests, the procedure for tests on a specific project can be carried out as described in [24]. This is described below through the example of simple foam conditioning. First, the initial parameters for foam production like the concentration cf, the foam expansion ratio FER, the foam volume flow QF are estimated, taking into account further production parameters like the pumping

Als Konditionierungsmittel in Sanden und kiesigen Sanden werden zumeist Tensidschäume eingesetzt. In Abhängigkeit der Konzentration der Tensidlösung cf und dem Mischungsverhältnis von Luft und Liquid, das über den Parameter der FER (Foam Expansion Ratio; engl. für Aufschäumrate) bemessen wird, können Schäume unterschiedlicher Stabilität und Trockenheit produziert werden. Definitionen der Herstellungsparameter und Einflüsse auf Schaumproduktion und -qualität finden sich z. B. in [27]. Durch das Einbringen von Schäumen beim Abbauprozess in den Boden kann sowohl eine verbesserte Kompressibilität, als auch eine verdrängende Wirkung in der Ortsbrust gegen anstehendes Grundwasser erzeugt werden. Des Weiteren erlangt der Boden durch die Zugabe von Schaum eine Fließfähigkeit und weist bei richtiger Dosierung ein plastisches Fließverhalten ähnlich einem (wasserkonditionierten) kohäsiven Boden auf. Zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Stabilität des Gemisches sind lange Dränagezeiten anzustreben, damit der Zersetzungsprozess des Schaums im Stützmaterial möglichst langsam vonstatten läuft. Eine Luftblasenbildung in der Firste sorgt für eine ungleichmäßige und ggf. unzureichende Druckübertragung an die Ortsbrust und stellt zusätzlich eine Gefahr für die Ausbläsersicherheit dar [16].

Fig. 7. Lab tests for the investigation of the foam quality according to [30]: foaming behaviour, drainage behaviour, compressibility and bubble size Bild 7. Laborversuche zur Bestimmung der Schaumqualität nach [30]: Aufschäumverhalten, Drainagestabilität, Kompressionsverhalten und Bläschengröße

Fig. 8. Lab tests for the investigation of the conditioning behaviour of soils according to [30]: workability, compressibility, hydraulic conductivity, shear strength and density Bild 8. Laborversuche zur Untersuchung der Konditionierbarkeit von Böden nach [30]: Verarbeitbarkeit, Kompressionsverhalten, Wasserdurchlässigkeit, Scherfestigkeit und Dichte

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pressures, conveying distance and foam gun type. The foam produced is then tested for its expansion behaviour under the selected parameters. If the actual FER, which can be determined by measuring the density, exceeds the previously determined tolerance deviations from the intended value, the production parameters will have to be correspondingly corrected, see [30]. The foam is then tested for stability. Small bubbles are an indicator of good stability, since the lamellas between the bubbles are very small and the liquid phase of the foam can only drain with difficulty. A high drainage time is therefore advantageous. For the conditioning of the corresponding soil – grading distribution and water content are assumed to be known – suitable injection rates then have to be determined, which agree with the guideline values for workability (slump between 10 and 20 cm) and hydraulic conductivity (k < 10–5 m/s) and will thus show sufficient stability against sedimentation. This iterative process is repeated until the requirements are fulfilled. The process can be performed analogously for the use of several or different conditioning agents. Particular attention should be paid to the different tunnelling situations in highly permeable soils. During short interruptions, for example for ring building, adequate sealing of the face has to be maintained, which may require the use of further conditioning agents. During longer stoppages and above all for compressed air interventions, it is not possible to seal the face just by injecting foam, in which case it will also be necessary to use bentonite suspension. The results of laboratory tests can however only be used as index values for practical applications since production and the use of conditioning agents are only tested under atmospheric conditions. Nonetheless, tests do offer a good way of reaching a basic understanding of the processes and feasibility of conditioning

4 Tunnelling in rock 4.1 Challenges In sections of mixed-face conditions, i.e. in the transition zone between rock and soil, the question of face support is especially important. On the one hand, the various strata pose various requirements for the required support pressure, see [37], and on the other hand the support medium is continuously mixed from the various soil and rock types and can thus significantly alter the properties of the material in the excavation chamber. Immediate reaction through soil conditioning to such constant change is very difficult to achieve because the lengths of such transition zones and the mixing ratios are normally unknown. The degree of crushing and the breaking behaviour of the solid rock during excavation and transport are also unknown, see [26].

4.2 Conditioning The degree of crushing is of decisive importance for the conditioning of sedimentary rocks or mixtures of rock chips and soil. Depending on the nature of the rock encountered, the tools fitted to the cutting wheel and the thrust force or penetration, different quantities of rock

Die Zugabe von Schaum erfolgt durch Injektionspunkte am Schneidrad, an der Druckwand und im Schneckenförderer. Das Zugabevolumen kann in Abhängigkeit von Vortriebsgeschwindigkeit und Abbaudurchmesser über den Konditionierungsparameter FIR (Foam Injection Ratio) gesteuert werden. Üblicherweise wird für jeden Injektionspunkt eine eigene Schaumlanze verwendet, doch werden die Schaumvolumenströme meistens nicht für jede Schaumlanze gezielt definiert, sondern eher für die drei Konditionierungsbereiche Schneidrad, Abbaukammer, Schneckenförderer. Es ist dabei zu beachten, dass sich die FIR auf den Gesamtschaumbedarf bezieht, wie aus folgender Gleichung ersichtlich: FIR =

(

QF · 100 [%] v Adv · A Exc

)

Darin sind QF der Gesamtschaumvolumenstrom [m³/s], vAdv die Vortriebsgeschwindigkeit [m/s] und AExc die kreisförmige Abbaufläche [m²]. Sollten sich die maßgebenden Eigenschaften des Stützmediums (Fließfähigkeit, Durchlässigkeit, Kompressibilität und Stabilität) allein durch die Schaumzugabe nicht ausreichend einstellen lassen, ist ggf. eine erweiterte Konditionierung mit Polymeren oder Feinstoffsuspensionen notwendig. Der Einsatz von Feinstoffsuspensionen erhöht künstlich den Feinanteil des abgebauten Bodens und verschiebt somit theoretisch den Einsatzbereich des Erddruckschilds im Einsatzdiagramm weiter in den feinkörnigen Bereich. Die Zugabe von Suspensionen erfordert jedoch eine separate Injektionsvorrichtung auf der Maschine und bedarf zusätzlicher Qualitätssicherung und ist mit erhöhten Kosten und weiterem logistischen Aufwand verbunden. Auch das Deponievolumen vermehrt sich durch den Mehreintrag an Material, sodass der Feinstoffeinsatz möglicherweise doppelt mit Kosten belegt ist. Solche Situationen können mit ein ausschlaggebender Faktor für den wirtschaftlichen Einsatz eines Erddruckschildes in grobkörnigen Böden sein. Daher gilt es, im Vorfeld die Machbarkeit und die Grenzen des Einsatzes zu ermitteln. Der Einsatz von Polymeren ist produktabhängig und wird dem Schaum oder separat als Suspension direkt in die Abbaukammer zuzugeben [17]. Besonders die sogenannten Superabsorber unter den Polymeren können durch ihr großes Wasserbindevermögen bereits in verhältnismäßig kleinen Mengen die Stabilität des Stützmediums beeinflussen. Welche Konditionierungsmittel auch immer eingesetzt werden sollen, eine genaue Bestimmung der Konditionierungsparameter aus der Kornverteilungskurve kann nicht erfolgen. Erfahrungswerte mit ähnlichen Baugründen können helfen, vgl. [11] [15], jedoch können schon geringe Abweichungen in Lagerungsdichte, Mineralogie, Wassergehalt und Feinkornanteil zu großen Unterschieden in den Anforderungen an die Bodenkonditionierung führen. Daher sollten Anhaltswerte wie für die Höhe der FIR in Laborversuchen ermittelt werden, vgl. [20] [29].

3.3 Empfehlungen für Laborversuche In kooperativen projektbezogenen Arbeiten von Forschung und Praxis hat sich gezeigt, dass Laborversuche ei-

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chips and fines are cut from the face [12]. The excavated material can be described in a grading distribution curve, which enables assignment to an area of application of the tunnelling machine according to the recommendations in Section 1.2. According to [21], the fraction smaller than 1 mm is decisive for the conditioning behaviour. Since realistic simulation of the excavation process is not possible in the laboratory, the process of crushing the rock, with different levels of energy input and possibly different types of loading on the rock, has a major effect on the resulting grading distribution. For example, the same rock crushed manually (hammer) or mechanically (jaw breakers, roller crusher) can result in different distribution curves. Considering these conditions, laboratory tests can otherwise be performed for cohesive and non-cohesive soils according to the recommendations stated above and deliver information about the feasibility of conditioning, see [21] [36]. The dispersion behaviour of variable solid rock in the excavation chamber also has to be considered since this can lead to changed conditioning behaviour and clogging risk [14].

5 Summary and outlook Soil conditioning in EPB tunnelling has a decisive effect on the properties of the support medium. Both the addition of water and of conditioning agents like foam or fines change the flow capability, hydraulic conductivity, stability and compressibility, depending on the type ground. Adequate soil treatment is possible both in overconsolidated clays and in highly permeable soils with and without solid rock content. Useful information for the conditioning of the ground can be gained from laboratory tests or tests on site as the tunnel advances. Tunnelling in overconsolidated clays demands intensive evaluation of the influential parameters to ensure adequate material flow without risking clogging. In order to be able to obtain more realistic estimates of the feasibility of conditioning and the conditioning parameters, (uniform) test procedures for the testing of conditioned soils under support pressure conditions should be developed. The results of laboratory tests can also contribute to the development of material models and constitutive laws for scientific research into face stability (e.g. the rheological characterisation of the support medium). In this way, realistic pressure distributions for support pressure calculations could be investigated or the flow behaviour of the material in the excavation chamber could be simulated. References [1] Abe, T., Sugimoto, Y., Ishihara, K.: Development and application of environmentally acceptable new soft ground tunnelling method. In: Tunneling under difficult conditions – Proceedings of the International Tunnel Symposium. pp. 315–320. Pergamon Press, 1978. [2] Anagnostou, G., Kovári, K.: Face Stability Conditions with Earth-Pressure-Balanced Shields. Tunnelling and Underground Space Technology 11 (1996), pp. 165–173. [3] Babendererde, S., Hoek, E., Marinos, P., Cardoso, A.S.: EPBTBM 2005 – Face support control in the Metro do Porto project, Portugal. RETC. Seattle, 2005.

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ne gute Hilfestellung bei der Planung von Schildvortrieben hinsichtlich der Konditionierung sein können, vgl. [6] [11] [29]. Zur Bestimmung der Qualität von Schäumen für die Bodenkonditionierung und von konditionierten Böden existieren einige Ansätze (z. B. [11]), jedoch keine standardisierten Laborversuche. So wurden in der jüngeren Vergangenheit und werden aktuell z. B. in Bochum [8] [19], Lyon [25], Oxford und Cambridge [7] [22], Delft [4], Turin [5] [33] und Aachen [32] Forschungsprojekte zur Bodenkonditionierung von grobkörnigen Böden bei Erddruckschildvortrieben bearbeitet. Auch wenn sich die Schwerpunkte in den Forschungsarbeiten unterscheiden, wurden teilweise ähnliche Versuchsserien durchgeführt. Eine einheitliche Definition wesentlicher Eigenschaften und Versuchsmethoden (Versuchsaufbau und -durchführung) erfolgte aber nicht. In [30] werden Versuche explizit für Schäume (Bild 7) und Boden-Schaum-Gemische (Bild 8) vorgestellt, die zum Teil auch vortriebsbegleitend auf der Baustelle durchgeführt werden können. Basierend auf diesen Laborversuchen kann das Vorgehen bei projektbezogenen Konditionierungsversuchen angelehnt an [24] durchgeführt werden. Nachfolgend wird dieses exemplarisch für die reine Schaumkonditionierung dargestellt. Zunächst werden erste Parameter zur Schaumproduktion wie die Konzentration cf, die Aufschäumrate FER, der Schaumvolumenstrom QF unter Berücksichtigung weiterer Produktionsparameter wie Förderdrücke, Förderlänge und Schaumlanzentyp abgeschätzt. Der produzierte Schaum wird dann zunächst auf sein Aufschäumverhalten unter den gewählten Parametern untersucht. Überschreitet die tatsächliche FER, die sich über Dichtemessungen ermitteln lässt, die zuvor festgelegten Toleranzabweichungen vom SollWert, müssen die Herstellungswerte entsprechend korrigiert werden, vgl. [30]. Der Schaum wird dann hinsichtlich seiner Stabilität untersucht. Dabei sind kleine Bläschen ein Indikator für eine hohe Stabilität, da die Lamellen zwischen den Blasen sehr klein sind und die flüssige Phase des Schaums nur schwerlich ausdränieren kann. Dementsprechend ist eine hohe Dränagezeit erstrebenswert. Zur Konditionierung eines entsprechenden Bodens – Kornverteilung und Wassergehalt werden als bekannt vorausgesetzt – müssen dann geeignete Injektionsraten bestimmt werden, die mit den Richtwerten der Verarbeitbarkeit (Setzmaß zwischen 10 und 20 cm) und der Wasserdurchlässigkeit (k < 10–5 m/s) Konform gehen und dabei eine ausreichende Sedimentationsstabilität aufweisen. Dieser iterative Prozess wird so lange wiederholt, bis die Anforderungen erfüllt sind. Beim Einsatz mehrerer oder anderer Konditionierungsmittel kann weitestgehend analog verfahren werden. Besonderes Augenmerk sollte bei stark durchlässigen Böden noch auf die unterschiedlichen Vortriebssituationen gelegt werden. Bei kurzen Stillstandszeiten, z. B. während des Ringbaus, muss eine ausreichende Ortsbrustversiegelung aufrechterhalten werden können. Gegebenenfalls kann dann eine Verwendung von weiteren Konditionierungsmitteln erforderlich werden. Bei längeren Stillständen und vor allem bei Drucklufteinstiegen ist eine Ortbrustversiegelung allein durch Schaumvorinjektion nicht möglich, sondern hier ist die zusätzliche Verwendung einer Bentonitsuspension erforderlich.

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[4] Bezuijen, A., Schaminée, P.E.L.: Simulation of the EPBshield TBM in model test with foam as additive. In: Proceedings of IS-Kyoto 2001 conference on Modern Tunneling Science and Technology, 2001, pp. 935–940. [5] Borio, L.: Soil conditioning for cohesionless soils. Ph.D. thesis, Politecnico di Turino, 2010. [6] Borio, L., Peila, D., Oggeri, C., Pelizza, S.: Effects of Foam on Soil Conditioned Behaviour. In: Safe Tunneling For The city and for The Environment, 35th World Tunnel Congress 2009 – Safe tunneling for the city and for the Environment. Budapest, 2009. [7] Borghi, X.: Lubrication and soil conditioning in pipejacking and tunnelling. PhD Thesis, Cambridge University, 2006. [8] Budach, C.: Untersuchungen zum erweiterten Einsatz von Erddruckschilden in grobkörnigem Lockergestein. Dissertation Ruhr-Universität Bochum, 2012. [9] Budach, C., Thewes, M.: Erweiterte Einsatzbereiche von EPB-Schilden. geotechnik 36 (2013) No. 2, pp. 96–103. [10] DIN EN 12350-2: Prüfung von Frischbeton, Teil 2: Setzmaß. Berlin: Beuth Verlag, 2009. [11] EFNARC: Specification and Guidelines for the use of specialist products for Soft Ground Tunnelling. Farnham, 2001. [12] Farrokh, E., Rostami, J.: Correlation of tunnel convergence with TBM operational parameters and chip size in the Ghomroud tunnel, Iran. Tunnel and Underground Space Technology 23 (2008), pp. 700–710. [13] Feinendegen, M., Ziegler, M., Weh, M., Spagnoli, G.: Clogging during EPB Tunnelling: Occurrence, classification and new manipulation methods. In: ITA-AITES World Tunnel Congress 2011, pp. 767–776. Helsinki, 2011. [14] Hollmann, F., Thewes, M.: Assessment method for clay clogging and disintegration of fines in mechanised tunnelling. Tunnel and Underground Space Technology 37 (2013), pp.96–106. [15] Kusakabe, O., Nomoto, T., Imamura, S.: Geotechnical criteria for selecting mechanised tunnel system and DMM for tunnelling. In: Proceedings of 14th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Vol. 4, pp. 2439–2440. Hamburg, 1997. [16] Langmaack, L.: EPB-Vortrieb in inhomogenen Böden: Möglichkeiten neuer Konditionierungsmittel. Tunnel- und Tiefbautagung 2004, Györ, pp. 121ff. [17] Langmaack, L.: Konditionierung des Ausbruchsmaterials zur Stützung der Ortsbrust. geotechnik 29 (2006), pp. 199–205. [18] Maidl, B., Herrenknecht, M., Maidl, U., Wehrmeyer, G.: Mechanised Shield Tunneling. Berlin: Ernst & Sohn, 2006. [19] Maidl, U.: Erweiterung der Einsatzbereiche der Erddruckschilde durch Bodenkonditionierung mit Schaum. Ph.D. thesis, Ruhr-Universität Bochum, 1995. [20] Peila, D., Oggeri, C., Borio, L.: Using the slump test to assess the behaviour of conditioned soils for EPB Tunneling. Environmental & Engineering Geoscience 15 (2009), No. 3, pp. 167–174. [21] Peila, D., Picchio, A., Chieregato, A.: Earth pressure balance tunnelling in rock masses: Laboratory feasibility study of the conditioning process. Tunnel and Underground Space Technology 35 (2013), pp. 55–66. [22] Pena, M.: Foam as a Soil Conditioner in Tunnelling: Physical and Mechanical Properties of Conditioned Sands. Ph.D. Thesis, University of Oxford, 2007. [23] Prinz, H., Strauß, R.: Abriss der Ingenieurgeologie. Heidelberg: Spektrum, 2006. [24] Quebaud, S., Morel, E.: Verwendung von Schäumen im Mikrotunnelbau. In: Conference Documentation International No-Dig, pp. 375–398. Dresden 1995.

Die Ergebnisse aus Laborversuchen können aber auch nur als Indexwerte für den Praxiseinsatz genutzt werden, da Herstellung und Einsatz der Konditionierungsmittel unter atmosphärischen Bedingungen untersucht werden. Die Versuche bieten aber trotzdem eine gute Möglichkeit für ein grundsätzliches Verständnis der Vorgänge und Machbarkeiten während der Konditionierung.

4 Vortrieb in Festgestein 4.1 Herausforderungen In Bereichen gemischter Ortsbrust, d. h. in den Übergangszonen zwischen Fest- und Lockergestein, ist die Frage der Ortsbruststützung von besonderer Bedeutung. Einerseits stellen die verschiedenen Schichten unterschiedliche Anforderungen an den erforderlichen Stützdruck, vgl. [37], andererseits wird das Stützmedium kontinuierlich aus den unterschiedlichen Boden- und Gesteinsarten zusammengemischt und kann dadurch die Eigenschaften des Materials in der Abbaukammer signifikant verändern. Eine unmittelbare Reaktion in der Bodenkonditionierung auf diese stetige Veränderung ist sehr schwer vorzunehmen, da die Längen solcher Übergangszonen und die Mischungsverhältnisse meist nicht genau bekannt sind. Des Weiteren sind Zerkleinerungsgrad und Lösungsverhalten des Festgesteins beim Abbau- und Transportvorgang nicht bekannt, vgl. [26].

4.2 Konditionierung Von entscheidender Bedeutung der Konditionierung von Sedimentfestgestein bzw. Gemischen von Gesteinschips und Boden ist der Zerkleinerungsgrad. In Abhängigkeit des anstehenden Gesteins, des Schneidradbesatzes und der Anpresskraft bzw. Penetration werden unterschiedliche Anteile an Gesteinschips und Feinkorn aus der Ortsbrust gelöst [12]. Das gelöste Material kann in einer Kornverteilungslinie wiedergespiegelt werden. Hiernach kann wieder eine Einordnung des Einsatzbereichs der Vortriebsmaschine entsprechend der Empfehlungen in Kapitel 1.2 erfolgen, wobei nach [21] die Kornfraktionen kleiner 1 mm maßgebend für das Konditionierungsverhalten sind. Da eine realitätsnahe Simulation des Lösevorgangs in Laborversuchen nicht möglich ist, wirkt sich das Verfahren zur Zerkleinerung von Festgestein durch unterschiedlichen Energieeintrag und ggf. andere Beanspruchungsarten des Gesteins stark auf die sich ergebende Kornverteilungskurve aus. So können sich für das gleiche Gestein zum Beispiel durch manuelle (Hammer) und durch maschinelle Zerkleinerung (Backenbrecher, Walzenbrecher) verschiedene Kornverteilungskurven ergeben. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen können ansonsten Laborversuche entsprechend den vorgenannten Empfehlungen für bindige und nichtbindige Böden durchgeführt werden und einen Hinweis auf die Konditionierbarkeit liefern, vgl. [21] [36]. Auch das Auflösungsverhalten von veränderlichen Festgesteinen in der Abbaukammer muss berücksichtigt werden, da sich dadurch das Konditionierungsverhalten und das Verklebungsrisiko verändern können [14].

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[25] Quebaud, S., Sibai, M., Henry, J. P.: Use of chemical foam for improvements in drilling by earth-pressure balance shields in granular soils. Tunnelling and Underground Space Technology 13 (1998), pp. 173–180. [26] Thewes, M.: Schildvortrieb mit Flüssigkeits- oder Erddruckstützung in Bereichen mit gemischter Ortsbrust aus Fels und Lockergestein. geotechnik 27 (2004), No. 2, pp. 214–219. [27] Thewes, M., Budach, C.: Soil conditioning with foam during EPB tunnelling/Konditionierung von Lockergesteinen bei Erddruckschilden. Geomechanics and Tunnelling 3 (2010), No. 3, pp. 256–267. [28] Thewes, M., Budach, C.: Schildvortrieb mit Erddruckschilden: Möglichkeit und Grenzen der Konditionierung des Stützmediums. In: Tagungsband 7. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, pp. 171–183. Technische Akademie Esslingen 2010. [29] Thewes, M., Budach, C., Galli, M.: Laboruntersuchungen von verschiedenen konditionierten Lockergesteinsböden für Tunnelvortriebe mit Erddruckschildmaschinen. Tunnel 6/2010, pp. 21–30. [30] Thewes, M., Budach, C., Galli, M.: Vortrieb mit Erddruckschilden: Empfehlungen für Laboruntersuchungen zur Bestimmung wesentlicher Eigenschaften von Konditionierungsmitteln und konditionierten Lockergesteinen. In: Tagungshandbuch 8. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, pp. 111–125. TA Esslingen, 2012. [31] Thuro, K., Käsling, H.: Classification of the abrasiveness of soil and rock/Klassifikation der Abrasivität von Boden und Fels. In: Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 2, pp. 179–188. [32] Vennekötter, J.: Separationsfreier Mikrotunnelbau durch Pumpförderung schaumkonditionierter Böden. Dissertation RWTH Aachen, 2012. [33] Vinai, R.: A contribution to the study of soil conditioning techniques for EPB TBM applications in cohesionless soils. Ph.D. thesis, Politecnico di Turino, 2006. [34] Vinai, R., Oggeri, C., Peila, D.: Soil conditioning of sand for EPB applications: A laboratory research. Tunnelling and Underground Space Technology 23 (2008), No. 3, pp. 308–318. [35] Weh, M, Zwick, O., Ziegler, M.: Maschinenvortrieb in verklebungsanfälligem Baugrund, Teil 1+2. Tunnel 1/2009, S. 24–36, 2/2009, pp. 18–28. [36] Wittke-Schmitt, B., Schmitt, D.: Untersuchung zur Verbreibarkeit von Fels. geotechnik 33 (2010), pp. 169–174. [37] Zizka, Z., Schößer, B., Thewes, M.: Face Stability Assessment of Large-diameter Slurry Shields. In: Proceedings of Euro:Tun 2013, 3rd International Conference on Computational Methods in Tunneling and Subsurface Engineering, pp. 663–674. Ruhr-Universität Bochum 2013.

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5 Zusammenfassung und Ausblick Die Konditionierung beim Vortrieb mit Erddruckschilden hat einen maßgeblichen Effekt auf die Eigenschaften des Stützmediums. Sowohl der Einsatz von Wasser als auch von Konditionierungsmitteln wie Schaum oder Feinstoffen verändern in Abhängigkeit des Baugrunds Fließfähigkeit, Durchlässigkeit, Stabilität und Kompressibilität. Eine adäquate Bodenaufbereitung ist sowohl in überkonsolidierten Tonen wie auch in stark durchlässigen Böden mit und ohne Festgesteinsbestandteilen möglich. Wesentliche Hinweise zur Konditionierung des Baugrunds können in Labor- oder vortriebsbegleitenden Versuchen gewonnen werden. Dabei erfordert der Vortrieb in überkonsolidierten Tonen eine intensive Bewertung der Einflussparameter hinsichtlich eines ausreichenden Materialflusses, ohne Verklebungen zu begünstigen. Um realistischere Einschätzungen der Konditionierbarkeit und der Konditionierungsparameter vornehmen zu können, sind (einheitliche) Testmethoden zur Untersuchung des konditionierten Bodens unter Stützdruckbedingungen zu entwickeln. Die Erkenntnisse aus Laboruntersuchungen können ferner zur Entwicklung von Materialmodellen und Stoffgesetzen für die wissenschaftliche Forschung zur Ortsbruststabilität (z. B. rheologische Charakterisierung des Stützmediums) beitragen. Damit könnten wirklichkeitsnahe Druckverteilungen für die Stützdruckberechnungen untersucht oder das Fließverhalten des Materials in der Abbaukammer abgebildet werden.

Dipl.-Ing. Mario Galli Institute for Tunnelling and Construction Management Ruhr University Bochum Universitätsstraße 150, IC 6-127 44801 Bochum Germany mario.galli@rub.de Prof. Dr.-Ing. Markus Thewes Institute for Tunnelling and Construction Management Ruhr University Bochum Universitätsstraße 150, IC 6-127 44801 Bochum Germany markus.thewes@rub.de

Topics Rainer Rengshausen Riku Tauriainen Andreas Raedle

DOI: 10.1002/geot.201400001

TBM and spoil treatment selection process – case history Crossrail C310 Thames Tunnel Slurry TBM versus EPB TBM The contract C310 comprises the construction of the Plumstead and North Woolwich Portals and the twin tube Thames Tunnel, which has a length of approximately 2.6 km between the two portals. The two TBMs used for the construction of the Thames Tunnel will drive through varying ground conditions (Thanet Sand, River Terrace Deposit (gravel), and chalk) below the water table. During the drive under the River Thames, the tunnels will only have an overburden of approximately 12 m. The effect of pressure variation due to the tidal River Thames has to be accounted for in the control of the tunnelling. The tunnel will pass underneath several grade II listed buildings, utilities, adjacent to operational railway tracks and close to existing subway tunnels. Previous experience of the handling and disposal of excavated chalk has been gained on several tunnelling projects in chalk, most notably the Dartford Road Tunnels, the Channel Tunnel, the Brighton Stormwater Tunnel, the Lille Metro Tunnel, the Socatop Road Tunnel near Paris and Channel Tunnel Rail Link CTRL 320. The Contract allowed for both Mixshield and EPB TBM Technology. The advantages and disadvantages of a TBM-S with Earth Pressure Balanced face support (EPB-TBM) and a TBM-S with Slurry Face support (Mix-Shield TBM) for the C310 Thames Tunnels were discussed after contract award and a comparative risk assessment was developed. A Mixshield TBM is more expensive but outperformed the EPB TBM in the overall scoring of risk assessment and therefore it has been decided to use this type at C310.

1 C310 Thames Tunnel project overview 1.1 Project Crossrail Crossrail, the biggest infrastructure project in Europe, is a new major cross-London rail link project, which has been developed to link east to west by crossing the heart of London and its important business locations. It will bring 1.5 million people within 45 minutes commuting distance of London’s key business districts. The project includes the construction of a twin-bore tunnel on a west-east alignment under Central London and the upgrading of existing National Rail lines to the east and west of Central London. The new rail line (Fig. 1) starting in Shenfield/Abbey Wood in the east of London and ending in Maidenhead/ Heathrow Airport in the west of London includes the construction of eight central area underground stations, which will provide interchanges with London Underground, National Rail and London Bus services, as well as the upgrading or renewal of existing stations outside cen-

tral London. The estimated construction cost volume is approximately € 18 bn overall. Altogether there will be 118 km of new rail track, including 42 km of tunnels and 37 train stations.

1.2 Contract C310 Thames Tunnel (Bored tunnel drive H) Hochtief Murphy Joint Venture (HMJV) is responsible for the construction of two tunnels underneath the River Thames, under the contract name C310 Thames Tunnel. The contract C310 comprises the construction of both the Plumstead and North Woolwich Portals, as well as the twin tube Thames Tunnel which has a length of approximately 2.6 km between the two portals. Contract commencement date was in early March 2011; in November 2011 the construction of the tunnel portal at Plumstead commenced. The main tunnelling works started in January 2013 and the anticipated completion of the tunnelling work including cross passages and pump sumps is September 2014. Completion of the whole works is expected mid June 2015. C310 is a challenging project, both technically and operationally, due to its location and difficult geotechnical conditions. The two TBMs will drive through varying ground conditions (Thanet Sand, River Terrace Deposit (gravel), and chalk) below the water table (Fig. 2). During the drive under the River Thames, the tunnels will only have an overburden of approximately 12 m. The effect of pressure variation due to the tidal River Thames has to be accounted for in the control of the tunnelling. Additionally, the drive under the River Thames is characterized by fissured and weathered chalk and layers of discontinued sediment discharge. The tunnel will pass underneath several grade II listed buildings, utilities, adjacent to operational railway tracks and close to existing subway tunnels.

2 Geotechnical and hydrogeological conditions 2.1 Geotechnical conditions The encountered River Terrace Deposits (gravel) are typically described as: medium dense to very dense, grey (orange or green) brown or dark grey, slightly silty, slightly clayey, fine to coarse sand and fine to coarse subangular to rounded flint gravel. The sand and gravel proportions vary from very gravelly sand to sandy gravel. Quartzite and flint cobble are found occasionally.

R. Rengshausen/R. Tauriainen/A. Raedle Âˇ TBM and spoil treatment selection process â&#x20AC;&#x201C; case history Crossrail C310 Thames Tunnel

Fig. 1. Crossrail project overview and route

Fig. 2. Geotechnical longitudinal section

The Thanet Sand is predominately a sequence of finegrained sand beds, with higher proportions of clay and silts in the lower part. The unweathered formation is grey to brownish grey, and at the surface it weathers to a pale yellowish grey. The basal Bullhead Bed is a conglomerate comprised of rounded coarse flint gravels and nodular flints in a matrix of dark greenish grey, clayey fine to coarse grained sand. It is described as dense to very dense. Approx. 80 % of the C310 tunnel cross section is located in chalk. Chalk is generally considered to be a soft/weak rock, a very pure white limestone formed from the skeletal remains of sub-microscopic algae. However, unlike many limestones, chalk is very widespread as a consequence of its entirely planktonic origin. Two features commonly found in chalk are flints and marl seams. Flint

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is a microcrystalline silica rock that occurs as dispersed, usually black nodules or as tabular bands or sheets. Flints represent very strong, brittle inclusions in contrast to the comparatively weak host chalk matrix. Marl seams are horizons with increased concentrations of clay. Two different chalk layers are encountered by the C310 tunnel, the chalk of the Haven Brow Beds and the Cuckmere Beds. The chalk at the top of the layer is very weak, highly weathered and described as low density white chalk improving in both strength and density with depth. Generally the chalk is described as medium density chalk. The geotechnical and geological grading of the chalk has a range from A to Dc. Chalk Engineering Grade of A1 is considered to be the highest rock mass quality, with Dm considered to be the worst rock mass quality.

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Fig. 3. Groundwater diagram

CIRIA publication 574 [1] introduces a general procedure for chalk grading depending on the density, discontinuity aperture and discontinuity spacing.

2.2 Groundwater conditions There are two aquifers within the London area. The main deep aquifer is located in the Chalk Group whereas the River Terrace Deposits contain the second, shallow aquifer. In the eastern part of London, these two aquifers are in hydrostatic contact, as at C310 Thames Tunnel. A response to the tidal motion of the River Thames was observed, dependent on the distance to the river. A minimum and a maximum water level were derived from the geotechnical investigations. The maximum is set at 104.5 m ATD whereas the minimum is set at 96.5 m ATD (above tunnel datum). A variation of ± 4 m to the average groundwater level of 100.5 m ATD can be found in close proximity to the River Thames (Fig. 3). This is due to the ± 3.5 m tidal influence. The rest of the tunnel alignment has a preset variation of ± 1 m. In addition to the values given by Crossrail [4], further investigations were undertaken. The long-term measurements were reviewed and continuous reading of piezometer measurements was carried out over a time period of four weeks. From this information, the three design water levels were defined (see Fig. 3). These design levels indicate the pore water pressure in the present aquifer. The support pressure calculations were carried out using these three design levels.

Fig. 4. Tunnelling in proximity of Network Rail Assets

3 TBM tunnelling underneath sensitive structures and buildings and within tidal influence 3.1 TBM launching in close proximity to operational NKL with low overburden Directly after cutting through the diaphragm walls at Plumstead Portal, the TBMs excavate in the Network Rail zone of influence for a duration of approx. 36 calendar days each close/adjacent to the operational North Kent Line and underneath the White Hard Road Bridge and Cathedral Substation (Fig. 4). The tunnel cross-section here is located in mixed-face conditions (gravel, Thanet

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Sand and chalk) with shallow overburden of approx. 7 to 10 m for the first 150 m of tunnelling. Real-time monitoring devices were installed consisting of ATS and prisms on the railway and hydrostatic levelling cells on the bridge and the Cathedral Substation. The HMJV monitoring system, Advanced Tunnel Drive Steering (ATDS), collects any movement and potential settlement on a continuous 24/7 basis and shows the data in real time. For the commencement of the tunnelling works, a so called LONO (Letter of no objection) is required from Network Rail otherwise tunnelling is not allowed to start. Settlements are to be minimised and support pressure has to be controlled in a safe and robust manner to maintain the confidence of Network Rail and demonstrate assurance.

3.2 Tunnelling underneath sensitive structures Along the alignment, further sensitive structures had to be underpassed (Southern Outfall Sewer, Royal Mail Building and Middlegate House) and overpassed (Docklands Light Railway tunnel with approx. 2 m clearance). To prevent settlement from tunnelling operations underneath the Cathedral Substation and Middlegate House, compensation grouting was designed and implemented independent of the TBM type. The White Hart Road Bridge is located west of the main worksite at Plumstead approximately 40 m from the launch headwall. To mitigate settlement caused by tunnelling operations, the foundation of the bridge had to be supported, with a micro-pile and soil anchor scheme being the preferred method of underpinning to strengthen/support the foundation of the White Hart Road Bridge.

Fig. 5. Tunnelling underneath the Thames

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3.3 Tunnelling within tidal influence and underneath the River Thames In this area, the pressure variation due to the effects of the tidal River Thames has to be taken into account for tunnelling (Fig. 5). Due to the proximity to the sea, the Thames water level and therefore the adjacent groundwater level are highly affected by tides. The duration of one tidal cycle is about 12 h, corresponding to two cycles with two minimum trough and two maximum peaks per day. Between low tide and high tide, the Thames water level alternates in general up to 8 m, causing relevant face pressure changes of approx. 0.8 bar. Therefore the support pressure has to be constantly reviewed and appropriately adapted. An additional consideration is the time dependence of the damping. The delay measured in the boreholes adjacent to the river was approximately 0.5 h. This time effect will be covered by an increase of the pore water pressure by 2.5 m for low Thames water levels. The increase of 2.5 m creates a confined pore pressure at lowest Thames water level. The damped value is used to calculate the corresponding theoretical support pressure. Detailed operational tables for the support pressure for the regular tunnel drive were derived from detailed calculations. For each ring position and tunnel metre respectively, the corresponding pressures for the three different water levels were compiled and interpolated between the calculation cross-sections. Based on these tables, an automatic calculation and respective correlation of the support pressure to the tidal measurements (displayed damped water level) takes place within the TBM Data Process Management System TPC. Subsequently the theoretical support pressure is displayed. The damped water level for the calculation of the

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theoretical support pressure is capped at a minimum of 99 m ATD although the minimum design river water level is 96.5 m ATD. The reason for this is to maintain a conservative assumption. During low Thames water level, we have to assume that, due to the damping effect, some water could remain in the ground so the pore pressure would be higher than the actual river level.

4 TBM machine type selection and spoil treatment 4.1 Principles EPB and Slurry TBM 4.1.1 Principle of TBM with earth pressure balanced (EPB) face The support pressure of a TBM with earth pressure balanced (EPB) face is provided by the resistance of the excavated soil or rock, which is transformed into an earth mud. The latter is remoulded by the excavation tools and the mixing tools at the temporary face and in the extraction chamber, potentially with the aid of liquid or foam conditioning agents. Tunnelling with earth pressure balanced face support is also referred to as EPB mode. The extraction chamber is closed against the tunnel by a pressure wall. Here, the support pressure ps has to balance at least the horizontal rock mass pressure ph and a potential water pressure pw. The pressure induced by the thrust cylinders at the pressure wall is transferred to the earth mud and monitored by pressure gauges mounted on the pressure wall. The earth mud is conveyed by a screw conveyor. The support pressure ps is controlled by the TBM advance speed and the revolution speed of the screw conveyor, the aim being to keep the earth pressure constant during tunnelling. The earth pressure support to the temporary face requires the transformation of the excavated soil/rock mass into an earth mud, i.e. into a soil with soft to very soft consistency, high water absorption capability and low water permeability [2]. The optimised earth mud should be a cohesive soil with soft to very soft consistency to act as the medium required to support the temporary face. On the other hand the consistency of the appropriate earth mud should not be too soft or liquid to avoid potential handling problems on the belt conveyor system and also to guarantee that the subsequent muck disposal can be carried out without any additional measures (e.g. adding quick lime to increase the consistency of the “liquid muck” should be avoided absolutely).

4.1.2 Mixshield TBM tunnelling The TBM finally used on the C310 Thames Tunnel, called a Mixshield TBM, was specially designed for the expected ground conditions, to minimise settlement and also ensure continuous face support control, which can be adjusted in real-time to the appropriate monitored water levels and respective water pressures. A Mixshield TBM can be used as a slurry shield or a compressed air shield machine. Located at the front of the TBM is the cutterhead and behind the cutterhead is the pressure chamber, or excavation chamber, which is divided by a submerged wall. The slurry rises behind the submerged wall and a compressed air cushion applies the necessary pressure onto the slurry

to compensate for pressure fluctuations in this part of the machine [3]. The excavated soil is mixed with the slurry and is then pumped out at the bottom of the excavation chamber for separation at the slurry treatment plant located outside the tunnel. For compressed air support, the pressure chamber is partially or completely filled with compressed air.

4.2 Experience with other tunnels located in chalk Previous experience of the handling and disposal of excavated chalk has been gained on several tunnelling projects through chalk, most notably the Dartford Road Tunnels, the Channel Tunnel, the Brighton Stormwater Tunnel, the Lille Metro Tunnel, the Socatop Road Tunnel near Paris and Channel Tunnel Rail Link CTRL 320 A brief description of the experience gained and problems met on each of these projects is summarised below.

4.2.1 Dartford Road Tunnels These tunnels under the River Thames are large diameter tunnels (10.3 to 10.7 m cut diameter) which were excavated through Upper Chalk with flints using tunnel shields with compressed air working and ground treatment methods [7]. Spoil disposal for the first tunnel (built in the early 1960s) involved transporting the chalk (and the overlying gravels) from the face on a conveyor to a crushing mill located behind the shield, and then pumping it to the surface where it was discharged into 3 m deep settling lagoons. Limited information is available on the geotechnical properties of the chalk spoil but some 105,000 m3 of chalk spoil was handled in this way and with the exception of 5 % of the colloidal material, all the pumped material eventually proved suitable for re-excavation and incorporation into flood protection works [8].

4.2.2 Channel Tunnel – UK side On the British side of the Channel Tunnel, chalk marl was excavated using open face TBMs (5.4 to 8.7 m cut diameter). The excavated material was loaded via a conveyor into 14 m3 side tipping wagons and transported to the Shakespeare Cliff pit bottom, where the wagons tipped into a bunker storage area from which the spoil was conveyed to the surface and deposited by a radial spreader into a lagoon area located behind a newly constructed seawall. The total volume of cut rock was 3.6 million m3 with a peak production rate of 10,000 m3 per day. Minor problems with spoil handling were experienced at the start of the undersea drive for the first 10 km. These were associated with minor inflows of water encountered during excavation, which caused the marl to stick to the wagons. This chalk marl had much higher clay content than the chalk at the CTRL Thames Tunnel [9].

4.2.3 Channel Tunnel – French side On the French side, Upper, Middle and Lower Chalk were excavated using Earth Pressure Balance (EPB) machines (5.6 to 8.8 m cut diameter). Spoil excavated through a

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screw was transported in muck wagons to the Sangatte shaft. There the material was crushed (to less than 20 mm in size) and mixed with 50 % water in a basculeur (tipper), with the resultant slurry being pumped to Fond Pignon reservoir located at a distance of 2 km. Eight twin-piston Putzmeister pumps were used, each able to pump 90 m3/h of slurry through the 250 mm diameter pipes. Problems were experienced during construction in slurrifying the spoil and also with blockages in the pipes, which resulted in significant TBM downtime. The spoil disposal system controlled TBM production rates because it took 45 minutes to process and pump the spoil as against 30 minutes for ring building. On completion of filling, the reservoir held 5.4 million m3 of spoil representing 3.07 million m3 of cut chalk [9].

4.2.4 Brighton Stormwater Tunnel This tunnel through the Upper Chalk with flints was excavated using an EPB machine (6.9 m cut diameter). The excavated material was loaded into muck wagons, which were emptied at the pit bottom onto a conveyor and taken to the surface to be deposited in holding bunkers. Average production was 100 m3/d. Handling problems were experienced with the chalk due to high moisture content, with chalk sticking to the sides of the muck wagons. These problems were exacerbated by large inflows of water entering the tunnel face plus the addition of water needed to wash the muck out of the wagons. Both of these factors significantly wetted up the spoil between the face and the surface. Flocculants and Eimco filter presses were used to reduce the moisture content of the spoil somewhat. It was then transported by road in sealed tipper trucks to the Sheepcote Valley landfill site 2.5 km distant.

4.2.5 Lille Metro Tunnel, Northern France On Contract 4 of the Lille Metro, Upper Chalk with flints was excavated by a roadheader. This was part of the construction of a 1.24 km long twin track railway tunnel, which was 5.8 m high and 6.5 m wide. The progress rate was 25 m/week. The excavated chalk was broken down and crushed to 50 mm size or smaller before water was added to form a slurry. The resulting thick paste was then pumped by Putzmeister sludge pumps up to 600 m horizontally along the tunnel and 30 m up the shaft into a silo above ground. The capacity of the system was 30 m3/h. No problems were reported on this contract but on the adjacent contract, which utilised a Mixshield slurry TBM, problems were encountered because 70 % of the chalk went into suspension [10].

4.2.6 Socatop Road Tunnel, Paris, France Here, Upper Chalk with flints was excavated using an 11.6 m diameter Herrenknecht Mixshield slurry/EPB machine. The chalk had an in-situ dry density of 1.56 t/m3, an in situ moisture content of 26 %, and a UCS of 2.4 MPa. Excavation of the chalk was carried out in open/EPB mode and production was 2,000 m3/d. Chalk spoil was transported from the face via a conveyor to barges before being transported along the River Seine to a

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former sand and gravel pit where it was spread in 0.3 to 1 m thick layers across the ground using low ground bearing pressure bulldozers. Problems were experienced with handling the chalk, especially during periods of wet weather. These problems included breakdowns of the conveyor leading from the TBM face to the barges due to the sticky nature of the chalk, and problems at the main disposal site where the chalk was initially too wet (porridge consistency) and could not be trafficked nor easily worked.

4.2.7 Channel Tunnel Rail Link CTRL 320, London – Mixshield TBM The tunnel spoil totalled some 263,000 m3, of which 80 % was chalk spoil, 18 % gravel with the remaining 2 % comprising soft alluvial clays and peats. The tunnels were both bored from the Swanscombe side. The excavated material was crushed at the face and pumped through a high pressure slurry main back to the surface where it was sent to a treatment plant. The gravels and crushed flints were screened off and then the remaining slurry passed through a series of hydrocyclones and centrifuges to remove the water. The chalk residue was then transported by closed conveyor over a distance of 1 km to Craylands Pit, an old chalk quarry located immediately adjacent to the site. To facilitate the early strength gain required to fulfil the requirements of the land-raising operation, cement was added to the chalk spoil as an integral part of the separation process. The chalk paste was then compacted in layers for future development. Although this constitutes the most environmentally friendly disposal process (and at the same time increased the structural integrity of the existing shear cliff faces), it did however present a significant logistical challenge on the project [5] [6]. Initially the secondary separation plant was equipped with three centrifuges with a total input slurry capacity of 210 m3/h producing 75 m3/h of solids. During the early stages of the down-line tunnel drive, it became evident from the nature and quantity of the chalk slurry to be processed that additional capacity of the secondary system would be required. A decision was made to install an additional three centrifuges bringing the slurry capacity up to 470 m3/h with an output of approximately 170 m3/h of solids. With these additional centrifuges on line, TBM productivity reached over 130 m/week and peaked at 18 rings per day i.e. 27 m/d. The separation plant, centrifuges and flocculent system were maintained and operated by five operatives. The successful and sustainable re-use of the chalk tunnel spoil from the CTRL Thames Tunnel for engineered fill was the result of several years of pre-contract geotechnical investigations and studies, careful plant design, and extensive trials between contract award and the start of tunnelling. Although some early difficulties were experienced in dealing with the chalk slurry and placing the material in the Craylands Lane Pit, these were soon overcome through engineering ingenuity aided by co-operative working between all parties. In chalk earthworks, the general plan is to reduce breaking down of the chalk lumps, adding water, and working the chalk over the winter – however the Thames Tunnel team had to do all three to produce a satisfactory platform for future development.

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Table 1. Comparative risk assessment for TBM selection Requirements 1

Alternatives 2 Slurry TBMs

2 EPB TBMs

Safe

Budget

Within budget

Under budget

Procurement of the TBM systems

More expensive than EPB

Cheaper than slurry

Competition between potential suppliers

Some competition

Several suppliers more competition than on slurry

Cost of tunnelling

Higher power consumption (pumping)

Conditioning required

Treatment cost and disposal of it

More expensive than EPB

Cheaper than slurry but MC above 35 %

Cost of interventions

Lower

Higher and more frequent

Programme

Good and predictable

Average

Daily advance

Neutral

Intervention frequency

Less interventions required

Frequent interventions required

Wear and tear / CH repairs

Low wear and tear

High wear and tear

Down time on other equipment

If muck treatment works – neutral

Settlement minimisation

Good and more controllable

Average

Control of support pressure

Good

Less good

Anticipated volume loss

Could be less than requirements

Could meet requirement but problem in the control zone < 0,5 %

Control of over-excavation

Good

Less good

Adjustment to tidal changes possible

Good

Less good

Safety Interventions Tunnelling operations

Coping with C310 Geology (face support) Good

Average

River Terrace Gravel Deposits

Good

Difficult needs foam/bentonite added

Chalk

Good

Good, high wear

Thanet Sands

Good

Satisfactory

Logistics and disposal of excavated material

Good

Average

Tunnel logistics

Standard

Standard tunnel will be dirty

Shaft logistics

Standard

Zigzag solution and interface with propping

Treatment of excavated material

System required

Not based on system, difficult

35 % Moisture content

Possible if filter presses work

Not possible, only by adding lime, cement etc.

Previous experience (references)

Good

Poor

Tunnelling in similar geology

Very good experience, only spoil treatment requires adequate capacity

Poor

Tunnelling under the Thames

Very good experience

Difficulty sealing screw conveyor

Interventions

Less critical

Requires frequent interventions

Intervention frequency

Low

High

Interventions in different geology

Possible, easier and faster

Possible, takes longer time

Ease of interventions

Easier

Risk minimisation

Good and more predictable

Average and risk of unforeseen events

Risk of cost overrun

Low

High

Risk of programme overrun

Low

High

Risk of settlement

Low

High

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4.3 Client’s specification The contract allowed for both Mixshield and EPB-TBM technology. The advantages and disadvantages of a TBMS with Earth Pressure Balanced face support (EPB-TBM) and a TBM-S with slurry face support (Mixshield TBM) for the C310 Thames Tunnels were discussed after the contract award.

4.4 Comparative risk assessment As described in Chapter 3 for the C310 Project, lack of disruption to the operation of the North Kent Line had to be ensured during the TBM launching phase. Furthermore for tunnelling in areas of low overburden underneath sensitive structures, the control of support pressure and subsequent minimisation of settlements were decisive factors for the final selection of the TBM from the risk management point of view. Nevertheless the following main criteria and requirements for an appropriate selection of the most convenient TBM type were investigated and considered: – Safety, – Within budget/costs, – Programme security, – Settlement minimisation, – Coping with C310 geotechnical conditions, – Logistics, – Treatment of spoil (e.g. disposal of chalk), – Interventions, – Previous experience (e.g. DLR tunnels/CTRL 320), – Risk. HMJV prepared a comparative risk assessment at the start of the project which considered the above listed criteria and an appropriate weighting/scoring/comparison of the different criteria regarding the corresponding TBM Type. Table 1 illustrates and outlines the detailed comparison. The Mixshield TBM is more expensive but outperformed the EPB TBM in overall scoring of risk assessment and therefore it was decided to use this type at C310 (Fig. 6).

4.5 Spoil treatment in chalk, use of filter presses The use of a slurry shield TBM a plant makes it necessary to filter the spoil out of the slurry to recycle it. This task is handled by the STP. To manage the excavated material with a maximum tunnelling advance rate up to 80 mm/ min, a slurry flow rate of 1,600 m3/h has to be treated. This material consists of Thanet sands and chalk with various amounts of flint nodules (5 to 25 %). Especially the particles of the excavated chalk spoil, of which up to 100 % are smaller than 40 μm in size, disperse in the slurry and so additional treatment is carried out with filter presses. To suit the agreed spoil management and disposal scheme, the moisture content of spoil produced from the treatment plant shall not exceed 35 %. The STP consists of the five following principal components (Figs. 7 and 8): – Scalping, desanding and desilting sections, – Slurry management, – Primary slurry preparation,

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Fig. 6. Mixshield TBM, factory acceptance

– Water management, – Treatment of excess mud. A rotating drum with an integrated screen cuts off all material with a size over 8 mm as a scalping unit. This material drops directly onto a belt conveyor and is transported to the dump. All the slurry and the grains, which pass the openings in the screen, are split into three equal volumes and each collected in a small tank. There are three parallel lines including a desanding and desilting section. In each line, a centrifugal pump driven by a 132 kW electric motor feeds the slurry out of the intermediate storage tank to two big cyclones (650 mm in diameter). The underflow of the cyclones is sent to a dewatering screen, where the solids are separated out of the fluids and drop down onto the belt conveyor. The fluids and particles passing the openings are pumped again through the desanding components. The overflow of the cyclones with a size smaller than 70 μm feeds an additional tank for the desilting section, where a similar process starts but with twelve smaller cyclones (250 mm in diameter) and a cut-off size of 40 μm. The underflows of these cyclones are also sent to the dewatering screen. One part of the overflow is sent back to the cyclones and the rest falls by gravity to the slurry management section. The slurry management section includes several tanks to store the regenerated slurry, the waste mud, the main bentonite, a distribution box and two smaller tanks to complete the cycle in various modes. With many sensors, valves and the Programmable Logic Controller (PLC), the plant can run in automatic mode to set the required properties of the slurry for pumping to the excavation chamber. After passing the desanding and desilting sections, the slurry is distributed to be reused in the slurry circuit by sending it to the regenerated slurry tank and the excess slurry is stored in a waste mud (waste slurry) tank. To prevent sedimentation of the solids, two agitators are installed in this tank. The last separation step is the treatment of the waste mud by carrying out a filtration process

R. Rengshausen/R. Tauriainen/A. Raedle Âˇ TBM and spoil treatment selection process â&#x20AC;&#x201C; case history Crossrail C310 Thames Tunnel

Fig. 7. Flowchart and 3D model of slurry treatment plant (STP)

in the filter presses. Before the slurry is pumped into the chambers of the filter presses, a defined amount of lime milk is added, for which lime powder has to be mixed and matured in a preparation unit. Lime milk consists of water and lime powder and is mixed in a process similar to the main bentonite preparation. Depending on the settings for lime milk concentration and lime dosage, which can set in the operators cabin, the required amount of milk is calculated using the values of outflow of waste mud tank mea-

sured by a flowmeter and densimeter. The lime milk is added before a centrifugal pump, which feeds the limed mud into two storage silos before pumping into the filter presses. The purpose of the lime milk for the filtration process is to accelerate the process itself and also to reduce the stickiness of the filter cake surface to improve the discharge of the filter cakes. The filtration process includes the steps of closing, feeding, inflating (only two filter presses), core blast, open-

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enough space to drop out the cakes. The cakes discharge by gravity, assisted by shaking the plates. The cakes fall down into a provided box, where they can be collected by a wheeled loader, mixed up with material from the belt conveyor and loaded onto a truck. References

Fig. 8. Slurry treatment plant

ing and demoulding. There are six filter presses, where each allows a treatment of 14.5 t/h of dry mud. Four of them are normal chamber filter presses with a maximum closing pressure up to 250 bar, operated by two hydraulic jacks. Another two are membrane chamber filter presses, which use an additional squeezing/inflating process after the normal feeding process. Due to this additional process, the closing pressure of 400 bar is much higher. The excess mud treatment starts with the closing of the 100 chambers of a filter press and is followed by mud feeding, with a volume of approximately 7,300 l of limed mud out of the storage silo being pumped into the chambers. The solid particles in the slurry collect on the surface of the filter cloth and create a so-called filter cake. At the same time the water flows through the cake and the cloth into the plates, where it is led through small channels to a drain into a tank. In consequence of the increasing thickness of filter cake, the pressure increases to 7 bar. At this pressure set-point, the feeding pumps are regulated to hold the pressure for a certain time until the filtration process is completed. The feeding process can also end after the use of a measured and calculated water content or a certain minimum flow of filtrate. Before the core blast sequence starts, the inflating mode is carried out in the two membrane filter presses. During this mode, the volume of the chamber is reduced by inflating membranes to the plate working water pressure of 14 bar. The compression removes residual water contained in the cake. The pressure is held over a certain time until the process is ended by a required criterion. After finishing this mode or following the feeding process (filter presses without membranes) respectively, the liquid core in the presses needs to be removed. This is necessary to prevent the liquid mud falling down onto the dry filter cakes. Therefore compressed air is passed through the centre of the filter press to discharge the material into a small tank, where it is pumped back to the limed mud silo. Before the hydraulic pressure is released to allow opening of the plates, the membranes is drained. Then compressed air is fed into hydraulic jacks on both sides between the plates in a defined order to provide

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[1] CIRIA 574: Engineering in Chalk. [2] Wittke, W.: Stability Analysis and Design for mechanized Tunnelling. Geotechnik in Forschung und Praxis, WBIPRINT 6, Essen: VGE-Verlag, 2006. [3] Maidl, B., Herrenknecht, M., Maidl, U., Wehrmeyer, G.: Mechanised Shield Tunneling. 2nd Edition. Berlin: Ernst & Sohn, 2012. [4] Crossrail: Geotechnical Sectional Interpretative, Report 4: Isle of Dogs to Plumstead, Volume 1: Text. Report No. 1D0101-G0G00-00520, Rev. B. 2007. [5] Warren, C. D., Phear, A., Schulthies, T., Gregg, I.: Treatment and Placement of Chalk Spoil from the CTRL Thames Tunnel. Underground Construction, 2003. [6] Tauschinger, M., Gallagher, M., Heron, W., Watson, P., Warren, C. D.: Construction of the CTRL Thames Tunnel. Underground Construction, 2003. [7] Kell, J.: The Dartford Tunnel. Paper 6671. Proc. Inst. Civ. Eng. 22 (1963), pp. 359–372. [8] Shutter, G. B., Bell, G. A.: Design and construction of the second Dartford Tunnel. Tunnelling 79, Inst. Mining & Metallurgy, pp. 331–337. [9] Varley, P., Shuttleworth, P.: Spoil Disposal. In Harris, Hart, Varley, Warren (eds.) Engineering Geology of the Channel Tunnel. pp.174-193. London: Thomas Telford, 1996. [10] N.N.: Muck pumping solves chalky problem in Lille. Tunnels & Tunnelling May 1987, pp. 42–43.

Rainer Rengshausen Hochtief Solutions AG Civil Engineering and Tunneling Alfredstraße 236 45133 Essen Germany Rainer.Rengshausen@hochtief.de Tauriainen, Riku, MSc Project Director Hochtief Murphy JV HMJV Site Office White Hart Avenue, off Western Way Plumstead, SE28 0GW London, United Kingdom rikutauriainen@murphygroup.co.uk Dipl.-Ing. Andreas Raedle Technical and Risk Manager Hochtief Murphy JV HMJV Site Office White Hart Avenue, off Western Way Plumstead, SE28 0GW London, United Kingdom andreasraedle@murphygroup.co.uk

Topics Ulrich Maidl Julio C. D. D. Pierri

DOI: 10.1002/geot.201400006

Innovative hybrid EPB tunnelling in Rio de Janeiro The Line 4 South being constructed in Rio de Janeiro crosses complex geology that includes a long stretch of sand bounded by two stretches of hard, highly abrasive rock. These geological conditions, combined with the fact that the project is located in a distinct urban area, creates a demanding project scenario where special care needs to be taken. After carrying out an evaluation to determine whether to use earth pressure balance or slurry technology, the design of a convertible EPB boring machine that can excavate both rock and soils was developed. This paper outlines the technical difficulties of the project and describes the decision-making process and the solutions adopted. A technical description of the different operation modes of this hybrid TBM and the conditioning process related to each of them is provided.

1 Project overview The Metro Rio Line 4 project, also called Line 4 South, runs parallel to Ipanema Beach, between the beach and the inner lagoon. The tunnel excavation is planned to start at General Osório II station and will end at Gávea Station. Fig. 1 shows the layout of the tunnel alignment. The total length of the tunnel is 5,200 m including the stations. The double-track tunnel has an internal diameter of 10.33 m with a 0.40 m-thick segmental lining. The excavation of soils will be approximately 3 km long and the ex-

cavation in rock approximately 2 km long. The excavation will be performed using an EPB shield with an excavation diameter of 11.53 m.

2 Geological settings 2.1 Soft ground section The 3 km tunnel stretch in soils is mainly excavated in alluvium sands and marine sands. At some sections, silty and clayey sands are described. Occasionally, there are clay and silt layers embedded in the sands. At both ends of the soil section, mixed face conditions of rock and soil will prevail as the rock approaches. The groundwater table always lies over the tunnel crown and is between 2 and 5 m below the ground surface. The fine content of the relatively dense sands is low and generally between 2 to 7 %. In a few boreholes, the fine content increases to maximum values of 8 to 12 %. The geological studies have shown that the expected permeability is k = 10–4 m/s.

2.2 Rock section The 2 km tunnel stretch in rock will be totally excavated in gneiss. Table 1 summarises the minimum, maximum

Fig. 1. Tunnel alignment layout

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Table 1. Rock properties according to test results Parameter

Unit

No. of samples

Min.

Max.

Average

UCS

Mpa

236

174

Tensile strength

Mpa

8.5

14.4

11.5

CAI

–

4.6

5.2

5.0

and average values of the rock properties. According to Table 1, the gneiss rock can be classified as a very strong, highly abrasive rock. Fig. 2 shows part of the geological profile of the tunnel alignment. Fig. 3 shows the three main cross-section scenarios depending on the geological units which appear on the face: sands, rock and sands and rock.

3 TBM selection

Fig. 2. Geology of the long-section of the tunnel along a stretch located in both rock (green) and sands (dotted)

The applicability of the EPB and slurry method can be verified on the basis of the German Recommendations for the Selection of TBM [2]. The key geotechnical parameters for the selection of the TBM are the grain size distribution (GSD), relative density and permeability. The shear resistance parameters and the soil permeability are influenced by the above mentioned parameters. Also, the expected confinement pressure is an important parameter to be considered. In the soft ground section, the required shield operational pressures at the crown will range from 0.9 to 2.7 bar. The main findings for the TBM selection are: – The permeability in soft ground is partly high. – The sands contain low amounts of fine contents. – The tunnel face needs active support. – The gneiss is a very strong, highly abrasive rock. The first brief assessment based on the German Recommendation for the Selection of TBM [2] gives a clear picture. According to Fig. 4, the key parameter assessment shown by the yellow boxes indicate that a Slurry shield is within the recommend application area. The main experience of the South American contractors is with the operation of Earth Pressure Balanced shields and not Slurry shields. Moreover, the slurry technology requires an amount of space that is not available in the project area and carries a risk of high volume collapses in case of operation failures. Because of these reasons, MTC was mandated to analyse the feasibility of an Earth Pressure Balance shield.

3.1 Evaluation for the applicability of the Slurry shield technology in soils

Fig. 3. Geological cross-sections: a) in sands; b) in rock and sands; c) in rock

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The classical application ranges for EPB shields in clays and silts has been extended to coarser soils in several projects. The decisive soil parameters for the assessment of EPB shield feasibility are the grain size distribution, consistency and soil permeability. Fig. 5, which includes all the average GSD curves of the project, and Table 2 show the application range of an EPB shield regarding the geotechnical parameters. According to the prerequisites for the use of EPB, a portion of the sands would lie outside of this range. However, a more detailed analysis of the individual GSD, a lower permeability resulting from the high relative density of the sands and a deeper tunnel alignment may allow the shifting of the Metro Rio Line 4 soils into an admissible zone for the use of an EPB shield. In Zone 1 of Fig. 5, over the well-graded size distribution curve with a minimum fine content of 30 %, there are practically no application limits for EPB shields. These

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Fig. 4. Selection criteria for slurry shields in soils based on the GBR information; + main field of application; 䊊 application possible; – application critical [2]

100

Table 2. Application range conditioning agents [1]

Cumulative finer than [%]

Metro Rio L4

80 70 60

Area

Prerequisites

Conditioning agent

IC, support medium = 0,4–0,75

water clay and polymer suspensions tenside foams

k < 10–5 m/s (10–3 cm/s) water pressure < 2 bar

clay and polymer suspensions tenside foams

k < 10–4 m/s (10–2 cm/s) no groundwater pressure

high-density slurries polymer suspensions of high molecular weight polymer foams

1 2

40 30 20 10 0 0,001

0,01

0,1

100

Grain diameter in [mm]

Fig. 5. Application ranges of EPB shield technology depending on the grain distribution [1] with all the average GSD curves of Metro Rio L4

are basically impermeable soils with consistencies determined by the water content and the plastic and liquid limits. For a stiff consistency (IC > 1), high cohesion and low permeability, the shield can generally be driven without face support pressure. In the case that tunnel face support is necessary, the consistency of the soil ought to be fluid to plastic (IC = 0.4 to 0.75). Foams, and also water and low viscosity suspensions (bentonite and polymer), can be used as conditioning materials, depending on the mineralogical composition of the ground.

Below Zone 1, the permeability as well as the internal friction of the ground increase strongly. The application limit for EPB shields will be determined by the permeability coefficient k and the groundwater pressure. For the practical application, the ground permeability should not exceed the value of k = 10–5 m/s combined with a pressure of 2 bar. If the permeability value is set through the approximate relation k ≅ d102 (d in cm), the maximum grain size, which value should not be exceeded by more than 10 % of the soil in weight, is approximately 0.03 mm. In Fig. 5, a well-graded grain distribution curve that complies

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3.2 Comparison with the Botlek Tunnel and the New MetroRail City Project of Perth The double-tube Botlek Tunnel in the Netherlands was excavated between 1999 and 2001 with an EPB shield. Fig. 6 shows the characteristic GSD curve of the homogeneous sands of the project compared to the Metro Rio Line 4 envelope curves. The Botlek tunnel curve is similar to the coarsest envelope of the Metro Rio Line 4 project. The relative density of the sands in the Botlek Tunnel was presumably lower than in Rio. Table 3 compares the main ground conditions of the Metro Rio Line 4 project and the Botlek tunnel. The use of an EPB shield in the Botlek Tunnel in saturated sands with relatively high face pressures was suc-

100

Cumulative finer than [%]

with this specification limits Zone 2 in the lower boundary. Ground conditioning with water in Zone 2 is not effective; hence, suspensions or foams have to be used. In Zone 3, EPB shields should only be used above the groundwater table. The suitable conditioning materials for Zone 3 are exclusively high-density slurries, high-molecular weight polymer suspensions or polymer foams. Below Zone 3, the permeability of the ground is high and the use of conditioning agents sets high demands because the conditioning agents flow from the tunnel face into the ground. Without successful conditioning, the transmission of the supporting pressure over the groundwater overpressure is not possible, since the requirements for a closed system are not fulfilled. If the content of conventional suspension-like conditioning (fluid, not highly water-absorbing conditioners, such as water, bentonite or low viscosity polymers) materials exceeds 40 to 45 % of the excavated volume, then the consistency of the spoil lies generally in the liquid zone and the spoil conveyance must then be replaced by an hydraulic conveyance system. This results automatically in problems with the spoil disposal. The use of foams allows the addition of larger volumes. Due to the pronounced elastic capacity and the considerably lower liquid addition of foam ground conditioning, this is better than and preferable to conditioning with suspensions. Highly water-absorbing polymers are recommended to reduce the water content of conditioning material and to seal the tunnel face.

Metro Rio L4

Botlek Ring Nr. 666

70 60 1

40 30 20 10 0 0,001

0,01

0,1

100

Grain diameter in [mm]

Fig. 6. Comparison of the GSD curves of Metro Rio Line 4 and the Botlek Tunnel

cessful. In comparison with the Metro Rio Line 4 project, the conditions will be very similar. For the shield drive of the second tube, muck conveyance took place almost exclusively with a belt conveyor. For compressed air interventions and for long standstills, large volumes of bentonite were injected into the excavation chamber. The TBM was also equipped with a hydraulic conveyance circuit which allowed the pumping of the muck when the consistency was too liquid. Despite the success of the EPB shield-driven tunnel in saturated sands, it must be noted that this project was excavated in green field, not in an urban area. This has an impact on the risk assessment performed for the Metro Rio Line 4, which will be different because it is a tunnel project in a dense urban area. As a comparison, the New MetroRail City Project of Perth [3] had very similar geological conditions to Rio Line 4 South. Fig. 7 shows the grain distribution of Tunnel North of the New MetroRail City Project, which also had areas in Zone 3. The boundary conditions were also similar since the project was situated in the immediate vicinity of high-rise buildings. Conditioning was carried out by means of foam or foam with the addition of polymers, which means less intense ground conditioning than the conditioning expected for the Metro Rio Line 4 South project. Even so, the project proved to be successful.

Table 3. Comparison with the conditions at the Botlek Tunnel. Botlektunnel

Metro Rio Line 4, South

GSD

middle grained sand

Min. fine content (<0,06 mm)

6% 10–2 cm/s

10–2 cm/s

Max. permeability

approx.

Groundwater pressure

approx. 2.0 bar

approx. 0.4 to 2.1 bar

Max. face support pressure TBM

2.7 bar

estimated 0.9 to 2.7 bar

Muck conveyance

conveyor belt. alternatively hydraulic

Settlements

approx. 3 cm

estimation: 2 cm

Compressed air interventions

very few interventions Hydraulic circuit was activated.

to be verified

Tool replacement

1,700 m without tool replacement

to be verified

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U. Maidl/J. C. D. D. Pierri · Innovative hybrid EPB tunnelling in Rio de Janeiro 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,001

0,01

0,1

Paticle size (mm)

Fig. 7. Application ranges of EPB shield technology depending on the grain distribution [1] with the GSD curves of Tunnel North of the New MetroRail City Project

4 Pros and cons of EPB versus slurry Based on the analysis performed, the geotechnical conditions indicate that the use of slurry shield technology is slightly more suitable in the given soils. The sands with very low fine contents are particularly suitable for the slurry shield technology. In rock, both EPB and slurry shield technologies are compromised solutions. The material flow from the face, through the cutter head openings and through the excavation chamber will be hindered by the accumulation of

rock chips in these areas. This will cause additional grinding of the rock chips and increased secondary wear. However, assuming that excavation in rock can take place in open mode, both technologies would be feasible in the rock stretch. Due to high rock strength and abrasiveness, high wear should be expected not only on the cutting tools and cutter head, but also on the screw conveyor (EPB shield) and the outflow slurry pipes and pumps of the hydraulic conveyance system (Slurry shield). Therefore, it would be advisable to use a convertible machine that allows the allocation of a conveyor belt behind the cutter head at the centre of the TBM. In this case, if a Slurry shield is used, the conveyance system should be completely changed from a hydraulic system to an additional belt conveyor. Working in rock with an open TBM and muck extraction on a conveyor belt at the centre of the excavation chamber will allow the elimination of the wear on an important element (screw conveyor). In this case, if a Slurry shield is used, the conveyance system should be completely changed from a hydraulic system to an additional belt conveyor.

5 Conclusions for the selection of the tunnelling method In terms of system behaviour in soils, the selection of a Slurry shield would be the traditional choice. However, with the latest developments EPB technology is also suit-

Fig. 8. Selection criteria for EPB shields in soils based on the project information; + main field of application; 䊊 application possible; – application critical [2]

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able for the Metro Rio Line 4 ground conditions (Fig. 8). From the point of view of cost effectiveness in soils, a detailed cost analysis was performed to compare the two technologies. Moreover, in this part of the city of Rio de Janeiro it is impossible to find areas to install a necessary slurry separation plant and all the equipment that is needed to perform the excavation. A very important decision-making factor has been the higher risk of large volume collapses using Slurry shields. During excavation, the mining chamber is filled with slurry, and in case of operation errors or mechanical problems the blowout and collapse risk is higher. It has to be mentioned that, until now, contractors in South America have had very little experience using slurry technology. For the excavation in rock, both EPB and Slurry shields are feasible if they can be operated in most of the rock stretch with no face support pressure. However, these two technologies represent compromised solutions, where increased wear and lower shield performances will occur. The high wear potential should be taken into consideration in the design of the shield TBM and wear protection measures. For this reason, the use of a convertible machine that allows operating with a conveyor belt at the centre of the excavation chamber is recommended. Wear will be lower in rock working with an open TBM with a conveyor belt in the centre of the excavation chamber than working with the EPB or slurry technology. All findings lead to the conclusion that an innovative Hybrid TBM combining the advantages of Slurry Shields, Earth Pressure Balanced Shields and Open Shields (for the rock section) has to be developed to deal with the project and ground conditions.

6 Innovative hybrid TBM Hybrid Shields, which are designed to switch operation modes, were already produced in the 1980s by Japanese manufacturers and contractors. For the tender of the Miami Port Tunnel, Odebrecht (one of the Consortium CL4S partners) and Maidl Tunnelconsultants developed a technical approach based on an EPB transporting the muck behind the screw conveyor with an open belt or a closed slurry system. The Botlek Tunnel in the Netherlands running in similar sands was successfully finalised with a Hybrid TBM where two piston pumps are connected to the screw conveyor. The Slurry TBMs for the Grauholztunnel in Switzerland (1993–94) were equipped with a separation plant system on the backup gantries and a belt conveyor system for the muck discharge to the portal.

7 Conditioning and muck conveyance Due to the complexity of the conditioning requirements, special care will have to be taken in regard to the quality and combination of conditioners to be applied. For that purpose, several tests for three different foaming agents (surfactants) were carried out in the Ruhr University of Bochum [4]. These test were focused on the behaviour and quality of the foam, the conditioning behaviour of the ground and the sealing of the tunnel face.

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Fig. 9. Tests for the conditioning behaviour of the ground: slump, permeability and drainage test (from left to right)

7.1 Foam behaviour and quality The mixing of water, air and surfactant leads to the formation of the foam. The following tests were carried out: – Foam Expansion Rate (FER): Ratio of the liquid phase volume (water and surfactant) and the total foam volume. In other words, how wet or dry the foam is. – Drainage behaviour: It measures the foam quantity, which drains over time. – Bubble size: It is measured over time, and then the cell skeleton transformation can be studied. An explanation for the drainage behaviour can be derived.

7.2 Conditioning behaviour of the ground Regarding the conditioned soils, the test carried out (Fig. 9) investigated following parameters: – Workability: This parameter gives an idea of how well the ground will flow through the excavation chamber and is studied by means of a slump test. – Permeability: An adequate permeability is required in order to prevent uncontrolled groundwater inflow. The methodology differs, but the information provided by this test is similar as the information of the drainage behaviour test. – Drainage behaviour: A water head is loaded on a soilfoam sample and the drainage of 3 l is recorded.

7.3 Sealing of the tunnel face This aspect is especially important in coarse-grained soils such as the sands of the Metro Rio Linha 4 Sul because of the risk of uncontrolled pressure losses, both in advance and in short-term standstills. The tests carried out aimed to study the feasibility of face sealing and how long this sealing can be maintained. These tests were: – Foam penetration. The progress of foam infiltration is studied, which can inform about the effects of sealing and the void water expulsion over time. – Slurry penetration. This procedure is the same as the foam penetration test. Compared to the foam, the slurry forms a filter cake which brings stability to the excavation face. When carried out, a test which applies pressurised air after removing the filter cake aims to study the seal during the application of compressed air. Three kinds of slurries were studied: polymer-filler slurry, bentonite slurry and bentonite-filler slurry.

7.4 Main aspects of foam conditioning Main findings from the foam tests were: – Regarding the foam behaviour and quality, two of the three surfactants studied had good results. – With respect to the conditioning behaviour of the ground, good results were achieved for the three surfactants. However, the product that had the worst foam behaviour needed more quantity to reach the same result as the other two surfactants. – The three kinds of surfactants are adequate to be used on-site for ground conditioning. – With regard to face sealing, it was determined that foam can be used for face sealing during short-term stoppages. For longer standstills, bentonite-filler-polymer slurry was determined to be the most suitable conditioner.

7.5 Multimode muck discharge and separation solution Normally, the muck will be transported by belt conveyors. However, in a case where the volume of slurry injected into the face is so high that the muck turns liquid, belt conveyance not would be feasible. A high-density pumping system will make the transportation of this muck possible. As a high quantity of slurry will be injected, a separation plant will be installed in order to recover the conditioning agent to reuse it.

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FUTURE

THE OF

MOBILITY

8 Operation modes In consideration of the geotechnical parameters of the material to be excavated and the face pressures that the machine will have to bear, the following operation modes are proposed by MTC (Fig. 10):

8.1 OM-BC: open mode, belt conveyor In open mode, no pressure is applied to the face. The removal plates inside the cutter head transport the rock chips on a belt conveyor running through the centre of the main bearing (Fig. 10a). Operation in open mode is only possible in sound and stable rock. In fractured water-bearing rock, the inflow of water will be controlled by conventional pumping devices. Since it is not possible to install the main rotary transmission, no lines for foam or slurries running to the cutter head for ground conditioning are available.

8.2 OM-SC: open mode, screw conveyor Using the screw conveyor in open mode instead of the belt conveyor, conditioning is possible since the main rotary transmission is installed in the centre and consequently the foam lines can be connected to the cutter head (Fig. 10b). Conditioning is recommended to reduce the density of the material in the excavation chamber, to minimise the wear and to enhance the flow of the material throught the screw conveyor. Ground conditioning will also provide a higher filling degree of the screw conveyor and consequently the rotation speed of the screw conveyor will decrease.

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8.3 TM-SC: transition mode, screw conveyor The excavation chamber is partially filled and slight pressure is normally reached by the air bubble formed on top of the muck inside the excavation chamber. Water flow will be avoided, and operating with a pressurised excavation chamber also leads to a more symetrical pressure distribution of the main jacks (Fig. 10c). Intensive ground conditioning is recommended to provide a good muck flow and to reduce wear. The mode TM-SC is used in fractured rock or stable ground that has geological uncertainty with the potential for relatively high water inflow.

8.4 EPB-SC-BC: closed mode, screw conveyor, belt conveyor In EPB mode the filling degree of the mining chamber reaches 100% and the muck is pressurised actively. More intensive conditioning is required in order to enhance the flow and water tightness of the muck, as well as to make this muck more compressible and better to handle. Closed mode is obligatory in treated and untreated soft ground sections (Fig. 10d).

8.5 EPB-SC-P-BP: closed mode, screw conveyor, piston pumps, separation plant This mode is used when the muck is too liquid to control the discharge by the screw gate. Liquifaction also encumbers transport by the belt conveyor. In that case, high-density pumps connected at the screw transport the muck to the vibration sieve of the separation plant before being carried by the belt conveyor (Fig. 10e). Solids and high-density muck will be separated from low-density slurry. Low-density slurry can be reused as conditioner and therefore be directly reinjected to the ground through the cutter head. Also, low-density slurry can be pumped to the reservoir at the tunnel entrance.

8.6 EPB-SC-P-SP: closed mode, screw conveyor, piston pumps, separation plant As in EPB-SC-P-BC, the muck will be transported by piston pumps from the screw conveyor to the sieve of the separation plant (Fig. 10f). In the case of the muck consistency becoming so liquid that too much excavated material goes through the sieve, the use of the separation plant as a back-up would be necessary. It has to be noted that polymer may cause clogging problems in the cyclones of the separation plant. Therefore, bentonite slurries in combination with lower amount of polymer foam should be used in this operation mode. Fig. 11 summarizes the type of modes that will be used, together with the conditioning to be used and the type of ground where they are mainly used.

9 Conclusion Summarizing the findings leads to the following conclusions:

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Fig. 10. Sketch of the operation modes: a) OM-BC: open mode, belt conveyor; b) OM-SC: open mode, screw conveyor; c) TM-SC: transition mode, screw conveyor; d) EPB-SC-BC: closed mode, screw conveyor, belt conveyor; e) EPB-SC-PBC: closed mode, screw conveyor, piston pumps, belt conveyor; f) EPB-SC-P-SC: closed mode, screw conveyor, piston pumps, screw conveyor

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SC BC SP P

Screw Conveyor Belt Conveyor Separation Plant Pump

Fig. 11. Operation modes to be used

– The project Line 4 presents demanding characteristics. Both hard rock and soft ground have to be excavated in a sensitive urban environment. – The excavation of sands is best carried out by Slurry shield technology. However, there is very little experience in operating Slurry shields in South America. The lack of space for the separation plant and risk of highvolume collapses in case of operation failures were important issues for a detailed alternative assessment of the EPB technology. – The sands encountered in the project alignment show a grain size distribution with very low fines. Traditional EPB technology reaches the application limit because of the high permeability expected. However, the high density of the sands (which decreases the expected permeability) and the advances in this technology demonstrate that the use of this technology is suitable for the conditions of Rio Line 4 South project. – A hybrid TBM combining the advantages of a Slurry shield, Earth Pressure Balanced Shield and Open Shield (for the rock section) was the best solution. Proven technology from the Botlek Tunnel and other projects has been used for a tailor-made solution dealing with all project requirements.

References [1] Maidl, U.: Erweiterung des Einsatzbereiches von Erddruckschilden durch Konditionierung mit Schaum. Dissertation Ruhr-Universität Bochum, 1994. [2] DAUB: Recommendations for selecting and evaluating tunnel boring machines. Cologne, 2010. [3] Oskar, S., Hiroshi, Y.: Predicting New Metrorail City Project. Underground Structures, Perth 2007. [4] Thewes, M.: Laboratory investigations on soil conditioning “Linha 4 Rio de Janeiro”. Ruhr Universität Bochum, 2013.

Dr.-Ing. Ulrich Maidl mtc Maidl Tunnel Consultants Rupprechtstraße 25 80636 Munich Germany u.maidl@maidl-tc.de

Julio C. D. D. Pierri Consorcio Linha 4 Sul Praça da Grécia, SIN CEP. 22430-000 Ipanema – Rio de Janeiro Brazil

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Topics Ulrich Maidl Janosch Stascheit

DOI: 10.1002/geot.201310029

Real time process controlling for EPB shields Echtzeit-Prozesscontrolling bei Erddruckschilden The contribution gives an overview of the state-of-the-art of process controlling in mechanised tunnelling. A web-based and ubiquitous integrated database forms the backbone of PROCON II, a software for the analysis of machine data, project specifications, shift reports and geodetic information stored in a temporally and spatially correlated data structure. The software helps to build a knowledge base that is fed by experience from the present as well as all previous projects and that helps optimising safety, efficiency and performance of a mechanised tunnelling project. Along with a brief summary of the program features of PROCON II, this contribution gives three examples of how the software can be employed to gain insight into the key mechanisms of Earth Pressure Balanced (EPB) shield tunnelling and how it can help to improve the tunnelling performance.

1 Introduction Mechanised tunnelling with shield is characterised by a high degree of mechanisation, which is unusual in the construction industry. The construction process is dominated by the machine itself, whose various technical components have to be monitored continuously and with great care in order to achieve optimal performance. Tunnel boring machines are however also fitted with a multitude of sensors and the continuous evaluation of these is indeed a great challenge but offers in return promising possibilities for analysing, optimising and monitoring the tunnelling process at any time. The data logging, which forms the basis for computerised process controlling, is implemented through a data warehouse, a database structure. This database structure is in a position to read, save and evaluate the 200 to 1,000 sensor values a modern tunnelling machine produces every two to ten seconds, representing a total of two to four million entries per day over a typical tunnel drive duration of some months. In addition to this automatically recorded machine data, there are other data sources, from geodetic survey data through geotechnical information to shift reports, which are connected with the tunnelling works. This external data is increasingly also recorded electronically and thus offers the opportunity of recording and analysing it together with the machine data in one integrated database structure. For example, measurements of settlements are often no longer made manually but read electronically so that they can be inputted directly into the database.

Der Beitrag gibt einen Überblick über den Stand der Technik des Prozesscontrolling im maschinellen Tunnelbau. Eine webbasierte und überall verfügbare integrierte Datenbank bildet das Rückgrat von PROCON II, einer Software, welche die Analyse von Maschinendaten mit Projektspezifikationen, Schichtprotokollen und geodätischen Informationen in einer räumlich und zeitlich korrelierten Datenstruktur verknüpft. Die Software unterstützt dabei den Aufbau einer Wissensbasis, die auf Erfahrungen aus dem laufenden sowie aus vorangegangenen Projekten beruht, und dabei hilft, die Sicherheit, Effizienz und Leistungsfähigkeit eines maschinellen Tunnelvortriebs zu optimieren. Neben einer kurzen Übersicht über die Programmfeatures von PROCON II beinhaltet dieser Beitrag drei Beispiele, wie die Software eingesetzt werden kann, um am Beispiel eines Erddruckschildvortriebs Einblicke in Schlüsselmechanismen zu erhalten, und wie sie dadurch helfen kann, die Vortriebsleistung zu verbessern.

1 Einleitung Der maschinelle Schildvortrieb ist durch einen hohen Mechanisierungsgrad gekennzeichnet, der im Bausektor sonst unüblich ist. Der Bauprozess wird dabei von der Schildmaschine selbst dominiert, deren vielfältige technische Bauteile laufend und mit großer Sorgfalt überwacht werden müssen, um eine optimale Leistung zu erzielen. Tunnelvortriebsmaschinen sind aber auch mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, deren kontinuierliche Auswertung zwar eine große Herausforderung darstellt, die aber im Gegenzug eine vielversprechende Möglichkeit zur Evaluierung, Optimierung und Überwachung des Vortriebsprozesses zu jeder Zeit bietet. Die Datenaufzeichnung, welche die Basis für das computerbasierte Prozesscontrolling bildet, wird dabei mithilfe eines sogenannten Data Warehouse, einer Datenbankstruktur, realisiert. Diese Datenbankstruktur ist in der Lage, die bei modernen Schildmaschinen anfallenden 200 bis 1.000 Sensorwerte alle zwei bis zehn Sekunden einzulesen, zu speichern und auszuwerten, die sich auf zwei bis vier Millionen Einträge pro Tag über eine typische Vortriebsspanne von einigen Monaten summieren. Neben diesen automatisch erfassten Maschinendaten existieren weitere Datenquellen, von geodätischen Vermessungen über geotechnische Informationen bis hin zu Schichtprotokollen, die eng mit den Vortriebsarbeiten verknüpft sind. Diese externen Daten werden in zunehmendem Maß ebenfalls elektronisch erfasst und bieten daher

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The centrally recorded information from various heterogeneous sources form together with the manifold machine data a rich source of knowledge, which can be exploited for the improvement of the overall tunnelling project. This contribution presents a software program developed by the authors, which provides a web-based platform for the saving, organisation, visualising and analysis of data from mechanised tunnel drives. The program displays all available project information together with the machine data in the form of a uniform, spatially and temporarily correlated environment to enable the maximum use to be made of the available information. The knowledge gained in the course of the project is made available to all parties involved in the project – worldwide and in real time. This enables critical situations to be recognised quickly and preventative measures to avoid them to be introduced in good time. The use of computer-based knowledge processing in tunnelling, not only during the actual driving of the tunnel [3] but also already in the design phase [1], is an area of active research and was already one of the themes of the European research project TUNCONSTRUCT (2005 to 2009). The following sections first describe the data model of the program, above all regarding the specific challenges of the large and heterogeneous quantities of data. Then the analysis features of the program are described and finally illustrated through three definite examples.

2 Data model The key part of the program is a global database for all process data, which can be accessed from all over the world and in real time. This makes use of a web-based client-server architecture, which guarantees good data security and integrity while also offering worldwide availability, ease of maintenance and portability. Not only the large quantity of data, but also its structure, the correlations and the knowledge inherent in the data make the machine data from mechanised tunnel drives suitable for methods, which are often described under the term Big Data. One of the main themes of Big Data is the integration of various data sources with the intention of linking the data and extracting added value from the linkage. In the case of mechanised tunnelling, this added value consists of knowledge about the safety, productivity and efficiency of a tunnel drive. For the server-side data module, this means above all that all data has to be assigned a common place and time reference. The information about the “where” and “when” of each event and every measured value is the key to a deeper understanding of the data and the associated real processes. Based on this common reference system, any further information such as documents, measured values, ideal values or expert knowledge can be added to the database. From the point of view evaluation and analysis, all available data can be compared, visualised, and offset against each other in any combination. This represents the actual added value since it simplifies the comparison of actual and ideal values, the relationship of the machine

die Möglichkeit, in einer integralen Datenstruktur gemeinsam mit den Maschinendaten erfasst und ausgewertet zu werden. So werden beispielsweise Setzungsmessungen oft nicht mehr manuell durchgeführt, sondern elektronisch ausgelesen, sodass sie direkt in die Datenbank eingespeist werden können. Die zentral erfassten Informationen aus verschiedenen, heterogenen Quellen bilden gemeinsam mit den mannigfaltigen Maschinendaten eine reiche Wissensquelle, die zur Verbesserung des gesamten Vortriebsprojekts ausgeschöpft werden kann. In diesem Beitrag wird eine von den Autoren entwickelte Software vorgestellt, die eine webbasierte interaktive Plattform zur Speicherung, Organisation, Visualisierung und Auswertung von Daten aus Schildvortrieben bereitstellt. In der Software werden alle verfügbaren Projektinformationen gemeinsam mit den Maschinendaten in einer einheitlichen, räumlich und zeitlich korrelierten Umgebung visualisiert, sodass der maximale Nutzen aus den verfügbaren Informationen gezogen wird. Das aus den Projekterfahrungen erworbene Wissen wird dabei allen beteiligten Projektpartnern zur Verfügung gestellt – weltweit und in Echtzeit. Dadurch können kritische Situationen rasch erkannt und vorbeugende Maßnahmen zu ihrer Vermeidung rechtzeitig eingeleitet werden. Die Verwendung von computerbasierter Wissensverarbeitung im Tunnelbau, nicht nur vortriebsbegleitend [3] sondern auch bereits in der Entwurfsphase [1], ist ein Bereich aktiver Forschung und war bereits einer der Schwerpunkte im europäischen Forschungsprojekt TUNCONSTRUCT (2005 bis 2009). In den folgenden Abschnitten wird zunächst das Datenmodell der Software vor allem im Hinblick auf die spezifischen Herausforderungen der großen und heterogenen Datenmengen beleuchtet. Danach werden die Analysemöglichkeiten der Software aufgezeigt und schließlich anhand dreier konkreter Beispiele erläutert.

2 Datenmodell Kernstück der Software ist eine globale Datenbank für alle Prozessdaten, auf die weltweit und in Echtzeit zugegriffen werden kann. Dazu wird eine webbasierte Client/ServerArchitektur verwendet, die eine hohe Datensicherheit und -integrität bei gleichzeitiger weltweiter Verfügbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und Portabilität garantiert. Nicht nur die große Datenmenge, sondern auch ihre Struktur, die Korrelationen und das den Daten inhärente Wissen machen die Maschinendaten aus dem maschinellen Tunnelbau für Methoden zugänglich, die üblicherweise unter dem Begriff Big Data zusammengefasst werden. Eines der Hauptthemen von Big Data ist die Integration unterschiedlicher Datenquellen mit dem Ziel, diese Daten zu verknüpfen und als Mehrwert zusätzliches Wissen aus dieser Verknüpfung zu ziehen. Im Fall des maschinellen Tunnelbaus besteht dieser Mehrwert aus Erkenntnissen zur Sicherheit, Produktivität und Effizienz eines Vortriebs. Für das serverseitige Datenmodell bedeutet dies vor allem, dass alle Daten einer gemeinsamen räumlich-zeitlichen Referenz zugeordnet werden müssen. Die Information über das „wo“ und „wann“ eines jeden Ereignisses und

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Fig. 1. Database and data types in PROCON II Bild 1. Datenbank und Datentypen in PROCON II

data to the geotechnical design and shows the influence of control decisions on the system behaviour. Fig. 1 shows the typical sources of information, that are saved in the program and can be analysed. One particular feature of the program is the capability of handling data in real time. Typical shield machines deliver a complete data set of measured values every two to ten seconds. In a special visualisation mode, this data and all other relevant data at that point in time can be observed continuously. This enables the user to monitor not only the measured values but also information derived from it, for example comparison of the ideal and actual values, in real time.

3 Program features The user interface of the program on the client side is a web application, which can run on any modern web browser. There follows a description of the individual program modules as seen by the user.

3.1 Data visualisation and interpretation All data in the database can be displayed in interactive and freely configurable diagrams. The diagrams can be zoomed and adapted directly in the browser and are assigned to specially developed dashboards, which can be configured by the user to display various information about defined areas of interest. For example, partial processes of the tunnel drive like face support, annular gap grouting, support slurry or earth muck circulation can be understandably prepared and visualised. Any selection of machine data, ideal values, additional information and calculated values, which are created directly from the sensor data, can be visualised in each diagram with a freely configurable appearance. Fig. 2 shows as an example a diagram to visualise the conditioning parameters of an EPBM (see Section 4.1). In particular the possibility of defining additional information and creating calculated values extends the

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jedes Messwerts ist der Schlüssel zu einem tieferen Verständnis der Daten und der damit verbundenen realen Prozesse. Basierend auf dieser gemeinsamen Referenz können der Datenbank beliebige weitere Informationen wie Dokumente, Bilder, Messwerte, Zielwerte oder Expertenwissen hinzugefügt werden. Auf der Seite der Auswertung und Analyse können alle verfügbaren Daten verglichen, visualisiert und in beliebigen Kombinationen miteinander verrechnet werden. Hier entsteht der eigentliche Mehrwert, indem der Soll-IstVergleich, das Verhältnis der Maschinendaten zum geotechnischen Entwurf und der Einfluss von Steuerungsentscheidungen auf das Systemverhalten vereinfacht werden. Bild 1 zeigt die typischen Informationsquellen, die in der Software gespeichert und analysiert werden können. Ein besonderes Feature der Software ist die Fähigkeit zur Behandlung von Echtzeitdaten. Übliche Schildmaschinen liefern alle zwei bis zehn Sekunden einen kompletten Datensatz von Messwerten. In einem speziellen Visualisierungsmodus können diese Daten sowie alle weiteren zu diesem Zeitpunkt gehörenden Informationen kontinuierlich betrachtet werden. Dadurch kann der Benutzer nicht nur Messwerte sondern auch daraus abgeleitete Informationen, z. B. Soll-Ist-Vergleiche, in Echtzeit über wachen.

3 Programmfeatures Die Benutzerschnittstelle der Software auf der Client-Seite ist eine Webanwendung, die auf jedem modernen Webbrowser lauffähig ist. Im Folgenden werden die einzelnen Module der Anwendung aus Sicht des Benutzers erläutert.

3.1 Datenvisualisierung und -interpretation Alle Daten, die sich in der Datenbank befinden, können mithilfe interaktiver und frei konfigurierbarer Diagramme dargestellt werden. Die Diagramme können direkt im Browser gezoomt und angepasst werden und sind auf speziell entwickelten Dashboards angeordnet, die vom Be-

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Fig. 2. Graphical display of machine data in freely configurable diagrams Bild 2. Grafische Darstellung von Maschinendaten in frei konfigurierbaren Diagrammen

The relevant project documents like CAD drawings, reports about existing infrastructure or buildings, geotechnical reports, ground parameters or images are saved in the database and assigned to the project-wide geometrical and time reference system. Using a geographic information system (GIS), the relationship of this metadata together with the automatically recorded machine data and all other project information is shown on interactive maps in the dashboard, with the current position of the tunnel boring machine always being shown for orientation. This enables incidents, alarm values, performance evaluations and other analyses to be related directly to the current position of the machine or the incident.

nutzer zur Darstellung verschiedenster Informationen zu bestimmten Themengebieten zusammengestellt werden können. Dabei werden beispielsweise Teilprozesse des Schildvortriebs wie die Ortsbruststützung, die Ringspaltverpressung, der Stützflüssigkeits- oder Erdbreikreislauf übersichtlich aufbereitet und visualisiert. In jedem Diagramm kann eine beliebige Auswahl von Maschinendaten, Zielwerten, zusätzlichen Informationen und Rechenwerten, die direkt aus den Sensordaten erzeugt werden, in frei wählbarer Optik visualisiert werden. Bild 2 zeigt ein Beispieldiagramm zur Visualisierung von Konditionierungsparametern bei einem Erddruckschild (vgl. Abschnitt 4.1). Insbesondere die Möglichkeit, zusätzliche Informationen zu definieren und Rechenwerte zu erzeugen, erweitert den Anwendungsbereich der Software und ermöglicht es, die Schlüsselprozesse und die Leistung des Vortriebs auf einen Blick zu evaluieren, während gleichzeitig die Möglichkeit zur vertieften Analyse aller Aspekte des Projekts besteht.

3.3 Alarm function

3.2 Dynamische Kartendarstellung

The simultaneous saving and referencing of ideal and actual values enables an automated alarm function. Through direct integration of the data into the database, an alarm can be configured to inform any recipient when any value is more or less than configured alarm thresholds. In addition, alarm thresholds can also be displayed in the integrated map in order to simplify orientation. This means that any interruptions that are detected can be reported to the responsible persons in real time so that the necessary countermeasures can be taken without delay. Many problems can be prevented in advance by the rapid action enabled in this way.

Die relevanten Projektdokumente wie CAD-Zeichnungen, Berichte über existierende Infrastrukturbauwerke oder Gebäude, geotechnische Berichte, Baugrundparameter oder Bilder werden in der Datenbank gespeichert und dem projektweiten geometrischen und zeitlichen Referenzsystem zugeordnet. Mithilfe eines geodätischen Informationssystems (GIS) wird die Beziehung dieser Metadaten gemeinsam mit den automatisch erfassten Maschinendaten und allen weiteren Projektinformationen auf interaktiven Karten in den Dashboards angezeigt. Dabei wird zur Orientierung jeweils die aktuelle Position der Vortriebsmaschine angezeigt. Dadurch können Zwischenfälle,

scope of application of the program and makes it possible to evaluate the key processes and the performance of the tunnel drive at a glance, although it is also possible to analyse all aspects of the project in more detail.

3.2 Dynamic map display

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3.4 Tool management and digital ground model Input values regarding the management of interventions for the maintenance and replacement of the cutting tools are important for process-related data analysis. Using an interactive input dialog, the maintenance team can record all information about the wear pattern, tool changes and further information obtained during interventions. An automatic tool inventory makes it possible to monitor the lifecycle of every tool. Through a correlation of the maintenance information with the digital ground model, intelligent data analysis tools can be used to investigate the influence of certain types of ground, tools or even the control of the machine on the wear behaviour. If the main causes of tool wear are known and the lifetime of the tools can be predicted better, the maintenance intervals can be optimised and the risk of unplanned stoppages reduced.

Alarmwerte, Leistungsbewertungen und andere Analysen direkt auf den jeweiligen Standort der Maschine oder des Ereignisses bezogen werden.

3.3 Alarmfunktion Die gleichzeitige Speicherung und Referenzierung von Soll- und Istwerten ermöglicht eine automatisierte Alarmfunktion. Durch die direkte Integration der Daten in der Datenbank kann für jede Über- oder Unterschreitung von Sollwerten ein Auslöser für die Alarmierung beliebiger Empfänger konfiguriert werden. Darüber hinaus können Alarmwerte auch in der eingebauten Karte dargestellt werden, um die Orientierung zu vereinfachen. Dadurch können mögliche erkannte Störfälle in Echtzeit an die verantwortlichen Personen gemeldet werden, sodass erforderliche Maßnahmen verzögerungsfrei ergriffen werden können. Viele Probleme können durch das ermöglichte rasche Eingreifen bereits von vornherein verhindert werden.

3.5 Shift reports 3.4 Werkzeugmanagement und digitales Baugrundmodell The human factor represents the last block of data for the professional analysis of tunnel drives. Through a clever combination of inherent information about various events with manually inputted data as well as the keeping of maintenance times in the system, all processes in the tunnel drive can be investigated regarding their time and cost structure. Powerful data mining tools enable the program to find out the reasons why one shift performs better than another or which parameters have a positive influence on the advance rate. The integrative nature of the data storage and the common spatial and temporal referencing of the data help to recognise unknown relationships and offer insight into hidden mechanisms in the process.

4 Application examples 4.1 Active support pressure control with foam The success of face support depends mainly on the foam injection. Only if the quality of foam is sufficient will the pore water be repelled in the face and a penetration zone created, through which the effective stresses are transferred to the grain structure. All process technological parameters of every injection lance can be monitored. Fig. 3 shows the curve of pressure gradients along an individual foam unit. The foam is produced in the foam generator, in which air and liquid foaming agent are mixed. The optimal curve of the pressure gradient depends on the geometry of the foam generator, the filling of the baffle, the product properties, the concentration and the flow velocities. High pressure losses can indicate contamination or blockages. Flow losses in the foam line indicate increased viscosity of the foam, or can also be due to blockages [2] [4]. In order to provide controlled, active face support with foam, the following key indicators are essential: – The support pressure in the excavation chamber communicates with the foam injection pressure. – The foam injection pressure of a rotating injection point in the cutting wheel shows a sine-shaped curve.

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Wichtig für die prozessbezogene Datenanalyse sind Eingabewerte über das Management von Interventionen zur Wartung und zum Austausch der Schneidwerkzeuge. Durch einen interaktiven Eingabedialog kann das Wartungsteam alle Informationen zum Verschleißbild, zum Werkzeugwechsel und zu weiteren Beobachtungen bei der Intervention erfassen. Eine automatische Inventur der Werkzeuge ermöglicht es dabei, den Lebenszyklus jedes Werkzeugs zu überwachen. Durch eine Korrelation der Wartungsinformationen mit dem digitalen Baugrundmodell können intelligente Datenanalysewerkzeuge dazu eingesetzt werden, den Einfluss bestimmter Baugrundarten, Werkzeugtypen oder gar der Schildsteuerung auf das Verschleißverhalten zu untersuchen. Sind die Hauptgründe für den Werkzeugverschleiß erkannt und kann die Lebensdauer der Werkzeuge besser vorhergesagt werden, können dann die Wartungsintervalle optimiert und das Risiko ungeplanter Stillstände reduziert werden.

3.5 Schichtprotokolle Der Faktor Mensch stellt den letzten Datenblock für die professionelle Vortriebanalyse dar. Durch eine geschickte Kombination inhärenter Informationen über verschiedene Ereignisse mit manuell eingegebenen Daten sowie einer Nachhaltung der Stillstandszeiten im System können alle Prozesse im Schildvortrieb auf ihre Zeit- und Kostenstruktur hin untersucht werden. Durch leistungsfähige Data-Mining-Werkzeuge kann die Software Gründe dafür herausfinden, warum eine Schicht leistungsfähiger als eine andere ist oder welche Parameter einen positiven Einfluss auf die Vortriebsleistung haben. Der integrative Charakter der Datenhaltung und die gemeinsame räumliche und zeitliche Referenzierung der Daten helfen dabei, unbekannte Zusammenhänge zu erkennen und bieten Einblick in versteckte Mechanismen im Prozess.

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Pressure

Δp foam generator

Δp foam line Confinement pressure

Tunnel Face

Liquid Air Mining Chamber

Bulkhead

Foam Generator

– The pressure losses in the foam generator and the foam injection pipeline correspond to typical values from experience depending on the quantities of air and liquid flowing through. From these key parameters, the typical sources of interruptions can be derived from the measured data: – If the pressure losses are too low (in the generator and in the foam pipeline), this indicates inadequate foam quality; the air and liquid are not forming a stable, viscous foam. – If the pressure losses are too high, this indicates blockages. – Incorrect correlation between foam pressure and support pressure indicates insufficient active support.

4.2 Active density control of soil in the excavation chamber The measured results of the foam parameters are used by integrated calculation algorithms for the verification of soil density in the excavation chamber and to check the injection quantities. As shown in Fig. 4, the density can be determined from the advance rate (Qin), the quantity of conditioning agent added (Qconditioner) and the quantity pumped by the screw conveyor (Qout). The more foam is successfully injected into the grain structure, the more the density of the soil in the excavation chamber is reduced. It should be noted that the risk of separation and settlement increases with decreasing density of the foam-soil mixture; foam addition must be carefully dosed. All sensor data for the mass balance is recorded in real time and used for further calculations. The purpose is to get the soil into an optimal state of consistency, but simultaneously also reduce the addition of conditioning agent to a reasonable economic magnitude. Density ranges of the soil in the excavation chamber between 1.4 and 1.6 t/m³ have proved successful.

4.3 Performance analysis through correlations One example of a correlation-based performance analysis is the specific energy consumption, which can be correlated with the torque, the thrust force and the soil conditioning (Fig. 5). Based on the mechanisms described in Sec-

Fig. 3. Active face support with foam, from [4] Bild 3. Aktive Ortsbruststützung mit Schaum, nach [4]

4 Anwendungsbeispiele 4.1 Aktive Stützdruckkontrolle mit Schaum Der Erfolg der Ortsbruststützung hängt maßgeblich von der Schauminjektion ab. Nur bei ausreichender Schaumqualität wird das Porenwasser an der Ortsbrust verdrängt und eine Penetrationszone erzeugt, über die effektive Spannungen auf das Korngerüst übertragen werden. Prozesstechnisch lassen sich sämtliche Parameter jeder Schaumlanze überwachen. Bild 3 zeigt den Verlauf des Druckgradienten entlang einer einzelnen Schaumeinheit. Die Schaumerzeugung erfolgt im Schaumgenerator, in dem Luft und die schaumerzeugende Flüssigkeit verwirbelt werden. Der optimale Druckgradientenverlauf, hängt von der Geometrie des Schaumgenerators, der Störkörperfüllung, den Produkteigenschaften, der Konzentration und den Strömungsgeschwindigkeiten ab. Hohe Druckverluste können auf Verunreinigungen und Verstopfungen hinweisen. Die Strömungsverluste in den Leitungen zeigen eine erhöhte Viskosität des Schaums oder ebenfalls Verstopfungen an [2] [4]. Für eine kontrollierte, aktive Ortsbruststützung mit Schaum sind die folgenden Schlüsselindikatoren essentiell: – Der Stützdruck in der Abbaukammer kommuniziert mit dem Schauminjektionsdruck. – Der Schauminjektionsdruck einer rotierenden Injektionsstelle im Schneidrad weist einen sinusförmigen Kurvenverlauf auf. – Die Druckverluste im Schaumgenerator und der Schauminjektionsleitung entsprechen den typischen Erfahrungswerten in Abhängigkeit der Durchflussmengen von Luft und Liquid. Basierend auf diesen Schlüsselparametern lassen sich die typischen Fehlerquellen aus den Messdaten ableiten: – Zu niedrige Druckverluste (im Generator sowie in der Schaumleitung) weisen auf mangelhafte Schaumqualität hin; Luft und Liquid bilden keinen stabilen, viskosen Schaum. – Zu hohe Druckverluste weisen auf Verstopfungen hin. – Eine mangelnde Korrelation zwischen Schaumdruck und Stützdruck weist auf eine ungenügende aktive Stützung hin.

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Active density control Target: Density reduction Qpore water, out

Qconditioner

Qtheoretical = A * v Qout

Qout = A * v + Qcond + Δpw

Qpore water, in

Qout > Qin

Density decreasing

Qout < Qin

Density increasing

Fig. 4. Active density control in the excavation chamber Bild 4. Aktive Dichtekontrolle in der Abbaukammer

Fig. 5. Dashboard in PROCON II for the analysis of advance performance Bild 5. Dashboard in PROCON II zur Analyse der Vortriebsleistung

tions 4.1 and 4.2, the quality of the soil conditioning can be determined with the torque and the thrust force. This enables conclusions about the soil properties, the possible advance rate and the wear to be expected. With the overall data quantity of the data warehouse, these analyses can also even be assigned to individual personnel shifts or geotechnical conditions so the project performance can be recorded and analysed in real time.

5 Summary and outlook The implementation of a computer-based data management system enables the computer analysis of the mechanised tunnelling process in all aspects and makes it possible to gain knowledge about its mechanisms from the project itself and distribute the results to all involved parties

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4.2 Aktive Dichtekontrolle des Bodens in der Abbaukammer Die Messergebnisse der Schaumparameter werden durch integrierte Berechnungsalgorithmen zur Verifizierung der Bodendichte in der Abbaukammer und zur Überprüfung der Injektionsmengen verwendet. Gemäß Bild 4 lässt sich die Dichte aus der Vorschubgeschwindigekeit (Qin), der Menge der zugeführten Konditionierungsstoffe (Qconditioner) und der Fördermenge des Schneckenförderers (Qout) ermitteln. Je mehr Schaum erfolgreich in das Korngerüst injiziert wird, umso stärker reduziert sich die Dichte des Bodens in der Abbaukammer. Zu beachten ist, dass sich mit abnehmender Dichte des Schaum-Bodengemisches das Entmischungs- oder Sedimentationsrisiko erhöht. Die Schaumzugabe muss folglich sorgfältig dosiert erfolgen. Sämtliche Sensordaten der Massenbilanz wer-

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in real time. Deviations from the ideal situation are detected and the necessary notifications are sent at an early stage, so that countermeasures can be introduced in good time. Evaluation of the key interactions between the tunnel boring machine and the ground reduces risk and assists in the optimisation of the process. With the use of quantity and price lists agreed between the partners, the cost structures of the project can also be displayed. Knowledge-based methods are used in order to learn from current and past projects and can thus be used to optimise planned projects at a very early stage. The three examples have demonstrated how web-based process controlling can be used to monitor, control and optimise key processes on an earth pressure shield drive. The future development of unified data management will include the introduction of further modules such as the automatic production of numerical calculation models [5], which can be used to calculate settlements, stability and similar. References [1] Hartmann, D., Lehner, K., Mittrup, I., Oberste-Ufer, K., Schubert, W., Radoncic, N., Wingmann, J., Grossauer, K.: Computer Support for the Design of Underground Structures. In Beer (ed.): Technology Innovations in Underground Constructions, pp. 31–50. Taylor & Francis, 2009. [2] Maidl, B., Herrenknecht, M., Maidl, U., Wehrmeyer, G.: Mechanised Shield Tunnelling. 2nd Ed. Berlin: Ernst & Sohn, 2011. [3] Maidl, U.: Systemverhalten und Prozessoptimierung beim Erddruckschild. Geomechanik und Tunnelbau 1 (2008), No. 3, p. 229–235. [4] Maidl, U., Cordes, H.: Active Earth Pressure Control with Foam. In: (Re)Claiming the Underground Space, Proceedings of the ITA World Tunnelling Congress. Rotterdam: Balkema, 2003. [5] Stascheit, J., Nagel, F., Meschke, G., Stavropoulou, M., Exadaktylos, G.: An Automatic Modeller for Finite Element Simulations of Shield Tunnelling. In: Computional Modelling in Tunnelling (EURO:TUN 2007). Vienna, 2007.

Dr.-Ing. Ulrich Maidl mtc – Maidl Tunnelconsultants GmbH & Co. KG Fuldastraße 11 47051 Duisburg Germany u.maidl@maidl-tc.de

Dr.-Ing. Janosch Stascheit mtc – Maidl Tunnelconsultants GmbH & Co. KG Fuldastraße 11 47051 Duisburg Germany j.stascheit@maidl-tc.de

den in Echtzeit erfasst und für die weiteren Berechnungen genutzt. Ziel ist es, den Boden in den optimalen Konsistenzzustand zu überführen, gleichzeitig aber auch die Konditionierungsstoffzugabe auf ein wirtschaftlich vernünftiges Maß zu reduzieren. Bewährt haben sich Dichtebereiche des Bodens in der Abbaukammer zwischen 1,4 und und 1,6 t/m³.

4.3 Leistungsanalyse durch Korrelationen Als Beispiel für eine korrelationsbasierte Leistungsanalyse kann der spezifische Energieverbrauch herangezogen werden, der mit dem Drehmoment, der Anpresskraft und der Bodenkonditionierung korreliert werden kann (Bild 5). Basierend auf den in den Abschnitten 4.1 und 4.2 vorgestellten Mechanismen kann die Qualität der Bodenkonditionierung nun direkt durch die Korrelation mit dem Drehmoment und der Vortriebskraft ermittelt werden. Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf die Baugrundeigenschaften, die mögliche Vortriebsleistung und den zu erwartenden Verschleiß ziehen. Mit dem Gesamtdatenbestand des webbasierten Data Warehouse können diese Analysen zusätzlich sogar einzelnen Personalschichten oder geotechnischen Bedingungen zugeordnet werden, sodass die Projektleistung in Echtzeit erfasst und analysiert werden kann.

5 Zusammenfassung und Ausblick Die Implementierung eines rechnergestützten Datenmanagementsystems ermöglicht die Computeranalyse des Schildvortriebsprozesses in allen Aspekten und erlaubt es, aus dem Projekt selbst Wissen über seine Mechanismen zu erwerben und in Echtzeit an alle Beteiligten zu verteilen. Abweichungen vom Sollzustand werden erkannt und die erforderlichen Benachrichtigungen in einem frühen Stadium automatisch verschickt, sodass rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Eine Bewertung von Schlüsselinteraktionen zwischen der Vortriebsmaschine und dem Baugrund reduziert das Risiko und hilft bei der Optimierung aller Prozesse. Durch die Verwendung partnerschaftlich vereinbarter Mengen- und Preislisten können überdies die Kostenstrukturen des Projekts abgebildet werden. Wissensbasierte Methoden werden eingesetzt, um aus aktuellen und vergangenen Projekten zu lernen und so neue Projekte bereits in einem sehr frühen Stadium zu optimieren. In drei Beispielen wurde gezeigt, wie das webbasierte Prozesscontrolling eingesetzt werden kann, um Schlüsselprozesse im Erddruckschild-Vortrieb zu über wachen, zu steuern und zu optimieren. Die zukünftige Entwicklung des vereinheitlichten Datenmanagements wird die Einbindung weiterer Module wie die automatisierte Erzeugung numerischer Berechnungsmodelle [5] umfassen, mit denen Setzungsberechnungen, Stabilitätsanalysen und ähnliches durchgeführt werden können.

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Topics Steffen Schindler Felix Hegemann Abdullah Alsahly Thomas Barciaga

Mario Galli Karlheinz Lehner Christian Koch

DOI: 10.1002/geot.201310015

An interaction platform for mechanized tunnelling Application on the Wehrhahn-Line in Düsseldorf (Germany)

Eine Interaktionsplattform für maschinelle Tunnelvortriebe Anwendung am Beispiel der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf This paper introduces a holistic product model for the interactive simulation of shield tunnelling machines. The underlying product model is based on the Building Information Modelling methodology and uses the Industry Foundation Classes to classify and structure the captured data. Data from design, measurements and numerical simulation components obtained from four submodels (ground, tunnel, tunnel boring machine and building) are stored, classified and organized on commonly available servers. The very heterogeneous data structures found in each individual model are adjusted in advance using georeferencing, transformation or other suitable methods to increase compatibility. In particular, this article describes the methodological design of an interactive product model for mechanized tunnelling in soft soil, including its sub-models. Performance is demonstrated by a case study using data from the Wehrhahn-Line subway construction site in Düsseldorf, Germany. Here, the focus is on the verification of the product model and its use in the numerical simulations. The research presented is a central component of the Collaborative Research Center SFB 837 “Interaction Modelling in Mechanized Tunnelling” at the Ruhr University, Bochum.

Zur interaktiven Simulation von maschinellen Schildvortrieben wird ein ganzheitliches Produktmodell vorgestellt. Das Produktmodell basiert auf der Methode des Building Information Modelings und nutzt zur Strukturierung der Daten das Datenaustauschformat Industry Foundation Classes (IFC). Zentral gespeicherte Daten aus Planung, Messungen oder numerischen Simulationen von insgesamt vier Untermodellen (Baugrund, Tunnel, Tunnelvortriebsmaschine und Bebauung) werden klassifiziert und wiederum zur weiteren Nutzung organisiert. Die sehr heterogene Datenstruktur der einzelnen Untermodelle wird im Vorfeld durch Georeferenzierung, Transformation und andere geeignete Verfahren angepasst. Der Beitrag beschreibt den methodischen Aufbau des interaktiven Produktmodells für den Tunnelvortrieb im Lockergestein einschließlich seiner Untermodelle. Die Leistungsfähigkeit zeigt ein Fallbeispiel mit Daten der U-Bahnbaustelle WehrhahnLinie in Düsseldorf. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Verifizierung des Produktmodells sowie auf verknüpften Simulationen und übergreifenden Analysen. Die Forschungsarbeiten sind zentraler Bestandteil des Sonderforschungsbereichs SFB 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“ an der RuhrUniversität Bochum.

1 Introduction

1 Einleitung

The design and construction phases in mechanized tunnelling are subject to a variety of interrelated conditions. This applies to the actual structure of tunnel linings as well as to the surrounding soil, including the annular gap filling, as found in the typical final state of soil-structure interactions. The coordinated interaction of machine operations, surveying, logistics and preliminary investigation processes is very important, especially during such difficult situations such as the removal of obstructions or tunnelling under sensitive structures. In all processes, both in the design and in the construction stages, large amounts of data are generated, including data from the design stage (for example from the alignment), data obtained from measurements made during the advance, data gathered by previous site investigation or other protocols. To be able to use and analyse this diverse data in a consistent manner, a structured compilation of all data stored on commonly accessible servers must first be defined and implemented. To ensure a high level of quality and safe construction, it is recommended to use numerical simulations [1]. Performing these simulations, however, can be a time-con-

Planung und Bau maschinell aufgefahrener Tunnel sind einer Vielzahl von miteinander verknüpften Randbedingungen unterworfen. Das gilt zunächst für die eigentliche Baustruktur aus Tübbingring und umschließender Baugrundbettung mit Ringspaltfüllung, wie sie auch bei anderen Tragwerken im Sinne einer Boden-Bauwerk-Interaktion im Endzustand der Nutzung auftreten. Ein abgestimmtes Zusammenwirken von Maschinentechnik, Vermessung, Logistik und ggf. Vorauserkundungsverfahren ist gerade bei schwierigen Ereignissen wie der Bergung von Hindernissen oder der Unterfahrung setzungsempfindlicher Bauwerke unerlässlich. Bei allen Prozessen, sowohl in der Planung als auch in der Ausführung, werden große Mengen unterschiedlicher Arten von Daten erzeugt. Diese umfassen Planungsdaten (z. B. Trassierung), Messdaten während des Vortriebs, aber auch Daten aus Vorerkundungen und Protokollen. Um die Vielfalt der Daten vereinheitlicht betrachten und analysieren zu können, ist zunächst eine zentrale und strukturierte Zusammenstellung sinnvoll. Für den maschinellen Tunnelbau wird darüber hinaus empfohlen, zur Qualitätssicherung und zur Gewährleis-

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suming task, as the information needed to properly model a realistic tunnelling process is usually present in a different file format (e.g. spread sheets). For this reason, it is rare to find project data from the design and construction phases presented side by side. With an integrated product model, it is possible to implement such central data management and to collect data in a consistent, classified and structured manner. Furthermore, software applications are thus able to obtain needed data automatically and efficiently from the underlying product model. Also, results from the numerical simulation of similar structural models can be provided by the central product model. A further advantage of an integrated product model is the ability to provide a 4-dimensional visualization of the relationships between stored data through mapping in space and time. In this paper, the development of an integrated product model with the described properties is presented. The overall product model consists of several sub-models, which represent the various data sources of a tunnelling project. In order to validate the presented approach, a product model is presented with data from a reference project, the Wehrhahn-Line in Düsseldorf, Germany, demonstrating possible interactions. The methodology presented in this paper is illustrated for shield tunnelling in soil.

2 Data management methods in construction 2.1 Existing data management systems Currently, various data management systems exist that are used by construction companies, engineering firms and equipment manufacturers to manage data for large construction projects, usually with the goal of controlling project costs. The focus of these systems is mainly to efficiently structure the large amount of raw data generated during a tunnelling process. The aim of the research described in this paper, however, is to create and implement an integrated and interactive information platform based on a robust product model, including an integrated visualization component with interfaces for external simulation software.

2.2 Information technology basis for product modelling The modelling of the data structures for infrastructure has already been studied extensively, with the Building Information Modelling (BIM) concept having been found suitable to provide a methodology for defining product models in construction. BIM provides a semantically coherent exchange of information and models in standardized exchange formats, such as the Industry Foundation Classes (IFC) [2]. The use of standardized exchange formats is particularly helpful during the design phase, when many project participants must work simultaneously on different aspects of the tunnelling project. Information can then be exchanged quickly and uniformly. The visualization capabilities using BIM also enable complex relationships to be easily identified. IFC is based on an object-oriented data model and is therefore adaptable and easily extended. Using IFC, objects to be modelled are first organized into spatial regions, such as building floors, before other elements are

tung einer sicheren Bauausführung numerische Simulationen zu nutzen [1]. Die Konfiguration dieser numerischen Simulationen ist allerdings bisher sehr zeitaufwändig, da benötigte Informationen für die Modellierung realitätsnaher Randbedingungen in der Regel in unterschiedlichen Dateiformaten in Tabellen oder Dokumenten vorliegen. Eine Verknüpfung mit realen Projektdaten aus Planung und Ausführung findet daher nur selten statt. Mit einem integrierten Produktmodell ist es möglich, solch ein zentrales Datenmanagement zu fördern und Daten einheitlich zu sammeln, zu klassifizieren und zu strukturieren. Ferner sind so Softwareanwendungen in der Lage, mit dem Produktmodell automatisch die benötigten Daten schnell und effizient zur Modellgenerierung zu beziehen. Auch Ergebnisse anderer numerischer Simulation, z. B. von äquivalenten Bauwerksmodellen, können über das Produktmodell bereitgestellt werden. Ein weiterer Vorteil eines integrierten Produktmodells ist die einfache vierdimensionale Visualisierung der Zusammenhänge von Daten durch eine Abbildung in Raum und Zeit. Im Beitrag wird die Entwicklung eines integrierten Produktmodells mit den beschriebenen Eigenschaften vorgestellt. Das Produktmodell besteht aus mehreren Untermodellen, welche die unterschiedlichen Datenquellen eines Tunnelprojekts repräsentieren. Um den vorgestellten Ansatz zu validieren, wird ein Produktmodell mit Daten eines Referenzprojekts, der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf, aufgebaut und mögliche Interaktionen vorgestellt. Die in diesem Beitrag vorgestellte Methodik wird am Beispiel maschineller Schildvortriebe im Lockergestein erläutert.

2 Methoden zum Datenmanagement im Bauwesen 2.1 Existierende Datenmanagementsysteme Aktuell existieren verschiedene Datenmanagementsysteme, die zur Verwaltung von Daten bei großen Bauprojekten von bauausführenden Unternehmen, Ingenieurbüros oder Maschinenherstellern eingesetzt werden, mit dem Ziel, ein baubegleitendes Prozesscontrolling betreiben zu können. Schwerpunkt dieser Systeme ist vor allem die Strukturierung der großen Menge an Rohdaten verschiedener Datenformate, die während eines Tunnelvortriebsprozesses generiert werden. Das Ziel der Forschung in diesem Beitrag ist hingegen eine ganzheitliche und interaktive Datenplattform in Form eines Produktmodells mit einer integrierten Visualisierung zu entwickeln, die zusätzlich über eine Schnittstelle zur automatischen Bereitstellung von Daten für Simulationen verfügt.

2.2 Informatische Grundlagen zur Produktmodellierung Die Modellierung der Daten bei Infrastrukturbauwerken wurde bereits weitläufig untersucht. Dabei hat sich vor allem das Building Information Modelling Konzept (BIM) als geeignet erwiesen, das eine Methodik zur Produktmodellierung im Bauwesen bereitstellt. BIM bietet einen semantisch kohärenten Austausch von Informationen und Modellen über standardisierte Austauschformate wie die Industry Foundation Classes (IFC) [2]. Die Verwendung standardisierter Austauschformate ist besonders hilfreich in der Planungsphase, wenn viele Projektbeteiligte zeit-

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created and linked to the object. An element basically consists of a visualization component and a set of semantic information appended to the element. IFC was originally developed for the modelling of buildings, but has now been extended to other fields of application in civil engineering, including bridges and roads [3] [4] [5] [6] [7]. The modelling of tunnels in shield tunnelling is presented in [8] with an IFC-based multi-scale product model. This product model provides a minimum number of new IFC classes required to represent tunnels and also makes it possible to model various rooms, such as work spaces, to define the complete interior of a tunnel in a hierarchical manner. To model large-scale infrastructure, the Geographic Information System (GIS) can be used. However, the focus of GIS is aimed more at the management of spatial and geographical data, rather than at the modelling of individual structural details as with BIM. GIS uses the Open Geospatial Consortium (OGC) standard GML as a data model. Since 2012, the extension of CityGML [9] has been accepted as an international standard by the OGC. CityGML was developed for the storage and interoperable access of 3-dimensional models of cities and includes geometrical, semantic and topological aspects [10]. Techniques to combine IFC and CityGML are presented in [11] and [12]. The approaches described mainly deal with the modelling of building structures and the land-use planning of building construction. A methodology for modelling soil and underground structures is presented in [13]. A distinction is made between geological features, such as layers of soil or groundwater, and underground structures, such as sewers or tunnels. The model, however, is designed exclusively for the final product. To support the planning of urban and building models, a new DFG research group 1546 “Computer-Aided Collaborative Subway Track Planning in Multi-Scale 3D City and Building Models” was established. This group is concerned with collaborative planning, data management and the visualization of urban building projects, in particular the alignment of tunnels [14] [15]. To validate the developed concepts, an existing tunnel in Munich is used as a reference. The tunnel is represented at various levels of detail, which can be used simultaneously by many designers. The theoretical basis is provided by specially developed consistency preservation methods [16] [17]. The management of measured data, such as settlements or machine data, or the modelling of the tunnelling machine itself is not provided.

2.3 Problem definition Existing data management systems are designed for the storage of raw data that accumulates in the course of tunnelling projects. Because the data is mainly given in the form of simple documents and spread sheets, this makes them difficult to interpret without an adequate 3- or 4-dimensional visualization component. Furthermore, no holistic and comprehensive view of the construction processes in combination with the various measurement data and simulations is usually provided. In a tunnelling project, however, it is of great use to have a consistent and complete data management strategy

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gleich an verschiedenen Themenbereichen arbeiten. Informationen können dann einheitlich und schnell ausgetauscht werden. Durch Visualisierungsmöglichkeiten mithilfe von BIM können zudem komplexe Zusammenhänge einfacher identifiziert werden. IFC basiert auf einem objektorientierten Datenmodell und ist dadurch variabel und leicht erweiterbar. Mit IFC werden zu modellierende Objekte zunächst in räumliche Bereiche wie beispielsweise ein Gebäudestockwerk eingeteilt, bevor dann die weiteren Elemente des Bereichs modelliert und diesem zugeordnet werden. Ein Element besteht zum einen aus einer Visualisierungskomponente und zum anderen aus semantischen Informationen, die an das Element angehängt sind. Ursprünglich wurde IFC für die Modellierung von Gebäuden entwickelt, ist aber mittlerweile für weitere Anwendungsfelder im Ingenieurbau wie Brücken und Straßen erweitert worden [3] [4] [5] [6] [7]. Die Modellierung von Tunneln im Schildvortrieb wird in [8] über ein IFC-basiertes Multiskalen-Produktmodell vorgestellt. Dieses Produktmodell liefert eine minimale Anzahl von benötigten neuen IFC-Klassen für die Modellierung von Tunneln und bietet zudem die Möglichkeit, die verschiedenen Räume, z. B. den Arbeitsraum, als ein Teil des Innenraums des Tunnels hierarchisch abzubilden. Für die datentechnische Modellierung von großen räumlichen Infrastrukturen wird das Geographische Informationssystem (GIS) verwendet. Der Fokus von GIS liegt dabei mehr auf dem Management von räumlichen und geographischen Daten als auf der Modellierung von einzelnen Konstruktionen im Detail wie bei BIM. GIS benutzt den Open Geospatial Consortium (OGC) Standard GML als Datenmodell. Seit 2012 ist die GML-Erweiterung CityGML [9] als internationaler Standard von der OGC akzeptiert. CityGML wurde für die Speicherung und den interoperablen Zugang von dreidimensionalen Städtemodellen entwickelt und umfasst geometrische, semantische und topologische Aspekte [10]. Zur Verknüpfung von IFC und CityGML werden Ansätze in [11] und [12] vorgestellt. Die beschriebenen Ansätze behandeln hauptsächlich die Modellierung von Bauwerken oder die Raumplanung im Hochbau. Eine Methodik zur Modellierung des Erdreichs und von Untergrundstrukturen wird in [13] vorgestellt. Hierbei wird zwischen geologischen Elementen wie Bodenschichten oder Grundwasser und unterirdischen Strukturen wie Abwasserkanälen oder Tunneln unterschieden. Das Modell ist allerdings ausschließlich auf die Modellierung des Endprodukts ausgelegt. Zur Unterstützung der Planung von Stadt- und Bauwerksmodellen wurde die neue DFG-Forschergruppe 1546 „Rechnergestützte kooperative Trassenplanung in mehrskaligen 3D-Stadt- und Bauwerksmodellen“ gegründet. Diese behandelt die gemeinschaftliche Planung, das Datenmanagement und die Visualisierung von innerstädtischen Bauprojekten, insbesondere die Planung der Trassierung [14] [15]. Zur Validierung der entwickelten Konzepte dient eine reale Tunnelstrecke in München. Die Tunnelstrecke wird hierbei in verschiedenen Detaillierungsgraden betrachtet, die durch unterschiedliche Planer simultan bearbeitet werden. Grundlage hierfür sind speziell entwickelte Konsistenzerhaltungsmethoden [16] [17]. Eine Verwaltung von Messdaten, z. B. Setzungen oder Ma-

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throughout the duration of the project. The research projects discussed above often consider only the design phase or only the construction phase. Although methods for modelling soil or tunnels already exist, the modelling is often based on separate models that represent only one aspect of the tunnelling process. For the modelling and data management of an entire tunnelling project, the computational and interactive coupling of individual models for different aspects must be possible and is therefore necessary.

3 Integrated product model for tunnelling 3.1 Modelling data in mechanized tunnelling Based on experience with data modelling in the construction industry (see section 2.2), the BIM concept has been applied to develop a product model for tunnelling, taking into account existing proposals such as [18]. To structure the large amount of data and information created during mechanized tunnelling, it is first necessary to classify the data. For the development of a holistic product model, four sub-models (Figs. 1c to 1f) were defined to represent the relevant data sources, namely: the ground, the machine, the tunnel and the buildings. To generate these models, the standardized BIM exchange format IFC was used (see section 2.2).

schinendaten, und die Modellierung der Tunnelvortriebsmaschine ist nicht vorgesehen.

2.3 Problemstellung Die existierenden Datenmanagementsysteme sind auf die Speicherung von anfallenden Rohdaten in Tunnelbauprojekten ausgelegt. Diese liegen hauptsächlich in Form von Dokumenten und Tabellen vor, wodurch sie ohne eine ausreichende drei- bzw. vierdimensionale Visualisierung schwer zu interpretieren sind. Des Weiteren ist eine ganzheitliche und übergreifende Betrachtung der Bauprozesse und der verschiedenen Messdaten in Verbindung mit Simulationen nicht vorgesehen. In einem Tunnelbauprojekt ist jedoch eine konsistente und vollständige Datenverwaltung während der gesamten Dauer des Projekts von wesentlicher Bedeutung. Die vorgestellten Forschungen betrachten oftmals ausschließlich die Planungsphase oder ausschließlich die Ausführungsphase. Obwohl auch bereits Verfahren für die Modellierung des Bodens oder einer Tunnelstrecke vorliegen, basiert die Modellierung auf einzelnen Modellen, die nur einen Teilaspekt des Tunnelbaus abbilden. Für die Modellierung und Datenverwaltung eines ganzen Tunnelbauprojekts ist die informatische und interaktive Verknüpfung mehrerer Einzelmodelle für unterschiedliche Aspekte nötig.

3.1.1 Ground model The ground model mainly consists of two components: the soil layers and the groundwater sub-model (Fig. 1d). Using the results of the geotechnical investigation (in-situ and laboratory tests) and existing experience from previous construction works in the locality, a geological stratification of the subsoil is made and hydrogeological conditions in each georeferenced borehole are determined. By linear interpolation of the layer boundaries and the groundwater levels between the individual boreholes or groundwater monitoring points, a three-dimensional model of the subsoil and a time- and position-dependent groundwater model are created. To characterize each soil layer (corresponding to the depth and the stress state), semantic information, such as corresponding soil mechani-

3 Integriertes Produktmodell für den Tunnelbau 3.1 Modellierung von Daten im maschinellen Tunnelbau Basierend auf den Erfahrungen zur Datenmodellierung im Bauwesen (vgl. Abschnitt 2.2) wird zur Entwicklung eines Produktmodells für den Tunnelbau das BIM-Konzept unter Berücksichtigung existierender Vorschläge wie [18] angewendet. Um die komplexe Daten- und Informationsmenge im maschinellen Tunnelbau während Planung und Vortrieb zu strukturieren, ist es notwendig, diese zu klassifizieren. Dafür wurden im Zuge der Entwicklung des ganzheitlichen Produktmodells vier Untermodelle (Bild 1c bis 1f) definiert, die die maßgebenden Datenquellen im maschinellen Tunnelbau repräsentieren: Baugrund, Tunnel, Maschine und Bebauung. Zur Erzeugung dieser Modelle wurde das standardisierte BIM Austauschformat IFC verwendet (vgl. Abschnitt 2.2).

3.1.1 Baugrundmodell

Fig. 1. Concept of the holistic product model with its various sub-models Bild 1. Konzept des ganzheitlichen Produktmodells mit seinen verschiedenen Untermodellen

Das Baugrundmodell besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: Baugrund und Grundwasser (Bild 1d). Unter Verwendung der Baugrunderkundungen (Feld- und Laboruntersuchungen) und bereits vorliegenden örtlichen Erfahrungswerten vorheriger Baumaßnahmen werden eine ingenieurgeologische Schichteinteilung des Baugrunds und die Angabe der hydrogeologischen Randbedingungen in jedem georeferenzierten Bohrloch vorgenommen. Durch eine lineare Interpolation der Schichtgrenzen und der Grundwasserstände zwischen den einzelnen Bohrlöchern bzw. Grundwassermessstellen werden ein dreidimensionales Baugrundmodell und ein zeit- und positionsabhängiges Grundwassermodell erstellt. Zur Charakterisierung werden jeder Baugrundschicht (entsprechend

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cal and hydrological parameters, are assigned to each layer. The raw data of the drilling profiles and the results of the geotechnical investigation are also integrated into the product model.

3.1.2 Machine model The model of the tunnel boring machine (TBM model) is spatially divided into the TBM head and backup system (Fig. 1e) [5]. The dimensions of the machine can be adjusted by appropriate scaling corresponding to project constraints. The spatial areas are defined by modelled machine elements, to which modelling information in the form of semantic information (for example data related to the excavation diameter of the cutting wheel) can be attached. In addition, data measured during the advance of the TBM can be associated with individual elements. Since the TBM is loaded dependent on time, the measured data can be assigned precisely to elements recorded at the correct time. The visualization of the TBM is positioned just before the end of the tunnel.

3.1.3 Tunnel model The tunnel model, defined as a polygonal curve, was developed in cooperation with the Technical University of Munich [19]. In general, a single polygonal section of the curve represents a ring of the tunnel. The tunnel can be loaded in a time-dependent manner and at different stages of the construction process, that is, all rings that have been installed at a selected date will be extracted. The extracted tunnel consists of two parts: the tunnel lining and the annular gap (Fig. 1f). Both parts have a visualization and a semantic component as represented by the IFC description. The visualization is generated dynamically based on the number of segments retrieved from the database. The tunnel lining is divided into individual rings with their respective segments. Semantic information is provided for each ring, such as the outer diameter, the segment thickness, the date of installation or possible downtimes. The annular gap is also recorded by each ring and has semantic information such as the composition of the mortar and the grout volume.

3.1.4 Building model The building model includes the above-ground buildings in the area influenced by the tunnel (Fig. 1c). These buildings, especially their stiffness and mass, have a great influence on the size and shape of the settlement trough. These and other information, such as indicators to describe vulnerability to subsidence, will be integrated into the development model, where a link is provided between buildings and indicators. For small buildings, visualizations can be made manually using input data; for larger structures, automated methods using, for example, laser scans by aerial surveying are meaningful. Additional information such as area and position can easily be determined from the visualization. Apart from these four sub-models, the product model may also include other data such as subsidence (Figs. 1a and 1b). Settlements are usually given in the form of point

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der Tiefenlage und des Spannungszustands) semantische Informationen, wie die korrespondierenden bodenmechanischen und hydrologischen Materialparameter zugewiesen. Die Rohdaten der Bohrprofile und die Ergebnisse der bodenmechanischen Baugrunduntersuchungen werden zusätzlich im Produktmodell integriert.

3.1.2 Maschinenmodell Das Modell der Tunnelvortriebsmaschine (TVM Modell) ist räumlich unterteilt in den TVM Kopf und den Nachläufer (Bild 1e) [5]. Die Abmessungen der Maschine können über eine entsprechende Skalierung an die jeweiligen Projektrandbedingungen angepasst werden. Die räumlichen Bereiche werden durch Maschinenelemente definiert, an denen Modellinformationen in Form von semantischen Daten hängen wie beispielsweise der Abbaudurchmesser des Schneidrads. Zusätzlich können Messdaten mit einzelnen Elementen verknüpft werden, die während des Vortriebs gesammelt wurden. Da die Maschine zeitabhängig geladen wird, werden genau die Messdaten mit den jeweiligen Elementen verknüpft, die zu dem Ladezeitpunkt aufgenommen wurden. Die Visualisierung der Maschine wird genau vor das Ende des Tunnels gesetzt.

3.1.3 Tunnelmodell Das Tunnelmodell wurde in Kooperation mit der Technischen Universität München entwickelt [19]. Es schließt sich unmittelbar an das Modell der Maschine an. Der Tunnel steht hierbei als Polygonzug zur Verfügung. In der Regel repräsentiert ein Abschnitt des Polygonzugs einen Ring. Der Tunnel kann zeitabgängig und in verschiedenen Stadien des Bauablaufs geladen werden d. h. alle Ringe, die bis zum ausgewählten Zeitpunkt gebaut sind, werden extrahiert. Der extrahierte Tunnel besteht aus zwei Teilen: dem Tunnelausbau und dem Ringspalt (Bild 1f). Beide besitzen durch die IFC ebenfalls eine Visualisierungs- und eine semantische Komponente. Die Visualisierung wird basierend auf der Anzahl der ausgelesenen Segmente dynamisch generiert. Der Tunnelausbau ist in einzelne Ringe mit seinen jeweiligen Segmenten gegliedert. Für jeden Ring werden semantische Informationen bereitgestellt wie z. B. Außendurchmesser, Tübbingdicke, aber auch Angaben wie Einbaudatum oder Stillstandszeiten. Der Ringspalt ist ebenfalls pro Ring gegliedert und besitzt semantische Informationen wie die Zusammensetzung des Ringspaltmörtels und des Mörtelvolumens.

3.1.4 Bebauungsmodell Das Bebauungsmodell umfasst die oberirdischen Bauwerke im Einflussbereich der Tunnelstrecke (Bild 1c). Die Bauwerke, vor allem ihre Steifigkeit und ihre Masse, haben einen großen Einfluss auf Größe und Form der Setzungsmulde. Diese und noch weitere Informationen, z. B. Kennzahlen des Bauwerks zur Beschreibung der Vulnerabilität gegenüber Setzungen, werden im Bebauungsmodell integriert, wobei eine Verknüpfung der jeweiligen Kennwerte mit den entsprechenden Bauwerken stattfindet. Zur Generierung einer Visualisierung der Bauwerke kann bei kleineren Umfängen auf manuelle Aufmaßdaten zurück-

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data, that is, time-dependent measurements always assigned to a single point. Accordingly, there are a series of measurements over time for a given point, taken from various sources such as terrestrial or radar measurements or numerical simulations. In the evaluation of subsidence for a given region it is a decisive advantage to use visualization techniques.

3.2 Visualization capabilities in the product model For the visualization of data the concept of georeferencing plays an important role because all elements to be visualized must be displayed in a uniform coordinate system. Unified visualization is critical to identify relationships and dependencies between different data sources and components, for example, the time-variable relationship between the position of the TBM, the current thrust pressure and settlements. It is difficult or impossible to detect such relationships from data that is only available in the form of spread sheets or documents. A high degree of interoperability is also provided by automatically generated animations that allow the representation of data over a defined period of time or time steps. Various methods are suitable for the visualization of settlements [20]. Basically, the methods can be either point-wise or planar based. Each method, in turn, can have a variety of user-specific variations. For the presentation of settlements, it is advantageous to visualize the level of settlements by means of a colour scheme. The colour scheme

gegriffen werden. Bei größeren Umfängen sind automatisierte Methoden, z. B. Laserscandatensätze aus Flugzeugüberflügen sinnvoll. Zusätzliche Daten wie Grundfläche und Position können so leicht aus der Visualisierung bestimmt werden. Abgesehen von diesen vier beschriebenen Untermodellen kann das Produktmodell auch noch weitere Daten wie beispielsweise Setzungen erfassen (Bild 1a und 1b). Setzungen liegen in der Regel als Punktdaten vor, d. h. die Messungen finden zeitabhängig immer für denselben Punkt statt. Demzufolge hat man für einen Punkt eine Reihe von Messdaten über die Zeit. Diese Messdaten stammen i. d. R. aus verschiedenen Quellen, z. B. aus terrestrischen Messungen oder aus numerischen Simulationen. Bei der Auswertung von Setzungen ist es von entscheidendem Vorteil, eine Visualisierung zu verwenden.

3.2 Visualisierungsmöglichkeiten im Produktmodell Bei der Visualisierung der Daten spielt die Georeferenzierung eine große Rolle, da alle Elemente in einem einheitlichen Koordinatensystem abgebildet sein müssen. Eine einheitliche Visualisierung ist entscheidend, um Zusammenhänge und Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Datenquellen und Komponenten, z. B. zwischen der Position der TVM, des aktuellen Vortriebsdrucks und den Setzungen zu einem gewissen Zeitpunkt, zu erkennen, darzustellen und zu interpretieren. In Form von Tabellen und Dokumenten sind solche Zusammenhänge nur

Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model (AJRM) Walter Wittke Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model (AJRM) 2014. approx. 530 pages. € 149,–* ISBN 978-3-433-03079-0 Also available as

This book focuses on the fundamentals of rock mechanics as a basis for the safe and economical design and construction of tunnels, dam foundations and slopes in jointed and anisotropic rock. It is divided into four main parts: – – – –

Fundamentals and models Analysis and design methods Exploration, testing and monitoring Applications and case histories.

The rock mechanical models presented account for the influence of discontinuities on the stressstrain behavior and the permeability of jointed rock masses. Order online: www.ernst-und-sohn.de

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can be project-specific and can be adjusted according to the amount and distribution of actual or anticipated settlements. The step size of the gradients can be freely assigned or correlated to the magnitude of the settlements. Settlement points can be displayed either using geometrical objects (such as spheres) or as a triangular mesh. The advantage of using geometrical shapes is the ability to illustrate settlements using both colour values and object positions simultaneously. In a triangulated mesh, on the other hand, gradients can be continuously visualized well, making the settlement behaviour easily recognizable. Both visualization types are compared (Fig. 2).

3.3 Automatic access to data of the product model To access the data of a product model, an interactive platform has been implemented to provide a unified interface in the form of web services for various tunnelling components. The web service processes requests from compo-

schwer bzw. gar nicht zu erkennen. Ein hohes Maß an Interoperabilität bieten zusätzlich Animationen, welche die Darstellung von Daten über einen definierten Zeitraum und in definierten Zeitschritten anschaulich ermöglichen. Zur Visualisierung von Setzungen sind verschiedene Methoden geeignet [20]. Grundsätzlich werden punktuelle und flächige Verfahren unterschieden. Jedes der Verfahren lässt wiederum eine Vielzahl von benutzerspezifischen Variationen zu. Zur Darstellung des Setzungsverlaufs ist es vorteilhaft, die Höhe der Setzungen mithilfe eines Farbschemas zu visualisieren. Das Farbschema ist projektspezifisch festzulegen und je nach Höhe bzw. Verteilung der auftretenden oder zu erwartenden Setzungen anzupassen. Die Schrittweite der Farbverläufe kann frei gestaltet werden, auch eine variable Schrittweite im Bereich häufiger Setzungsgrößen ist möglich. Die Setzungspunkte können entweder mithilfe von geometrischen Objekten, z. B. Kugeln, oder in einem Dreiecksnetz dargestellt werden. Der Vorteil von geometrischen Formen ist die Möglichkeit, die Setzung sowohl farblich als auch durch Änderung der Objektposition zu illustrieren. Bei einem triangulierten Dreiecksnetz wiederum lassen sich Farbverläufe gut visualisieren, womit das flächenhafte Setzungsverhalten einfacher interpretiert werden kann. Beide Visualisierungsmöglichkeiten sind in Bild 2 vergleichend dargestellt.

3.3 Automatischer Zugriff auf Daten des Produktmodells

Fig. 2. Visualization of settlements as spheres (a) and as a triangular mesh (b) Bild 2. Visualisierung von Setzungen als Kugeln (a) und als Dreiecksnetz (b)

Fig. 3. Access to data of the product model using the interaction platform Bild 3. Zugriff auf Daten des Produktmodells über die Interaktionsplattform

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Für den Zugriff auf die Daten des Produktmodells ist eine Interaktionsplattform vorgesehen. Die Interaktionsplattform stellt eine einheitliche Schnittstelle in Form eines Web-Services bereit, durch den unterschiedliche Disziplinen Daten aus dem Produktmodell anfragen können. Der Web-Service verarbeitet die Anfragen, liest gezielt Daten aus dem Produktmodell aus und stellt diese in kompakter Form zur Verfügung. Durch die Bereitstellung einer einheitlichen Schnittstelle können verschiedene Applikationen, z. B. eine Datenbearbeitungssoftware oder eine beliebige Simulation, auf den Web-Service zugreifen, um Daten abzurufen (Bild 3). Das beschriebene System soll zudem für die automatische Konfiguration von numerischen Simulationsmodellen genutzt werden können. Im maschinellen Tunnelbau werden numerische Simulationen in der Regel mit kommerziellen Softwareanwendungen durchgeführt. Diese sehen i. d. R. keine standardisierte Schnittstelle zur Integration von Daten im Modellkern vor. Daher werden Eingabedateien für die verschiedenen Anwendungen generiert, mit denen das Simulationsmodell automatisch erzeugt werden kann. Hierbei besteht das Problem, dass die verschiedenen erforderlichen Parameter für eine Eingabedatei bei jeder Softwareanwendung individuell bezeichnet werden, obwohl derselbe Parameter gemeint ist. Um eine universelle Schnittstelle bereitstellen zu können, wird eine Ontologie benötigt, die sowohl die Bezeichnung der individuellen Parameter in den unterschiedlichen Softwareanwendungen als auch den Ort des Parameters im Produktmodell für ein automatisches Auslesen kennt. Somit können dem Produktmodell eine Reihe von benötigten Parametern für eine Simulation übergeben werden, die dann automatisch aus dem Modell gelesen

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Fig. 4. Overview of the eastern branch of the Wehrhahn-Line in Düsseldorf with the selected area of the product model, after [23] Bild 4. Übersicht Ostast der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf mit dem modellierten Bereich des Produktmodells, nach [23]

nents, reads the corresponding data from the product model and provides results in a compact form back to the user. By defining a unified interface, various applications ranging from data processing software to numerical simulations can access the web service in a general manner to retrieve data (Fig. 3). The system described above is also used for the automatic configuration of numerical simulation models. In mechanized tunnelling, numerical simulations are often carried out using commercial software applications. Because proprietary software does not usually have open, standardized interfaces, input files for each software system can be generated individually using data from the product model. Based on the input file, the simulation model is generated. The problem is that a single physical parameter is often described by different identification tags in each program, making a coherent exchange of parameters difficult. In order to provide an universal interface, an ontology is required that captures both the names of individual parameters in a specific software application and defines their location within the product model in a canonical manner. Thus, the product model can be queried for a number of parameters required for a simulation, which are then read from the database and automatically returned to the simulation. This allows designers to perform simulations based on different scenarios and different places by providing interoperable modelling components to find an overall optimal solution. Furthermore, the results of each simulation can be calculated more precisely since each component has access to updated information provided by previous simulation runs or by other information sources in the product model.

4 Case Study Wehrhahn Line in Düsseldorf The proposed concept for a product model will be illustrated by means of the reference project, the Wehrhahn-

und zurückgegeben werden. Dies ermöglicht den Planern ohne aufwändige Modellierungszeit Simulationen mehrfach in verschiedenen Szenarien und basierend auf unterschiedlichen Orten auszuführen, um eine optimale Lösung zu finden. Des Weiteren werden die Ergebnisse der Simulationen stetig präzisiert, da sie bei der Zusammenstellung der Eingangsparameter auf aktualisierte Informationen von vorherigen Simulationen oder andere Datenquellen im Produktmodell zurückgreifen können.

4 Anwendungsbeispiel Wehrhahn-Linie in Düsseldorf Das vorgestellte Konzept für ein Produktmodell soll anhand des Referenzprojekts Wehrhahn-Linie in Düsseldorf veranschaulicht werden. Die Wehrhahn-Linie ist ein U-Bahnprojekt der Landeshauptstadt Düsseldorf und verbindet zukünftig den S-Bahnhof „Bilk“ im Süden und die Haltestelle „Am Wehrhahn“ im Osten. Die maschinellen Vortriebsarbeiten der insgesamt 3,4 km langen Strecke gliedern sich in einen Südast und einen Ostast [21]. Ein Verbindungsstück zwischen Süd- und Ostast wird in bergmännischer Bauweise im Schutz einer Vereisung [22] hergestellt. Der Außendurchmesser der Tunnelröhre beträgt DA = 9,49 m und wird mit einer durchschnittlichen Überdeckung von 1,5 × DA aufgefahren. Ausgebaut wird der zweigleisige Tunnelquerschnitt mit 45 cm starken Stahlbeton-Tübbings.

4.1 Projektinformationen Zur Reduzierung des numerischen Aufwands im Fallbeispiel wird der Fokus auf den Teilbereich zwischen den U-Bahnhöfen „Schadowstraße“ und „Jacobistraße/Pempelforterstraße“ des Ostastes gerichtet (Bild 4). Dieser Streckenabschnitt steht mit einer Geraden und einer Kurvenfahrt repräsentativ für weite Teile der Wehrhahn-Linie. Die im Produktmodell (Bild 6) hinterlegten Daten stammen überwiegend aus Messungen, die während der

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Fig. 5. Components for the integrated product model Wehrhahn-Line in Düsseldorf Bild 5. Komponenten zum integrierten Produktmodell der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf

Fig. 6. Visualization of the integrated product model of Wehrhahn-Line in Düsseldorf Bild 6. Visualisierung des integrierten Produktmodells der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf

Table 1. Geological soil layers, project Wehrhahn-Line in Düsseldorf Tabelle 1. Ingenieurgeologische Schichteinteilung, Projekt Wehrhahn-Linie Düsseldorf Filling Auffüllung

layer thickness of 2 to 3 m, locally up to 8 m Schichtmächtigkeit von 2 bis 3 m, lokal auch bis ca. 8 m

Alluvial layer

mainly flood loam (silt, clay), deposits in the core section only in isolated areas, layer thickness of 0.5 to 1.5 m überwiegend Hochflutlehm (Schluff, Ton), Vorkommen in der Kernstrecke lediglich in vereinzelten Bereichen, Schichtmächtigkeit von 0,5 bis 1,5 m

Alluviale Hochflutbildungen Low terrace of the Rhine

Niederterrasse des Rheins

Tertiary Tertiär

sand and gravel of the quaternary, partly minor components of silt and clay, with increasing depth coarse-grained components, transition to tertiary between 17 to 29 m below the ground surface Sande und Kiese des Quartärs, z. T. schluffige und tonige Nebenbestandteile, mit der Tiefe zunehmend grobkörnigere Anteile, Übergang zum Tertiär zwischen 17 bis 29 m unterhalb der Geländeoberkante mostly slightly silty and medium sandy to silty fine sand meist schwach schluffige und schwach mittelsandige bis schluffige Feinsande

Line in Düsseldorf (Germany). The Wehrhahn-Line is a subway construction project in the City of Düsseldorf and connects the “Bilk” S-Bahn station in the south to the “Am Wehrhahn” station in the east. Tunnelling has a total length of 3.4 km and is divided into a southern branch and an eastern branch [21]. The link between the southern and eastern branch is constructed conventionally with the assistance of ground freezing [22]. The outer diameter of the tunnel is DA = 9.49 m and is driven by a hydroshield machine with an average overburden height of ca. 1.5 × DA. The twin-track tunnel has a 45 cm thick reinforced segmental concrete tunnel lining.

4.1 Project information To reduce the numerical effort in this case study, the focus will be concentrated on the part of the tunnel between the „Schadowstraße“ and „Jacobistraße/Pempelforterstraße“ subway stations on the eastern branch (Fig. 4). This

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Schildfahrt von Juni bis Dezember 2011 aufgezeichnet wurden. Im Einzelnen sind das Baugrund-, Maschinenund Setzungsdaten sowie umfangreiche Informationen zur oberirdischen Bebauung (Bild 5).

4.1.1 Baugrundmodell Für den gewählten Modellabschnitt werden Baugrunduntersuchungen und Informationen aus dem tunnelbautechnischen Bericht an 18 georeferenzierten Bohrlöchern und Grundwassermessstellen entlang der Tunneltrasse (vgl. Bild 6) berücksichtigt, die in tabellarischer, z. B. Messprotokolle, Baugrundkenngrößen, und grafischer Form, z. B. Mess- und Auswertungsdiagramme, Bohr- und Sondierprofile, geologische Schnitte, vorliegen. Daraus lässt sich die in Tabelle 1 dargestellte, grobe ingenieurgeologische Schichteneinteilung ableiten. Auf eine detailliertere Schichteinteilung innerhalb der Niederterrasse des Rheins wird im Rahmen dieses Bei-

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Fig. 7. Visualization of the machine model with SolidWorks 2012 Bild 7. Visualisierung des Maschinenmodells mit SolidWorks 2012

stretch, consisting of a straight line and a curve, is representative of much of the Wehrhahn Line. The data in the product model (Fig. 6) comes mainly from measurements recorded during the shield drive from June to December 2011, including soil data, machine data and settlements as well as extensive information on above-ground buildings (Fig. 5).

4.1.1 Ground model For the selected section, results of geotechnical investigation and information from the tunnelling report based on 18 georeferenced boreholes and groundwater measuring points along the tunnel route (Fig. 6) are taken into ac-

trags verzichtet. Der Grundwasserspiegel befindet sich innerhalb des Grundwasserleiters, der quartären Sande und Kiese der Niederterrasse des Rheins. Es können Grundwasserschwankungen in einer Größenordnung von ca. 2 bis 5 m auftreten. Auf Grundlage der Schichteneinteilung wird ein Baugrundmodell mit der oben genannten Schichtenfolge und einer Querschnittsfläche von ca. 730 m × 340 m generiert. Dazu werden die aus den Baugrundinformationen ermittelten Schichtgrenzen mithilfe eines Delauny-Algorithmus [24] zu einem Dreiecksnetz verbunden. Die Schicht aus alluvialen Hochflutbildungen wird im gewählten Modellabschnitt nicht berücksichtigt. Die Geländeoberfläche variiert in ihrer Höhe zwischen ca. 35 bis 38 m ü. NN und resultiert somit in einer Modelltiefe von ca. 75 bis 80 m. Für die Modellierung des Grundwasserspiegels werden sowohl der mittlere Grundwasserstand (27 bis 31 m ü. NN) als auch der Niedrigwasserstand sowie ein hoher Grundwasserstand als Extremwerte angesetzt. Die in Laborversuchen ermittelten oder durch örtliche Erfahrungen abgeschätzten bodenmechanischen Parameter werden der jeweiligen Schicht angehängt.

4.1.2 Maschinenmodell Die Visualisierung des Maschinenmodells wurde mithilfe von SolidWorks 2012 [25] erzeugt (Bild 7). Die modellier-

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count, which are given either in tabular form (for example, measurement protocols or soil parameters) or graphical form (for example, measurement and evaluation charts, drilling and sounding profiles or geological cross-sections). Based on this information, the geological layers as shown in Table 1 can be derived. A more detailed stratification for the low terrace of the Rhine is not needed in here. The water table is located within the aquifer of the quaternary sands and gravels of the lower terrace of the Rhine. Water-table fluctuations may occur in the order of 2 to 5 m. On the basis of the soil layers given above, a cross-sectional area of about 730 m × 340 m was defined. The information obtained from the subsoil layer boundaries can be converted to a triangle mesh using a Delaunay algorithm [24]. The alluvial layer is not considered in the selected section. The ground surface varies in height from about 35 to 38 m a.s.l. and thus results in a model depth of about 75 to 80 m. To model the groundwater level, the mean groundwater level (27 to 31 m a.s.l.) as well as low and high water levels (as extreme values) are identified. Soil mechanical parameters determined in laboratory tests or by local experiences are appended to the respective layers.

4.1.2 Machine (TBM) model The visualization of the machine model was implemented using SolidWorks 2012 [25] (Fig. 7). The model of the machine consists of a total of 86 elements, of which 54 elements belong to the backup and 32 elements to the machine itself. The cutting wheel geometry (DA = 9.49 m) and the total weight correspond to the TBM used in Düsseldorf. For each element, relevant semantic information such as machine data is added and stored with a specified format within the product model. In this case, about 200 to 300 values from about 250 data sources are collected for each ring. This means that about 50,000 to 75,000 values need to be recorded for a single ring. Therefore, only average values from measurements and operating conditions (driving, stopping, ring building, etc.) are stored in the product model.

4.1.3 Tunnel model The tunnel model consists of a total number of 534 rings with a mean ring width of 1.5 m. The rings are composed of 7+1 segments and the annular gap grout. The outer diameter of a ring is 9.2 m with a thickness of 0.45 m per segment. Each ring is additionally assigned information about the date of installation and the installation time, including the TBM driving time, length of ring construction and any downtime.

4.1.4 Building model The building model is generated on the basis of a 3D CAD model of the Capital City of Düsseldorf as laser scan data. In this model, individual buildings are initially separated from each other and buildings outside the model range are removed, resulting in a model consisting of approx. 200

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te Maschine besteht aus insgesamt 86 Elementen, wobei 54 zum Nachläufer gehören und 32 zum Maschinenkopf. Die Schildabmessungen (d = 9,49 m) und das Gesamtgewicht sind der Vortriebsmaschine in Düsseldorf angeglichen. Zu jedem Element werden dann semantische Informationen hinzugefügt und in einem bestimmten Format im Produktmodell abgelegt, z. B. die Maschinendaten. Über das betrachtete Teilstück fallen pro Ring ca. 200 bis 300 Momentanwerte bei ungefähr 250 Datenquellen an. Das bedeutet, dass allein für einen Ring etwa 50.000 bis 75.000 Werte aufgezeichnet werden. Im vorliegenden Modell werden die Maschinendaten daher zunächst nur für die Mittelwerte pro Ring, die sich aus den Momentanwerten und den Betriebszuständen (Vortrieb, Stillstand, Ringbau) ergeben, gespeichert.

4.1.3 Tunnelmodell Das Tunnelmodell besteht aus einer totalen Anzahl von 534 Ringen mit einer mittleren Ringbreite von 1,5 m. Die Ringe setzen sich aus einem 7+1 Tübbingsystem und dem Ringspaltmörtel zusammen. Der Außendurchmesser des Tübbingrings beträgt 9,2 m bei einer Segmentdicke von 0,45 m. Jeder Ring ist zusätzlich mit Informationen über Einbaudatum und Einbauzeit verknüpft. Zur Einbauzeit eines Rings gehören die Vortriebsdauer und Dauer für den Ringbau sowie ggf. Stillstandszeiten.

4.1.4 Bebauungsmodell Das Bebauungsmodell wird auf der Basis eines 3D-CADModells der Landeshauptstadt Düsseldorf als Laserscandaten generiert. In diesem Modell sind zunächst die einzelnen Gebäude voneinander separiert worden und dann diejenigen Gebäude entfernt, die außerhalb des Bereichs des Baugrundmodells liegen. Das Modell besteht somit aus insgesamt ca. 200 Bauwerken. Um die oberirdische Bebauung entlang der Tunneltrasse z. B. in numerischen Simulationen zu berücksichtigen, werden äquivalente Ersatzmodelle der Bebauung bereitgestellt. Diese äquivalenten Modelle enthalten semantische Informationen wie die effektive Steifigkeit des Bauwerks oder die Masse der Bebauung. Die maßgebenden Informationen stammen z. B. aus einer umfangreichen Analyse von originalen Hausakten der Bebauung.

4.1.5 Setzungsdaten Aus Messungen vor, während und nach der Schildfahrt am Ostast liegen im exemplarisch betrachteten Ausschnitt ca. 600 terrestrische und ca. 5.500 satellitengestützte Messpunkte vor. Die satellitengestützten Messungen sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 837 in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der TU Braunschweig (Prof. Niemeier) und der Landeshauptstadt Düsseldorf aus Radaraufnahmen des TerraSAR-X Satelliten entstanden. Bei den Messungen konnten Genauigkeiten im Bereich ±1,5 mm nachgewiesen werden [23]. Jeder Messpunkt zeigt ganze Zeitserien der Setzungen, die in den Abständen zwischen den Messungen stark variieren können. So liegen insgesamt etwa eine halbe

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buildings. To account for the buildings above the tunnel axis, for example in numerical simulations, equivalent replacement (surrogate) models of buildings are provided. These equivalent models contain semantic information such as the effective stiffness of the structures or the masses of the buildings. The relevant information is collected, for example, from an extensive analysis of original records of house construction plans.

4.1.5 Settlement data From measurements made before, during and after the tunnelling process on the eastern branch, about 600 terrestrial and 5,500 satellite-based data points were obtained. The satellite-based measurements were gained from radar images of the TerraSAR-X satellite and were possible through the cooperation of the Collaborative Research Center SFB 837 with the German Aerospace Center (DLR), the Technical University of Braunschweig (Prof. Niemeier) and the Capital City of Düsseldorf. Accuracies proved to be in the range of ±1.5 mm [23]. Each data point shows the corresponding time series of settlements that can vary greatly in the intervals between measurements. A total of about half a million settlement readings were collected. To use the data consistently in the product model, exact georeferencing of data points in the Gauss-Krüger coordinate system was necessary. By transformation of the terrestrial and satellite-based subsidence measurements to a common reference level, a direct comparison of settlement data is possible.

Fig. 8. Product model of the Wehrhahn-Line in Düsseldorf with visualization of settlements, buildings and the shield tunnelling. Bild 8. Produktmodell der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf mit Visualisierung von Setzung, Bebauung und Schildvortrieb

Million Setzungsmesswerte vor. Maßgebend für die Nutzung der Daten im Produktmodell ist die genaue Georeferenzierung der Messpunkte im Gauß-Krüger Koordinatensystem. Durch eine Transformation der terrestrischen Setzungsmessungen auf eine gemeinsame Nullmessung mit den satellitengestützten Setzungsmessungen ist ein direkter Vergleich der Daten möglich.

4.2 Beispiel 1: Visualisierung von Setzungsdaten

During driving operations in the eastern branch of the Wehrhahn Line, extensive settlement measurements were collected, as noted previously. All elements of the shield tunnelling machine were taken from the records of the construction company and put into the product model. With careful temporal and spatial synchronization it was possible to create a comprehensive animation of the shield tunnelling process. Fig. 8 depicts terrestrial subsidence measurements at different times during the advance. The course of settlements is shown using a triangulation of individual settlement points. White areas represent no (zero) settlements with respect to a reference level. Note that on June 30, 2011, some settlement (top right) has apparently occurred despite the great distance between the position of the TBM and the settling event. Taking into account additional information about construction activities in this area, it was realized that these settlement effects were caused by preliminary works at a subway stop. In the further course, the settlement behaviour of the soil with regards to the position of the shield machine remains clear.

Während des Schildvortriebs des Ostastes der WehrhahnLinie in Düsseldorf wurden umfangreiche Setzungsmessungen durchgeführt. Die gesamten Elemente des maschinellen Schildvortriebs sind aus den Aufzeichnungen der bauausführenden Firma in das Produktmodell übernommen worden. Durch die zeitliche und räumliche Synchronisation ist eine ganzheitliche Visualisierung mit Animation des Schildvortriebs möglich. In Bild 8 sind terrestrische Setzungsmessungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Vortriebs dargestellt. Der Verlauf der Setzungen wird hierbei mithilfe einer Dreiecksvernetzung der Setzungspunkte dargestellt. Bei einer weißen Fläche sind zu diesem Zeitpunkt die Setzungen gleich null. Am 30. Juni 2011 ist zu erkennen, dass trotz größerer Distanz zwischen Maschine und Setzungsereignis (rechts oben) bereits Verschiebungen aufgetreten sind. Unter Berücksichtigung weiterer Informationen zu Bautätigkeiten im Bereich des Produktmodells kann nachgewiesen werden, dass diese Setzungseffekte durch vorlaufende Arbeiten an einer U-Bahnhaltestelle verursacht wurden. Im weiteren Verlauf wird das Setzungsverhalten des Bodens im Zusammenhang mit der Position der Schildmaschine deutlich.

4.3 Example 2: A complete numerical simulation with equivalent models for buildings

4.3 Beispiel 2: Numerische Gesamtsimulation mit äquivalenten Ersatzmodellen der Bebauung

Numerical simulation models make the greatest demands on the interface specifications of the product model because of the wide variety of data formats and parameter types needed by each software product (see section 3.3). A

Numerische Simulationsmodelle stellen die größten Anforderungen an die in Abschnitt 3.3 beschriebenen Schnittstellen dar, da aufgrund sehr verschiedener Programmsysteme die Datenformate stark variieren. Eine wei-

4.2 Example 1: Visualization of settlement data

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further application of the product model is therefore provided by an example of an interactive numerical simulation using substitute models of building structures (see section 4.1). This allows the usually complex characteristics of buildings above the tunnel to be simplified without any additional computational cost in the overall simulation. To further simplify the simulation example, only a single building in the product area in Düsseldorf is considered (Fig. 9). The product model provides all relevant information (for example, parameters for the building and the geometry, machine parameters, material parameters and existing buildings) needed to automatically generate a working computational model. In particular, the model generated for the numerical simulation consists of the following sub-steps [26] [27]: – Transfer of geometry and soil data: In addition to the geometrical boundary conditions (of the simulation region), a clear definition of the tunnel and the ground layers is required. The information is provided by the product model for a generator in the form of volume data and geometrical boundary conditions in the ACIS format. The data on soil characteristics and soil layers stored in the product model data is based on expert knowledge and can be updated at any time. In addition, the tunnel

tere Anwendung des Produktmodells wird daher am Beispiel interaktiver numerischer Simulationen unter interaktiven Einbezug von äquivalenten Ersatzmodellen der Bebauung vorgestellt (vgl. Abschnitt 4.1). So ist es möglich, die häufig sehr komplexen Eigenschaften der Bebauung ohne einen zusätzlichen numerischen Aufwand in der Gesamtsimulation vereinfacht zu berücksichtigen. Zur weiteren Vereinfachung des Simulationsbeispiels wird nur ein Bauwerk im modellierten Bereich in Düsseldorf berücksichtigt (Bild 9). Das Produktmodell stellt alle maßgebenden Informationen, z. B. Baugrund, Geometrie, Maschinenparameter, Materialparameter und vorhandene Bebauung, einer automatischen Modellgenerierung zur Verfügung. Die Modellgenerierung für die numerische Simulation besteht im Einzelnen aus den folgenden Teilschritten [26] [27]: – Übernahme von Geometrie und Baugrund: Zusätzlich zu den geometrischen Randbedingungen (Simulationsbereich) ist eine klare Definition von Tunnel und Bodenschichten erforderlich. Diese Informationen werden über das Produktmodell dem Modellgenerierer in Form von Volumendaten und repräsentativen geometrischen Randbedingungen im ACIS-Format bereitgestellt. Die im Produktmodell vorgehaltenen Daten zu Bodenschichten und Baugrundkennwerten basieren auf Expertenwissen und können jederzeit aktualisiert werden. Darüber hinaus ist die Tunneltrassierung im Produktmodell in verschiedenen Formaten verfügbar. – Übernahme von Eingangsparametern: Die tunnelvortriebsbezogenen Parameter sind erforderlich, um das Simulationsmodell zu generieren. Diese Informationen stammen aus verschiedenen Disziplinen, bestehend aus Materialparametern (Boden, Ringspaltverpressung, Ausbau) sowie Geometrie- und Maschinendaten. Alle diese Parameter werden im Produktmodell für verschiedene Anwendungen gespeichert. – Generierung und Ausführung der Simulation: Nachdem alle Informationen zur Erstellung des Modells eingelesen sind, kann die automatische Modellgenerierung die verschiedenen Geometrien und Parameter in eine Simulation überführen, die Randbedingungen definieren und automatisch das Finite Element Netz erzeugen. Danach kann das sogenannte Simulationsskript erstellt und auf Anfrage ausgeführt werden. Letztendlich besteht das gesamte Modell aus einer Kollektion gespeicherter Daten im Produktmodell. So wird deutlich, dass ohne ein leistungsfähiges Produktmodell und ohne den Einbezug von Expertenwissen aus verschiedenen Disziplinen eine realistische großformatige Simulation nicht möglich ist. Die gewonnenen Ergebnisse der Simulation, z. B. Setzungen, werden dann wiederum zur Bewertung möglicher Schadensrisiken der Bebauung selbst im Produktmodell bereitgestellt (vgl. Bild 9).

5 Schlussfolgerungen

Fig. 9. Flow chart of an interactive numerical simulation Bild 9. Ablaufdiagramm einer interaktiven numerischen Simulation

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Die komplexen gekoppelten Verhältnisse beim Bau von Tunneln im maschinellen Vortrieb lassen sich in Modellen zusammenführen. Die Modelle benötigen zunächst vielfältige Daten. Dazu gehören solche des Baugrunds, des Tun-

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alignment stored within the product model is available in a variety of formats. – Transfer of input parameters: tunnelling-related parameters are needed to generate the simulation model. This information, including material parameters (soil, annular gap grouting, ring construction, etc.) as well as geometrical and machine data, comes from many sources. – Generation and execution of the simulation: after all the information has been read to create the model, the automatic model generator can transfer the various geometries and parameters to the simulation system, define the needed boundary conditions and automatically generate the finite element mesh. After that, a socalled simulation script can be created and run on demand. Ultimately, the entire model is defined by the collection of data stored in the product model. Thus it is clear that no realistic large-scale simulation is possible without a capable product model and without the inclusion of expert knowledge from different fields. The results obtained by a simulation (for example, the subsidence) can then form the basis for further planning options, such as a comprehensive risk analysis (see Fig. 9).

5 Conclusions The complex relationships that arise during the construction of tunnels using TBMs can be merged in corresponding models. Of course, such models require a variety of data, including ground data, tunnel data, data on the tunnel boring machine, but also information about the tunnel logistics and data of the above-ground building structures. Structural models, process descriptions and interaction relationships link the data in an integrated product model in an interactive fashion. Forecast calculations can now be performed and evaluated for quantities such as subsidence, fault conditions, or alignment properties. This is useful not only for a holistic anticipatory design process and controlled tunnelling operations, but also for visualization and presentation purposes. The proposed integrated product model shows the strengths of such coupled modelling. It helps to better understand the construction process, the evaluation of alignments or construction measures, and also to better access possible risk scenarios and provide options for risk reduction Acknowledgements The authors gratefully acknowledge the financial support of the German Research Foundation (DFG) for this work, which was elaborated within the framework of the subprojects A4, A5, C1, D1 and D3 of the Collaborative Research Center SFB 837 “Interaction Modeling in mechanized Tunneling”. A special thanks to Dipl.-Ing. A. Blome, Dipl.-Ing. H. Neuss, Dipl.-Geol. I. Pähler and Dipl.-Ing. E. Ziem of the Capital City of Düsseldorf (Traffic Department) for their support of the research project by providing essential project data. Likewise, we thank Bilfinger Construction Ltd., especially Dipl.-Ing. B. Ferrière, Dipl.-Betriebw. T. Eilert and Dipl.-Ing. F. J. Messirek for their helpful technical assistance.

nels, der Tunnelvortriebsmaschine, aber auch der Logistik und von Bauwerken im Einflussbereich der Trasse. Strukturmodelle, Prozessbeschreibungen und Interaktionsbeziehungen verknüpfen die Daten interaktiv in einem integrierten Produktmodell. Nun lassen sich Prognoseberechnungen zu beispielsweise Setzungen, Störungseinflüssen oder Trassierungseigenschaften durchführen und auswerten. Dies ist hilfreich für den ganzheitlichen vorausschauenden Planungsprozess, für eine gezielte Steuerung während des Vortriebs, aber auch für die Visualisierungen und Darstellungen. Das vorgestellte integrierte Produktmodell zeigt die Stärken solch einer gekoppelten Modellierung. Es hilft zum besseren Verständnis des Bauablaufs, der Bewertung von Trassen oder Maßnahmen, aber auch bei der Risikoabschätzung und -reduzierung. Derartige Modelle haben die Chance, sich als fester Bestandteil der Planung zu etablieren. Gleichzeitig aber können sie wertvolle Hilfestellungen während der Bauausführung bewähren. References [1] Guglielmetti, V., Grasso, P., Mahtab, A., Xu, S.: Mechanized Tunneling in Urban Areas. London: Taylor & Francis, 2012. [2] BuildingSmart: Industry Foundation Classes (IFC) – The buildingSMART data model. http://www.buildingsmart.org/ standards/ifc [3] Arthaud, G., Lebegue, E.: IFC-Bridge V2 Data Model. 2007. [4] Rebolj, D., Tibaut, A., Cuš-Babic, N., Magdic, A., Podbreznik, P.: Development and application of a road product model. Automation in Construction 17 (2008), No. 6, pp. 719–728. [5] Hegemann, F., Lehner, K., König, M.: IFC-based Product Modeling for Tunnel Boring Machines. Gudnason, Scherer (eds.): eWork and eBusiness in Architecture, Engineering and Construction, Reykjavík, Iceland, 2012, pp. 289–296. [6] Lee, S. H., Kim, B. G.: IFC Extension for Road Structures and Digital Modeling. Procedia Engineering 14 (2011), pp. 1037–1042. [7] Ji, Y., Borrmann, A., Beetz, J., Obergrießer, M.: Exchange of Parametric Bridge Models Using a Neutral Data Format. Journal of Computing in Civil Engineering, 2013. [8] Borrmann, A., Jubierre, J. R.: A multi-scale tunnel product model providing coherent geometry and semantics. Brilakis et al. (eds.): International Workshop on Computing in Civil Engineering. Los Angeles, 2013. [9] Gröger, G., Kolbe, T. H., Nagel, C., Häfele, K. H.: OGC City Geography Markup Language (CityGML) En-coding Standard. 2012. [10] Kolbe, T. H., Gröger, G., Plümer, L.: CityGML: Interoperable Access to 3D City Models. 1st International Symposium on Geo-information for Disaster Management. Delft, 2005. [11] Isikdag, U., Zlatanova, S.: Towards Defining a Framework for Automatic Generation of Buildings in CityGML Using Building Information Models. Geoinformation and Cartography Conference. Varazdin, 2009. [12] Hijazi, I., Ehlers, M., Zlatanova, S., Becker, T., Berlo, L.: Initial Investigations for Modeling Interior Utilities Within 3D Geo Context: Transforming IFC-Interior Utility to CityGML/UtilityNetworkADE. Kolbe et al. (eds.): Advances in 3D Geo-Information Sciences. pp. 95–113. Berlin, 2011. [13] Zobl, F., Robert, M.: Subsurface GeoBuilding Information Modeling GeoBIM. GEOinformatics 11 (2008), No. 8, pp. 40–43.

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Dipl.-Ing. Steffen Schindler Lehrstuhl für Massivbau Steffen.Schindler@rub.de

Dipl.-Ing. Felix Hegemann Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen Felix.Hegemann@rub.de

Abdullah Alsahly, M. Sc. Lehrstuhl für Statik und Dynamik Abdullah.Alsahly@rub.de

Dipl.-Ing. Thomas Barciaga Lehrstuhl für Grundbau, Bodenund Felsmechanik Thomas.Barciaga@rub.de

Dipl.-Ing. Mario Galli Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb Mario.Galli@rub.de

[14] Breunig, M. et al.: Towards Computer-Aided Collaborative Subway Track Planning in Multi-Scale 3D City and Building Models. 6th International ISPRS Conference on 3D Geoinformation. Wuhan, 2011. [15] Breunig, M. et al.: Towards 3D Geoinformatics and Computational Civil Engineering Support for Cooperative Tracks Planning. FIG Working Week. Rome, 2013. [16] Borrmann, A., Ji, Y., Jubierre, J. R.: Multi-scale geometry in civil engineering models: Consistency preservation through procedural representations. 14th Int. Conf. on Computing in Civil and Building Engineering. Moscow, 2012. [17] Jubierre, J., Borrmann, A.: Cross-submodel consistency preservation in multi-scale engineering models. 14th International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Cagliari. Sardinia, 2013. [18] Kymmell, W.: Building information modeling – Planning and managing construction projects with 4D CAD and simulations. Maidenhead: McGraw-Hill, 2008. [19] Amann, J. et al.: A Refined Product Model for Shield Tunnels based on a Generalized Approach for Alignment Representation. 1st International Conference on Civil and Building Engineering Informatics, Tokyo, 2013. [20] Falkner, N., Hegemann, F., Schindler, S.: Interaktive Visualisierung von Setzungsdaten in einer Virtual Reality Umgebung. Hegemann, Kropp et al. (Hrsg.): Forum Bauinformatik 2012, pp. 55–62. [21] Blome, A.: Die Wehrhahn-Linie – Historie, verkehrliches Konzept und künstlerische Gestaltung. Vergangenheit trifft Zukunft – 50 Jahre STUVA. Düsseldorf, 2010. [22] Müller, B.: Unterfahrung Kaufhof: Bergmännischer Vortrieb im Vereisungsverfahren. Vergangenheit trifft Zukunft – 50 Jahre STUVA. Düsseldorf, 2010. [23] Mark, P. et al.: Radarinterferometrie zum Setzungsmonitoring im Tunnelbau – Anwendung am Beispiel der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf. Bautechnik 89 (2012), No. 11, pp. 764–776. [24] George, P.L., Borouchaki, H.: Delaunay triangulation and meshing – Application to finite elements. Paris: Hermès, 1998. [25] Planchard, D., Planchard, M.: Engineering Design with SolidWorks 2012. Mission: SDC Publications, 2012. [26] Meschke, G., Nagel, F., Stascheit, J.: Computational Simulation of Mechanized Tunneling as Part of an Integrated Decision Support Platform. Journal of Geomechanics 11 (2011), pp. 519–528. [27] Stascheit, J. et al.: An automatic modeller for Finite Element Simulations of Shield tunneling Computational Modelling in Tunnelling. EURO:TUN, 2007.

Danksagung Dr.-Ing. Dipl.-Inform. Karlheinz Lehner Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen Karlheinz.Lehner@rub.de

Dr.-Ing. Christian Koch Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen koch@inf.bi.rub.de Ruhr-Universität Bochum Universitätsstraße 150 44801 Bochum Germany

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Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Förderung dieser Arbeit im Rahmen der Teilprojekte A4, A5, C1, D1 und D3 des Sonderforschungsbereichs SFB 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“. Ein besonderer Dank gilt Frau Dipl.-Ing. A. Blome, den Herren Dipl.-Ing. H. Neuß, Dipl.-Geol. I. Pähler und Dipl.Ing. E. Ziem der Landeshauptstadt Düsseldorf Amt für Verkehrsmanagement für die Unterstützung des Forschungsprojekts durch die Bereitstellung fundamentaler Projektdaten. Ebenso sei der Bilfinger Construction GmbH, insbesondere den Herren Dipl.-Ing. B. Ferrière, Dipl.-Betriebw. T. Eilert und Dipl.Ing. F. J. Messirek für die technische Unterstützung gedankt.

Topics Jan Düllmann Michael Alber Ralf J. Plinninger

DOI: 10.1002/geot.201300028

Determining soil abrasiveness by use of index tests versus using intrinsic soil parameters Bewertung der Abrasivität von Lockergesteinen mit Indexverfahren und herkömmlichen Bodenkennwerten The evaluation of the abrasiveness of soil is not unified or standardised at the moment. Mostly used are complex index processes with greatly simplified model bodies and simplified test conditions such as the LCPC abrasimeter test. These processes can however at best measure the efficiency of the wear mechanism and are not capable of reflecting the strength of the bonding of the internal fabric, an essential factor determining the level of operational demands, i.e. the resistance to excavation. These index processes therefore offer no advantages over evaluation processes based on conventional soil mechanics parameters. Quite the opposite, these mostly prototype tests imply new problems that are inevitable with the testing methods. The paper thus presents at the end an extended method of evaluating wear to excavation tools and the conveyance or transport of excavated spoil.

Die Beurteilung der Abrasivität von Lockergesteinen ist bis heute nicht vereinheitlicht oder normiert. Verbreitet sind vor allem komplexe Indexverfahren mit stark vereinfachten Modellkörpern und vereinfachten Versuchsrahmenbedingungen wie z. B. der Drehflügelversuch LCPC. Diese Verfahren können aber allenfalls die Wirksamkeit des Verschleißmechanismus abbilden und sind nicht in der Lage, die Festigkeit des Gefügeverbands als maßgeblichen Einflussfaktor auf die Größe der Beanspruchung, d. h. den Abbauwiderstand zu erfassen. Derartige Indexverfahren besitzen daher keine Vorteile gegenüber Bewertungsverfahren, die auf herkömmlichen, bodenmechanischen Kennwerten beruhen. Ganz im Gegenteil implizieren diese, meist prototypartigen Versuche neue, versuchsspezifische Probleme. Der Beitrag stellt daher abschließend einen erweiterten Bewertungsansatz zur Verschleißbewertung von Abbauwerkzeugen sowie der Abförderung bzw. dem Abtransport von gelöstem Abbaugut vor.

1 Introduction

1 Einführung

Unexpectedly high wear to the cutting and boring tools (Fig. 1) is one of the most frequent causes of slow construction progress in mechanised tunnelling and geotechnical engineering, leading to increased costs and claims [3]. The measurement of the abrasiveness of soil as a basis for the prediction of wear has however still not been unified or covered by standards. Various testing processes – mostly complex index processes with highly simplified model bodies and simplified testing conditions – have not delivered reliable and resilient parameters or contributed to the clarification of disputed matters but have rather been the cause of confusion in the past. Wear estimates based on these methods have also mostly been empirical and thus contain a high degree of subjective estimation and company specific experience.

Unerwartet hoher Verschleiß an Abbau- und Bohrwerkzeugen (Bild 1) gehört im maschinellen Tunnelbau und Spezialtiefbau zu den häufigsten Ursachen für geringeren Baufortschritt und damit verbundenen Kostensteigerungen und Mehrkostenforderungen [3]. Die Beurteilung der Abrasivität von Lockergesteinen als Basis für Verschleißprognosen ist bis heute jedoch nicht vereinheitlicht oder normiert. Unterschiedlichste Prüfverfahren – meist komplexe Indexverfahren mit stark vereinfachten Modellkörpern und vereinfachten Versuchsrahmenbedingungen – haben in der Vergangenheit eher für Verwirrung gesorgt, als dass sie aussagekräftige und belastbare Kennwerte geliefert und zur Klärung strittiger Sachverhalte beigetragen hätten. Auch erfolgen die darauf aufbauenden Verschleißprognosen meist empirisch und beinhalten daher in einem hohen Maß subjektive Einschätzungen und firmeninterne Erfahrungen.

2 Definition of wear and tribological systems The basics for the description of wear and the categorisation of wear systems are described in the bulletin No. 7 of the Gesellschaft für Tribologie, the German Society for Tribology [8]. This bulletin represents the continuation of the former DIN standards in the 50320 series, which were withdrawn due to the lack of regular updating. Wear is defined as the progressive loss of material from the surface of a solid body caused by mechanical

2 Definition von Verschleiß und tribologischen Systemen Die Grundlagen der Verschleißbeschreibung und der Gliederung von Verschleißsystemen werden im Arbeitsblatt Nr. 7 der Gesellschaft für Tribologie [8] beschrieben. Dieses Arbeitsblatt stellt die Fortschreibung der ehemaligen DIN-Normen der Reihe 50320 dar, die 1997 wegen fehlender turnusmäßiger Überarbeitung zurückgezogen wurden.

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Fig. 1. Examples of worn excavation tools on a shield TBM: drag picks (left), disc cutter (right) Bild 1. Beispiele für verschlissene Abbauwerkzeuge einer Schildmaschine: Schälmesser (links), Einringdiske (rechts)

loading. This is called tribological loading and cannot be expressed as a parameter related to a material but only as parameter related to a system, since it is above all the interactions of the system components involved that are relevant for the actual wear potential of a system. Such a tribological system consists of tribological stresses, where all the forces acting on the system can be collected, and a structure, which describes all the materials (elements) involved in the system and their properties. In order to describe the wear potential of an overall system, two components have to be taken into account as the resultant of the interaction of the tribological stresses and the structure of the wear system. These are the “efficiency of the wear mechanism” and the “level of operational demands” (Fig. 2). If only one of these components is evaluated instead of a complete system analysis, then no reliable statement can be made about the wear potential of the overall system.

3 Tribological systems in mechanised tunnelling In mechanised shield tunnelling with or without face support, it is generally necessary to distinguish between two different wear systems: – Wear to excavation tools and other machine parts as a result of direct contact with the encountered soil (described as excavation wear or primary wear), – wear to transport and conveyance equipment as a result of contact with the already excavated ground (described as transport wear or secondary wear). The common feature of both these systems is the efficiency of the wear mechanism. The essential wear mechanism in mechanised tunnelling in soft ground with or without face support is, according to the definition in [8], the abrasion. This article will therfore not deal with “wear” as a result of brittle failure of tools due to high impact loads. Other wear mechanisms like adhesion, tribo-chemical reactions or surface fracturing have a less significant effect in this type of tunnelling. The difference between the two systems is the level of operational demands. While in the excavation wear sys-

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Als Verschleiß wird der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers definiert, der durch mechanische Beanspruchung hervorgerufen wird. Diese sogenannte tribologische Beanspruchung kann nicht als stoffbezogene, sondern nur als systembezogene Kenngröße ausgedrückt werden, da es vor allem die Wechselwirkungen der beteiligten Systemkomponenten sind, die für das tatsächliche Verschleißpotenzial eines Systems relevant sind. Ein solches tribologisches System gliedert sich in ein Beanspruchungskollektiv, in dem sämtliche auf das System wirkenden Kräfte zusammengefasst werden, und eine Struktur, die sämtliche am System beteiligten Stoffe (Elemente) und deren Eigenschaften beschreibt. Um eine Aussage zu dem Verschleißpotenzial eines Gesamtsystems treffen zu können, müssen zwei Komponenten als Resultat der Wechselwirkungen aus Beanspruchungskollektiv und Struktur bewertet werden können. Dies sind die „Wirksamkeit des Verschleißmechanismus“ und die „Größe der technisch-physikalischen Beanspruchung“ (Bild 2). Wird anstatt einer vollständigen Systemanalyse nur eine dieser Komponenten beurteilt, so kann keine aussagekräftige Angabe zum Verschleißpotenzial des Gesamtsystems getroffen werden.

3 Tribologische Systeme im maschinellen Tunnelbau Bei maschinellen Schildvortrieben mit oder ohne Ortsbruststützung ist die generelle Trennung zweier verschiedener Verschleißsysteme notwendig: – Verschleiß an Abbauwerkzeugen und anderen Bauteilen durch den direkten Kontakt zum anstehenden Baugrund (als Abbauverschleiß oder Primärverschleiß bezeichnet) – Verschleiß an Transport und Fördereinrichtungen durch den Kontakt zum bereits gelösten Baugrund (als Transportverschleiß oder Sekundärverschleiß bezeichnet) Die Gemeinsamkeit beider Systeme liegt in der Wirksamkeit des Verschleißmechanismus. Der wesentliche Verschleißmechanismus im maschinellen Tunnelbau im Lockergestein mit oder ohne Ortsbruststützung ist entsprechend den Definitionen in [8] die Abrasion. Auf mögliche

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Gewaltschäden durch hohe Schlagbeanspruchungen soll in diesem Beitrag nicht weiter eingegangen werden. Andere Verschleißmechanismen wie Adhäsion, tribochemische Reaktionen oder Oberflächenzerrüttung haben bei diesen Vortriebsverfahren einen allenfalls stark untergeordneten Einfluss. Der Unterschied zwischen beiden Systemen liegt in der Größe der technisch-physikalischen Beanspruchung. Während im System Abbauverschleiß die Kontaktkraft der Werkzeuge zum anstehenden Baugrund die Größe der Beanspruchung vorgibt (u.a. abhängig von den Baugrundeigenschaften), wird diese im System Transportverschleiß eher durch die Strömungsmechanik in den Förderwegen, v.a. durch die Strömungsgeschwindigkeiten, bedingt.

Fig. 2. Scheme of the components and their interactions within a tribological wear system (modified/added according to [8]) Bild 2. Schematische Darstellung der Komponenten und deren Wechselwirkungen innerhalb eines Verschleißsystems (verändert/ergänzt nach [8])

tem, the contact force of the tools to the prevailing ground determines the exposure (also dependent on the ground properties), in the transport wear system it is rather determined by the hydraulic mechanics in the conveyance routes, and also from the flow speeds.

4 Abrasiveness measurement in soft ground 4.1 Index tests for the measurement of abrasiveness In order to provide an supposedly simple measurement of soil abrasiveness in the laboratory, numerous different test procedures have been proposed in the past, mostly based on greatly simplified model test systems (model mill tests). The basic principle of these procedures is the determination of the material loss in a model-type test body, which is moved through a soil sample for a certain time under defined energy input. In Middle Europe, the LCPC abrasimeter test is widely used [16], for which a French test standard is available [1] (Fig. 3, left). The rotation of a metal propeller in a soil sample, which has been disturbed and possibly also changed in its grain size, grain size distribution and grain angularity, indeed introduces a defined energy into the test procedure, but this is not related to the actual level of operational demands in the encountered (undisturbed) ground. Tests with large volumes or the possibility of artificially compacting the sample material (e.g. the so-called “Wiener Abrasimeter” [5] [6]) can therefore not reflect this essential property of the ground. The same applies to the parameters determined in the Miller Test according to ASTM G75-07 [2], or the NTNU Soil Abrasion Test [17] [18] (Fig. 3, right). Even under favourable conditions, these tests are only capable of determining the efficiency of the wear mechanism (see section 2). A listing of further soil properties and their consideration in such index processes can be found for example in Plinninger and Restner [15] for the example of the LCPC test.

4 Abrasivitätserfassung für Lockergesteine 4.1 Indexversuche zur Abrasivitätsbewertung Zum Zwecke der vermeintlich einfachen und labortauglichen Bewertung der Abrasivität von Lockergesteinen wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl unterschiedlicher Untersuchungsverfahren vorgeschlagen, die zumeist auf stark vereinfachten Modellversuchssystemen (Verschleißtöpfen) beruhen. Das Grundprinzip dieser Verfahren ist die Bestimmung des Materialverlusts eines modellartigen Prüfkörpers, der für eine bestimmte Zeit und unter definiertem Energieeintrag durch eine Bodenprobe bewegt wird. Im deutschsprachigen Raum hat sich insbesondere der auch als Drehflügelversuch bezeichnete LCPC-Test etabliert [16], für den eine französische Prüfnorm vorliegt [1] (Bild 3, links). Durch die Rotation eines Metallflügels in einer gestörten und hinsichtlich Korngröße, Korngrößenverteilung und Kornform ggf. veränderten Bodenprobe wird zwar auch eine definierte Energie in den Prüfvorgang eingebracht, diese steht jedoch mit der tatsächlichen Größe der technisch-physikalischen Beanspruchung im anstehenden (ungestörten) Boden nicht im Zusammenhang. Auch Versuche mit größeren Volumina oder der Möglichkeit das Probenmaterial künstlich zu verdichten (z. B. Wiener Abrasimeter [5] [6]) können diese wesentliche Eigenschaft eines Bodens daher nicht abbilden. Gleiches gilt für die im Miller-Test nach ASTM G75-07 [2], oder im NTNU Soil Abrasion Test [17] [18] (Bild 3, rechts) ermittelten Kennwerte. Auch diese Versuche sind im günstigsten Fall nur in der Lage, lediglich die Wirksamkeit des Verschleißmechanismus zu bewerten (vgl. Kapitel 2). Eine Zusammenstellung von weiteren Bodeneigenschaften und deren Berücksichtigung bei derartigen Index-Verfahren findet sich am Beispiel des LCPC-Tests bei Plinninger und Restner [15].

4.2 Herkömmliche Bodenkennwerte in der Abrasivitätsbewertung Hinsichtlich der Wirksamkeit des Verschleißmechanismus stellen die Mineralzusammensetzung, Korngröße und Kornrundungsgrad der Komponenten (vgl. DIN 14688-1 [4]) maßgebliche intrinsische Kennwerte dar [6] [9]. Vereinfacht ausgedrückt steigt die Abrasivität eines Bodens mit steigendem Anteil schleißscharfer Minerale, größeren Korngrößen und eckiger Kornform. Dies gilt dabei sowohl für das System Abbauverschleiß als auch für das System

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Fig. 3. Schematic layout of LCPC test (left) and NTNU SAT test (right) Bild 3. Schematische Darstellung des LCPC-Tests (links) und des NTNU SAT-Tests (rechts)

4.2 Conventional soil parameters in the measurement of abrasiveness Regarding the efficiency of the wear mechanism, the mineral composition, grain size and degree of angularity of the components (see DIN 14688-1 [4]) are relevant intrinsic parameters [6] [9]. Stated in a simplified form, the abrasiveness of a soil increases with increasing content of abrasion-sharp minerals, larger grain sizes and sharper grain angularity. This applies both for the excavation wear system and for the transport wear system since these characteristics usually are not significantly changed by the excavation process at the face. The water content also has a considerable influence on the potential wear [6]. This effect can nevertheless be neglected for tunnelling machines with face support or also with open EPB machines or with hydraulic conveyance, since an overabundance of water and saturated conditions can normally be assumed. In the excavation wear system, the bonding strength of the internal fabric (e.g. the consolidation in coarsegrained soils and the shear parameters c and ϕ (or the consistency) in fine and widely-graded soils have a significant influence on the magnitude of the exposure, since these factors have a direct effect on the excavation resistance. In the transport wear system, however, this effect is negligible since the original properties of the internal fabric have been completely destroyed by the excavation of the material. It can be assumed that it is above all these factors – often overlooked in methods used until now – that lead to the fact that direct dependencies between the abrasiveness of the ground and the actual tool wear my be hard to determine (see [12]). A methodical method based on geotechnical-mineralogical parameters has recently been proposed by Köppl and Thuro [13]. Analogously to the determination of the so-called Rock Abrasiveness Index (RAI) [14], a parameter called the Soil Abrasiveness Index (SAI) is determined in this process, which considers the equivalent quartz content and the grain size (as a measure of the efficiency of the mechanism) and also the excavation resistance (as a measure for the magnitude of the exposure) in the form of a theoretically calculated shear strength of the undis-

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Transportverschleiß, da diese Merkmale bei den hier betrachteten Verfahren beim Lösen der Komponenten aus der Ortsbrust meist nicht nennenswert verändert werden. Zusätzlich hat auch der Wassergehalt einen erheblichen Einfluss auf das Verschleißpotenzial [6]. Dieser ist aber bei Vortrieben mit Ortsbruststützung bzw. auch bei offenen EPB-Vortrieben oder hydraulischer Materialförderung zu vernachlässigen, da in der Regel von einem Überangebot von Wasser und gesättigten Zuständen auszugehen ist. Im System Abbauverschleiß hat vor allem die Festigkeit des Gefügeverbands (d. h. die Lagerungsdichte bei grobkörnigen Böden und die Scherparameter c und ϕ(bzw. die Konsistenz) bei fein- und gemischtkörnigen Böden) maßgeblichen Einfluss auf die Größe der Beanspruchung, da sie einen direkten Einfluss auf den Abbauwiderstand hat. Im System Transportverschleiß ist dieser Einfluss jedoch hinfällig, da die ursprünglichen Eigenschaften des Gefügeverbands beim Lösen des Materials vollständig zerstört werden. Es ist zu vermuten, dass es vor allem diese – bei bisherigen Betrachtungen oft vernachlässigten – Faktoren sind, die dazu führen, dass direkte Abhängigkeiten zwischen der Abrasivität des Bodens und tatsächlichem Werkzeugverschleiß oft nicht erkennbar sind (siehe [12]). Ein methodisch auf geotechnisch-mineralogischen Kennwerten aufbauender Ansatz wurde jüngst von Köppl und Thuro [13] vorgestellt. Analog zur Bestimmung des sogenannten Rock Abrasiveness Index (RAI) [14] wird bei diesem Verfahren ein als Soil Abrasiveness Index (SAI) bezeichneter Kennwert bestimmt, der neben dem Äquivalenten Quarzgehalt und der Korngröße (als Maß für die Wirksamkeit des Mechanismus) auch den Abbauwiderstand (als Maß für die Größe der Beanspruchung) in Form einer theoretisch berechneten Scherfestigkeit des anstehenden Bodens berücksichtigt. Der hierbei verwendete Abbauwiderstand basiert allerdings auf idealisierten Annahmen und der Überlagerungshöhe und kann daher ggf. von den natürlichen Verhältnissen abweichen. In ähnlicher Art empfehlen Jakobsen et al. [11] eine Verknüpfung des SAT-Werts mit einem geotechnischen Parameter wie der Lagerungsdichte um daraus einen ebenfalls als Soil Abrasiveness Index bezeichneten Wert zu erhalten, der so alle relevanten Kennwerte eines Baugrunds berücksichtigen soll.

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turbed ground. The excavation resistance used in this case is indeed based on idealised assumptions and the overburden depth and can thus vary from the natural conditions in some cases. In a similar manner, Jakobsen et al. [11] proposed a combination of the SAT value with a geotechnical parameter like the consolidation in order to obtain a value also described as the Soil Abrasiveness Index, which is intended to consider all the relevant parameters of the encountered ground.

4.3 Our own experience with the LCPC process In the course of a test series with the LCPC process at the Ruhr University, Bochum, it could be confirmed that the mineralogical composition of the components (characterised by the equivalent quartz content) has a decisive influence on the LCPC test results as long as other properties, which also affect the abrasiveness, remain constant (Fig. 4, left). This conclusion confirms the results of other investigations [6] and thus contradicts the results described in Köhler et al. [12], which are apparently based on an insufficient sample set. It can also be confirmed that grain angularity and grain size show a much less significant although still measureable influence (Fig. 4, right), which is also in agreement with the results described in Drucker [6]. In summary, the tests confirm that the LCPC test can at best reflect an approximation of the efficiency of the wear mechanism. It should however also be pointed out that non-standardised testing apparatus and testing materials can lead to inaccuracy in the results, which complicates quantitative measurement and the comparison of values from different testing institutes. Due to the high sensitivity of the LCPC results to the weighing of the test body (±0.05 g corresponds to a difference of ± 100 g/t in the result), even small differences can have a bad effect on the reliability of the index values. In addition, relevant fractions (fraction d < 4 mm) are not considered in the test due to the restriction of the tested grain size range to 4–6.3 mm.

4.3 Eigene Erfahrungen mit dem LCPC-Verfahren Im Rahmen von Reihenversuchen mit dem LCPC-Verfahren an der Ruhr-Universität Bochum hat sich bestätigt, dass die mineralogische Zusammensetzung der Komponenten (charakterisiert durch den Äquivalenten Quarzgehalt) einen maßgeblichen Einfluss auf das Prüfergebnis des LCPC-Vesuchs hat, sofern andere abrasivitäts(mit)bestimmende Eigenschaften unverändert bleiben (Bild 4, links). Diese Feststellung bestätigt die Erkenntnisse anderer Untersuchungen [6] und widerspricht damit den in Köhler et al. [12] dargestellten Erfahrungen, die offenbar auf einem für eine derartige Bewertung nicht ausreichendem Probenset beruhen. Es ist zudem festzustellen, dass Kornform und Korngröße einen weitaus geringeren, aber immer noch feststellbaren Einfluss haben (Bild 4, rechts), was ebenfalls in Übereinstimmung mit den in Drucker [6] dargestellten Erkenntnissen ist. Die Versuche bestätigen zusammenfassend, dass der LCPC-Test allenfalls die Wirksamkeit des Verschleißmechanismus näherungsweise abbilden kann. Zusätzlich können allerdings durch nicht standardisierte Prüfmaschinen und Prüfmaterialien Ungenauigkeiten im Ergebnis entstehen, die eine quantitative Bewertung und den Vergleich von Werten aus unterschiedlichen Prüfanstalten erschweren. Durch die hohe Sensibilität des Ergebnisses gegenüber der Wägung des Prüfkörpers (±0,05 g entspricht einer Differenz von ± 100 g/t im Ergebnis) können sich so bereits kleine Unterschiede nachteilig auf die Aussagekraft dieses Indexwerts auswirken. Zusätzlich werden durch die Beschränkung des Prüfkornspektrums auf 4–6,3 mm relevante Fraktionen (Fraktion d < 4 mm) bei der Prüfung nicht berücksichtigt. Da Parameter zur Charakterisierung der Mineralogie, Korngröße und Kornform als herkömmliche geotechnische Parameter im Zuge standardisierter Baugrunderkundungen ermittelt werden, stellt sich daher abschließend die Frage ob es nicht sinnvoller ist, die Abrasivitätsbewertung von vorneherein auf diese herkömmlichen Kennwerte abzustellen, ohne die Anschaffung eines aufwändigen Spezi-

Fig. 4. Influences of intrinsic soil parameters on the LCPC wear coefficient ABR: left: Influence of quartz content (defined mixtures of Siligran quartz and marble gravel), right: Influence of grain angularity (mixtures of broken/angular grains and round grains of same mineralogical composition, three analyses per set) Bild 4. Bodenmechanische Einflussfaktoren auf den LCPC-Verschleißkoeffizient ABR: links: Einfluss des Quarzgehalt (Mischreihe aus Siligran-Quarz und Marmorkies), rechts: Einfluss der Kornform (Mischreihe aus gebrochenem und gerundeten Korn mit gleicher mineralogischer Zusammensetzung, jeweils dreifache Bestimmung)

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Table 1. Summary of project conditions Tabelle 1. Projektrahmendaten Project example 1 Projektbeispiel 1

Project example 2 Projektbeispiel 2

ca. 9.5 m

ca. 13 m

Number of drag picks Anzahl Schälmesser

172

268

Number of discs/ripper Anzahl Disken/Ripper

Hydraulic hydraulisch

Quaternary river deposits, gravel and sand quartäre Flussablagerungen, Kies und Sand

Quaternary river deposits, predominantly gravel and sand quartäre Flussablagerungen, vorwiegend Kies und Sand

Cutting wheel diameter Schneidraddurchmesser

Material conveyance Materialförderung Ground Baugrund

Since parameters for the characterisation of mineralogy, grain size and grain angularity are determined as conventional geotechnical parameters in the course of standardised site investigations, the question arises, if soil abrasiveness assessment based on these conventional parameters may represent a more appropriate approach than the application of expensive special testing setups with their own, test-specific imponderabilities.

5 Project examples A comparison of two current projects is intended to show how different soil properties can have a widely different effect on the excavation process and the conveyance of the excavated spoil. The key data of the two projects evaluated for this purpose are collected in Table 1.

5.1 Project example 1 During the tunnelling works on project 1, little wear or none at all affected the machine or the conveyance equipment on the first construction section with a length of 1.3 km. Tool changing on the cutting wheel was restricted to two interventions at predetermined locations, which had been planned in advance of the construction works. There were no unplanned interruptions to tunnelling progress due to the effect of wear. An overview of the ground conditions in the section considered here is shown in Table 2. Shortly after the start of the second construction section, which also has a length of 1.3 km, serious wear was detected to the transport and conveyance equipment, which had not been renewed after the first section. Particularly affected was the pipeline for the hydraulic conveyance of the excavated spoil from the machine to the separation plant. Right at the machine, the connection piece from the excavation chamber to the conveyance pipe had to be renewed many times. Repeated leaks in the conveyance pipeline led to interruptions of tunnelling progress with stoppages of some days. In addition, heavy wear was documented to the jets of the hydrocyclone used to separate the sand fraction from

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alversuchsgeräts und die damit verbundenen, versuchstechnischen Unwägbarkeiten in Kauf nehmen zu müssen.

5 Projektbeispiele Der Vergleich zweier aktueller Projekte soll zeigen, wie unterschiedlich sich verschiedene Bodeneigenschaften auf den Abbauprozess und den Fördervorgang des gelösten Materials auswirken können. Die Eckdaten der beiden bewerteten Projekte finden sich in Tabelle 1.

5.1 Projektbeispiel 1 Bei den Vortriebsarbeiten des Projekts 1 traten auf dem ersten Bauabschnitt mit ca. 1,3 km Länge wenige bis gar keine Verschleißerscheinungen an der Maschine und den Fördereinrichtungen auf. Die Werkzeugwechsel am Schneidrad beschränkten sich auf zwei im Vorfeld der Baumaßnahme geplante Einstiege an festgelegten Positionen. Unplanmäßige Vortriebsunterbrechungen aufgrund von Verschleißerscheinungen fanden nicht statt. Eine Übersicht über die Baugrundverhältnisse innerhalb der betrachteten Streckenabschnitte findet sich in Tabelle 2. Kurz nach Beginn des zweiten Bauabschnitts mit ebenfalls ca. 1,3 km Länge zeigten sich gravierende Verschleißerscheinungen an den Transport- und Fördereinrichtungen, die nach dem ersten Bauabschnitt nicht erneuert wurden. Besonders betroffen waren die Förderleitungen durch die das abgebaute Material hydraulisch von der Maschine zur Separationsanlage geführt wurde. Bereits im Bereich der Maschine musste das Übergangsstück von der Abbaukammer zur Förderleitung mehrfach repariert werden. Mehrere Leckagen in der Förderleitung führten immer wieder zu Vortriebsunterbrechungen und teilweise mehrtägigen Stillständen. Zusätzlich wurde ein hoher Verschleiß an den Düsen der Hydrozyklone dokumentiert, die in der Separationsanlage die Sandfraktion aus dem Suspensionskreislauf abtrennten. Ein nennenswerter Verschleiß an den Abbauwerkzeugen wurde bis zum Ende des Vortriebs nicht festgestellt. Auf dem zweiten Bauabschnitt fanden zwar ebenfalls drei vorsorgliche bzw. turnusmäßige Werkzeugwechsel statt, der Verschleiß an den

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Table 2. Specific values from laboratory testing during excavation Tabelle 2. Kennwerte aus Laboruntersuchungen während der Bauphase (IST-Geologie) Parameter Kennwert

Project 1 Projekt 1

Number of tests Anzahl der Versuche

Minimum Minimum

Average Mittelwert

Maximum Maximum

Equivalent quartz content of the fraction < 2 mm (%) Äquivalenter Quarzgehalt der Fraktion < 2 mm (%)

Content (% by weight) of vein quartz, sandstone, and greywacke according to petrographical grain analysis of the fraction > 2 mm Anteil (Gew %) an Gangquarz, Sandstein und Grauwacke nach petrographischer Kornanalyse der Fraktion > 2 mm

100

Content of grains > 2 mm (% by weight) Anteil Komponenten > 2 mm (Gew %)

ABR value [g/t] from LCPC test ABR-Wert [g/t] aus LCPC-Test Grain angularity (grain fraction > 2 mm) Kornrauigkeit (Fraktion > 2 mm) Packing density (from SPT test) Lagerungsdichte (aus SPT-Test)

the suspension circuit in the separation plant. No significant wear was noticed to the excavation tools to the end of the tunnel section. In the course of the second section, the tools were indeed changed on three occasions as a precaution but despite the extremely high quartz content of the ground (with the associated high ABR value), the wear to the replaced tools was found to be slight. The effects of wear on project 1 can be summarised as follows: – Excavation wear: no unplanned tunnelling interruptions due to unexpectedly heavy tool wear; two or three precautionary interventions to change tools on each drive (each about 1.3 km), – Transport wear: shortly after the start of the second tunnel section, noticeable wear was detected to the conveyance pipework and the separation plant (hydrocyclone); numerous leaks and several unplanned interruptions of some days resulted.

5.2 Project example 2 In the course of the tunnelling works on project 2, a range of different wear effects to the excavation tools was documented. Altogether, tunnelling was interrupted eight times to change tools on the section considered here, which is about 500 m long, despite a relatively low ABR value. An overview of the ground conditions in the sections considered here is shown in Table 3. The following wear effects were documented: – Excavation wear: many unplanned interruptions due to the unexpectedly high tool wear; particularly many interventions to change tools in parts of the drive with documented very high consolidation (eight interventions /500 m),

∼1,200 ∼1.200

n. a.

rounded to slightly rounded gerundet bis angerundet

compact mitteldicht

ausgebauten Werkzeugen war jedoch trotz des extrem hohen Quarzgehalts im Baugrund (und des dadurch hohen ABR-Werts) gering. Die Verschleißerscheinungen für das Projekt 1 können wie folgt zusammengefasst werden: – Abbauverschleiß: Keine ungeplanten Vortriebsunterbrechungen aufgrund von unerwartet hohem Werkzeugverschleiß; zwei bzw. drei vorsorgliche Einstiege mit Werkzeugwechsel pro Vortrieb (je ca. 1,3 km), – Transportverschleiß: Kurz nach Beginn des zweiten Bauabschnitts zeigten sich deutliche Verschleißerscheinungen an Förderleitungen und Separationsanlage (Hydrozyklone); mehrfache Leckagen und teilweise mehrtägige ungeplante Vortriebsunterbrechungen waren die Folge.

5.2 Projektbeispiel 2 Im Zuge der Vortriebsarbeiten für das Projekt 2 wurde eine Reihe unterschiedlicher Verschleißerscheinungen an den Abbauwerkzeugen dokumentiert. Insgesamt fanden auf den hier betrachteten ca. 500 m Vortrieb acht ungeplante Vortriebsunterbrechungen mit Werkzeugwechseln statt (trotz eines vergleichsweise geringen ABR-Werts). Eine Übersicht über die Baugrundverhältnisse innerhalb der betrachteten Streckenabschnitte findet sich in Tabelle 3. Folgende Verschleißerscheinungen wurden beobachtet: – Abbauverschleiß: Mehrere ungeplanten Vortriebsunterbrechungen aufgrund von unerwartet hohem Werkzeugverschleiß; besonders viele Einstige mit Werkzeugwechsel in Vortriebsabschnitten mit dokumentierter, sehr hoher Lagerungsdichte (acht Einstiege/500 m), – Transportverschleiß: Eine genaue Zuordnung ist hier nicht möglich, da zu Vergleichszwecken nur 500 m des gesamten Vortriebs betrachtet werden

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Table 3. Specific values from site investigation prior to excavation and additional laboratory testing during excavation for the soils within the considered sections Tabelle 3. Kennwerte aus dem Baugrundgutachten (SOLL-Geologie) und zusätzlichen Laboruntersuchungen während der Bauphase (IST-Geologie) für die Gesteine innerhalb des betrachteten Streckenabschnitts Parameter Kennwert

Project 1 Projekt 1

Number of tests Anzahl der Versuche

Minimum Minimum

Average Mittelwert

Maximum Maximum

Equivalent quartz content of the fraction < 2 mm (%) Äquivalenter Quarzgehalt der Fraktion < 2 mm (%)

Carbonate content (% by weight) according to petrographical grain analysis of the fraction > 2 mm Karbonatanteil (Gew %) nach petrographischer Kornanalyse der Fraktion > 2 mm

Content of grains > 2 mm (% by weight) Anteil Komponenten > 2 mm (Gew %)

ABR value [g/t] from LCPC test ABR-Wert [g/t] aus LCPC-Test

320

523

680

Grain angularity Kornrauigkeit Packing density (from SPT test) Lagerungsdichte (aus SPT-Test)

– Transport wear: no precise categorisation is possible at this stage because only 500 m of the entire tunnel are considered here for purposes of comparison.

5.3 Conclusions from the project examples Comparison of the wear effects and ground properties makes clear that not only the quartz content or the grain angularity are decisive for excavation wear, but have always to be evaluated in combination with the excavation resistance as a value for the level of operational demands. The difference in the excavation resistance can be demonstrated clearly from the prepared machine data from the two projects. In Fig. 5, the cutting wheel pressing forces per square metre of the face are shown in a standardised form corrected for support pressure and other influences (specific contact force of the cutting wheel SCF). While on project example 1 (left), a uniform value of SCF ≈ 10 kN/m² is determined, on project example 2 (right), an average value of SCF > 30 kN/m² is shown for the section under consideration between tunnel metre 4,800 and 5,300. The magnitude of the values is thus independent of the control of the machine by the driver but results exclusively from the excavation resistance of the ground and the condition of the excavation tools and the cutting wheel [7] [10]. Consideration of transport wear to the transport and conveyance equipment shows a different picture. In this case it is clear that the quartz content and grain angularity seem to be responsible for the extent of wear to be expected. For wear to the conveyance pipeline, the grading distribution of the entire material should also be considered. For the separation plant, each fraction should be considered separately (e.g. sand fraction for the hydrocyclone).

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rounded to rounds edges gerundet bis kantengerundet

n. a.

compact to very dense mitteldicht bis sehr dicht

5.3 Fazit aus den Projektbeispielen Bei der Gegenüberstellung der Verschleißerscheinungen und der Baugrundeigenschaften wird deutlich, dass in Bezug auf den Abbauverschleiß tatsächlich nicht der Quarzgehalt oder die Kornform alleine die relevanten Faktoren darstellen, sondern dass diese stets in Kombination mit dem Abbauwiderstand als Kennwert für die technisch-physikalische Beanspruchung bewertet werden müssen. Der Unterschied im Abbauwiderstand lässt sich anhand der aufbereiteten Maschinendaten der beiden Projekte verdeutlichen. In Bild 5 sind die vom Stützdruck und anderen Einflüssen bereinigten Schneidradanpresskräfte auf einen Quadratmeter Ortsbrustfläche normiert und dargestellt (spezifische Kontaktkraft Schneidrad SCF). Während beim Projektbeispiel 1 (links) ein gleichmäßiger Wert von SCF ≈ 10 kN/m² gefahren wurde, zeigt sich beim Projektbeispiel 2 (rechts) für den betrachteten Bereich zwischen Tunnelmeter 4.800 und 5.300 ein Mittelwert von SCF > 30 kN/m². Die Größe der Werte ist dabei unabhängig von der Steuerung der Maschine durch den Schildfahrer, sondern resultiert ausschließlich aus dem Abbauwiderstand des Baugrunds sowie dem Zustand der Abbauwerkzeuge bzw. des Schneidrads [7] [10]. Anders verhält es sich bei der Betrachtung des Transportverschleißes an den Transport- und Fördereinrichtungen. Hier wird deutlich, dass in erster Linie der Quarzgehalt und die Kornform für die Höhe des zu erwartenden Verschleißes verantwortlich zu sein scheinen. Beim Verschleiß in den Transportleitungen sollte ebenfalls die Korngrößenverteilung des gesamten Materials berücksichtigt werden. Für die Separierung sollte jede Korngrößenfraktion individuell bewertet werden (z. B. Sandfraktion für das System Hydrozyklone).

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Fig. 5. Specific Contact Force of cutting wheel (SCF) for project 1 (left side) and project 2 (right side) (modified/added from [10]). Locations of tool changes are marked by red dots; obvious peaks in left diagram refer to concrete slot walls Bild 5. Spezifische Kontaktkraft (SCF) am Schneidrad für Projektbeispiel 1 (links) und Projektbeispiel 2 (rechts) (ergänzt/verändert aus [10]). Rote Punkte markieren Werkzeugwechsel; die auffälligen Peaks in der linken Grafik stellen Durchfahrten von Betonschlitzwänden dar

6 Discussion

6 Fazit

The application of modell mill tests with simplified tools like the LCPC test or the Wiener Abrasimeter, can at best reflect an approximation of the efficiency of the wear mechanism as part of the relevant system properties. The results of such index tests are, however, affected by inevitable influences due to the testing method, for example the use of disturbed soil with altered grain size and shape, propeller geometry, and influences of the operator. It thus seems reasonable to instead make use of conventional geotechnical-mineralogical parameters of a soil, which are usually well standardised and mostly reproducible. Equivalent quartz content, grain angularity and grain size can be mentioned as relevant parameters in this case. For a reliable evaluation of the wear potential of a soil, the level of operational demands also has to be considered. For this purpose, the determination of the excavation resistance as a function of actual state variables like for example consolidation is suitable. Details are given in many site geotechnical reports (results of standard penetration tests, SPT or dynamic probing DPH) or can also be roughly estimated afterwards from prepared machine data [7] [10]. It can be expected that in fine and widely-graded soils, the shear parameters (or consistency) control the excavation resistance similarly to the consolidation in course-grained non-cohesive soils. For the evaluation of the potential of a soil to cause transport wear, the geotechnical-mineralogical parameters mentioned here also seem suitable. However, it has to be taken into account that the magnitude of the exposure in this case does not result from the ground properties but much more from the technical conditions of conveyance (e.g. flow speeds). The following general statements can be made for mechanised tunnelling with or without face support according to the experience described here: – Apart from violent damage, abrasion is always the decisive wear mechanism for mechanised tunnelling in soft ground.

Heute übliche, auf sogenannten Verschleißtöpfen beruhende Indexverfahren wie der LCPC-Test oder das Wiener Abrasimeter können allenfalls die Wirksamkeit des Verschleißmechanismus als einen Teil der relevanten Systemeigenschaften näherungsweise abbilden. Die Ergebnisse solcher Indextests werden jedoch durch versuchstechnische Einflüsse, z. B. die Verwendung von gestörten und in seiner Korngröße und Kornform veränderten Bodenmaterials, Flügelgeometrie, Flügelmaterial, und Einflüsse des Bedieners beeinträchtigt. Es erscheint daher durchaus sinnvoll, stattdessen auf herkömmliche, in der Regel gut normierte und weitgehend reproduzierbare geotechnischmineralogische Kennwerte eines Bodens zurückzugreifen. Hier sind als relevante Kennwerte vor allem der Äquivalente Quarzgehalt, die Kornform und die Korngröße zu nennen. Für eine aussagekräftige Bewertung des Verschleißpotenzials eines Bodens muss außerdem die Größe der technisch-physikalischen Beanspruchung berücksichtigt werden. Dafür ist die Bewertung des Abbauwiderstands als Funktion tatsächlicher Zustandsgrößen wie z. B. der Lagerungsdichte sinnvoll. Angaben finden sich in vielen Baugrundgutachten (Messergebnisse aus Standard Penetration Tests, SPT oder Rammsondierungen, v. a. DPH) bzw. lassen sich ggf. auch nachträglich anhand von aufbereiteten Maschinendaten grob qualitativ einschätzen [7] [10]. Es ist zu erwarten, dass bei fein- und gemischtkörnigen Böden die Scherparameter (bzw. die Konsistenz) den Abbauwiderstand in ähnlicher Weise steuern wie die Lagerungsdichte bei grobkörnigen, nichtbindigen Böden. Für die Beurteilung des Potenzials eines Lockergesteins Transportverschleiß zu verursachen, erscheinen die angeführten geotechnisch-mineralogische Kennwerte ebenfalls als grundsätzlich geeignet. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Größe der Beanspruchung hier ihren Ursprung nicht in den Baugrundeigenschaften, sondern viel mehr in den technischen Bedingungen der Förderung (z. B. Strömungsgeschwindigkeiten) hat.

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– The wear potential has to be evaluated individually for each system from the efficiency of the wear mechanism together with the level of operational demands. – Index values like the ABR value or the SAT value have no relevance for the evaluation of the excavation wear potential per se, since the essential components of the system are not considered due to the use of disturbed soil samples. – An SAI value [13] calculated from conventional geotechnical-mineralogical parameters seems to represent a promising approach, with the preconditions that real parameters and state variables are used instead of a theoretical shear strength and the results of such calculations are verified on future projects.

7 Recommendations As an alternative to the evaluation of abrasiveness from calculated values, two graphical evaluation diagrams are presented (Fig. 6). From the evaluation of the efficiency of the wear mechanism (expressed e.g. through intrinsic soil parameters but also through index values like ABR or SAT) and the magnitude of the exposure (e.g. consolidation in the excavation wear system or flow speeds in the transport wear system), the corresponding wear potential (VPI) of the system can be derived from one of the defined fields. However, it is also the case here that there can be no generally valid diagram for all systems but at least excavation wear potential (VPI-A) and transport wear potential (VPI-T) have to be differentiated. Since the data basis available until now is small, the boundaries of the individual areas are based on values from experience and will have to be tested and adapted in the future through intensive documentation of wear effects and actual ground conditions on as many projects as possible. Such a (validated) evaluation diagram making use of the classic geotechnical-mineralogical soil parameters can then become an important and suitable aid for the planning and estimation of tunnel projects.

References [1] AFNOR: Norme experimentale P18-579: Granulats – Essai d’abrasivité et de broyabilité. – Association Francaise de Normalisation, 1990. [2] ASTM: ASTM G75-07 Standard test Method for Determination of Slurry Abrasivity (Miller Number) and Slurry Abrasion Response of Materials (SAR Number). American Society for Testing and Materials. [3] DAUB: Empfehlungen zur Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen. Deutscher Ausschuss für Unterirdisches Bauen. Deutscher Ausschuss für unteririschen Bauen e.V., Köln, 2010. [4] DIN EN ISO 14688-1: Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden, Teil 1: Benennung und Beschreibung (ISO 146881:2002); German version of EN ISO 14688-1:2002. Berlin, Beuth: 2003. [5] Drucker, P.: Über die Abrasivität von Lockergestein und den Werkzeugverschleiß im Spezialtiefbau. Dissertation TU Wien, 2013. [6] Drucker, P. (2011): Validity of the LCPC abrasivity coefficient through the example of a recent Danube gravel / Aus-

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Fig. 6. Conceptual schemes for improved diagrams for the assessment of soil abrasiveness related to the wear of excavation tools (top) and wear of transportation equipment (bottom). “1”: project example 1; “2”: project example 2. Bild 6. Konzeptuelle Darstellung verbesserter Bewertungsdiagramme für das Potenzial von Lockergesteinen für Abbauverschleiß VPI-A (oben) und Transportverschleiß VPI-T (unten). „1“: Projektbeispiel 1, „2“: Projektbeispiel 2.

Folgende generelle Aussagen lassen sich nach den beschriebenen Erfahrungen für maschinelle Vortriebe mit oder ohne Ortsbruststützung in Lockergesteinen geben: – Abgesehen von Gewaltschäden ist beim maschinellen Tunnelbau im Lockergestein immer die Abrasion der relevante Verschleißmechanismus. – Das Verschleißpotenzial muss für jedes System individuell anhand der Wirksamkeit des Verschleißmechanismus zusammen mit der Größe der technisch-physikalischen Beanspruchung bewertet werden. – Indexwerte wie der ABR-Wert oder der SAT-Wert haben per se für die Bewertung eines Abbauverschleißpotenzials keine Relevanz, da durch die Verwendung gestörter Bodenproben die wesentliche Komponente des Systems nicht berücksichtigt wird. – Ein anhand von herkömmlichen geotechnisch-mineralogischen Parametern berechneter SAI-Wert [13] scheint einen vielversprechenden Ansatz darzustellen, vorausgesetzt es werden anstatt einer theoretischen Scherfestigkeit reale Kennwerte und Zustandsgrößen benutzt, und die Ergebnisse solcher Berechnungen an zukünftigen Projekten verifiziert.

7 Empfehlungen Als Alternative zur Abrasivitätsbewertung durch einen berechneten Kennwert werden zwei graphische Bewertungsdiagramme vorgestellt (Bild 6). Aus der Bewertung der

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sagekraft des LCPC-Abrasivitätskoeffizienten am Beispiel eines rezenten Donauschotters. Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 6, pp. 681–691. [7] Düllmann, J., Hollmann, F. S., Thewes. M., Alber, M.: Analysis of Soil-Machine-Interactions (Part 1): Processing of TBMMachine-Data and Extraction of Excavation-specific Data. 3rd International Conference on Computational Methods in Tunneling and Subsurface Engineering, pp. 621–634. Ruhr University Bochum, 2013. [8] Gesellschaft für Tribologie e.V.: Arbeitsblatt Nr. 7, Tribologie. Aachen, 2002. [9] Heinrich, R.: Untersuchungen zur Abrasivität von Böden als verschleißbestimmender Kennwert. Dissertation, TU Bergakademie Freiberg, 1995. [10] Hollmann, F.S., Düllmann, J., Thewes, M., Alber, M.: (2013): Analysis of Soil-Machine-Interactions (Part 2): Influences on the Excavation-specific Data of TBM Machine Data. 3rd International Conference on Computational Methods in Tunneling and Subsurface Engineering, pp. 635–647. Ruhr University Bochum, 2013. [11] Jakobsen, P.D., Bruland, A., Dahl, F: Review and assessment of the NTNU/SINTEF Soil Abrasion Test (SATTM) for determination of abrasivity of soil and soft ground. Tunneling and Underground Space Technology 37 (2013), pp. 107–114. [12] Köhler, M., Maidl, U., Martak, L.: Abrasiveness and tool wear in shield tunnelling in soil / Abrasivität und Werkzeugverschleiß beim Schildvortrieb im Lockergestein. Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), pp. 36–54. [13] Köppl, F., Thuro, K.: Verschleißprognose für Mix-Schild TVM in Lockergesteinen, Beiträge zur 19.Tagung für Ingenieurgeologie, pp. 55–60. Munich, 2013. [14] Plinninger, R.J.: (2002): Klassifizierung und Prognose von Werkzeugverschleiß bei konventionellen Gebirgslösungsverfahren im Festgestein. Münchner Geologische Hefte, Reihe B, 17 – Angewandte Geologie. München: Hieronymus, 2002. [15] Plinninger, R.J., Restner, U.: Abrasiveness Testing, Quo Vadis? – A Commented Overview of Abrasiveness Testing Methods. Geomechanics and Tunneling 1 (2008), pp. 61–70. [16] Thuro, K., Singer, J., Käsling, H., Bauer, M.: Abrasivitätsuntersuchungen an Lockergesteinen im Hinblick auf die Gebirgslösung. Beiträge zur 29. Baugrundtagung, pp. 283–290. Bremen, 2006. [17] Nilsen, B., Dahl, F., Holzhäuser, J., Raleigh, P.: (2006a): Abrasivity testing for rock and soils. Tunnels and Tunnelling International Magazine 38 (2006), no. 4, pp. 47–49. [18] Nilsen, B., Dahl, F., Holzhäuser, J., Raleigh, P.: (2006b): SAT – NTNU´s new soil abrasion test, Tunnels and Tunnelling International Magazine 38 (2006), no. 5, pp. 43–45.

Acknowledgement This paper was a result of the special research area 837 “Interaction models for mechanised tunnelling” at the Ruhr University, Bochum. The authors wish to express their thanks for the financial assistance of the Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG.

Wirksamkeit des Verschleißmechanismus (ausgedrückt z. B. durch intrinsische Bodenkennwerte oder aber auch durch Indexwerte wie ABR oder SAT) und der Größe der Beanspruchung (z. B. Lagerungsdichte im System Abbauverschleiß oder Strömungsgeschwindigkeiten im System Transportverschleiß), lässt sich aus einem der definierten Felder das zugehörige Verschleißpotenzial (VPI) des Systems ableiten. Allerdings gilt auch hier, dass es nicht ein allgemeingültiges Diagramm für sämtliche Systeme geben kann, sondern dass zumindest zwischen Abbauverschleißpotenzial (VPI-A) und Transportverschleißpotenzial (VPIT) unterschieden werden muss. Da die bisher zur Verfügung stehende Datenbasis gering ist, basieren die Grenzen der einzelnen Bereiche auf wenigen Erfahrungswerten und müssen in der Zukunft durch eine intensive Dokumentation von Verschleißerscheinungen und tatsächlichen Baugrundverhältnissen auf möglichst vielen Projekten vor Ort überprüft und angepasst werden. Ein solches (validiertes) Bewertungsdiagramm unter Verwendung der klassischen geotechnischmineralogischen Baugrundkennwerte kann dann aber in der Zukunft ein wichtiges und sinnvolles Hilfsmittel zur Planung und Kalkulation von Tunnelprojekten darstellen. Danksagung Dieser Aufsatz entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“ an der Ruhr-Universität Bochum. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG.

Jan Düllmann, Geologe M.Sc. Ruhr University, Bochum Faculty for Geosciences Engineering Geology Geological and Rock Engineering Universitätsstraße 150 44801 Bochum, Germany jan.duellmann@rub.de Prof. Dr.-Ing. Michael Alber Ruhr University, Bochum Faculty for Geosciences Engineering Geology Geological and Rock Engineering Universitätsstraße 150 44801 Bochum, Germany michael.alber@rub.de

Dr. Ralf J. Plinninger PG – Dr. Plinninger Geotechnik Kirchweg 16 94505 Bernried, Germany geotechnik@plinninger.de

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Diary of Events

Diary of Events BrennerCongress 2014 – Sustainable Alpine Infrastructure 20 and 21 February 2014, Innsbruck, Austria Topics • Brenner Base Tunnel – state of work • Project development of infrastructure projects • Experiences from large-scale projects • Experiences from small- and middlescale projects • Transport and traffic projects • Water engineering and power station projects www.brennercongeress.com

aqua alta alpina

19th Christian Veder Kolloquium 24 to 25 April 2014, Graz, Austria Topic • Support measures in geotechnics – design, construction and long-term behaviour

• • • • • • • •

www.cvk.tugraz.at/

21th Symposium for Rock Mechancis and Tunnelling 2014 6 and 7 May 2014, Stuttgart Topics • Traffic tunnelling • Hydropower • Nuclear waste storage, fracking, CO2-storage • Research and development

• •

Mining rock mechanics Design methods and analysis Monitoring and back analysis Excavation and support Rock engineering in quarrying Preservation of natural stone and rock weathering Case histories Petroleum engineering and hydrofracking CO2 storage Applicability of Eurocode 7 in rock engineering

www.eurock2014.com

9th Austrian Tunnel Day 8 October 2014 www.ita-aites.at

63th Geomechanics Colloquium 2014

12 to 14 March 2014, Salzburg, Austria

www.dggt.de

9 and 10 October 2014, Salzburg, Austria

www.acqua-alta-alpina.at

World Tunnel Congress 2014

Topics • Tunnel excavation material: waste or mineral resource? • Full face versus sequential excavation • TBM-specific investigation/tests for ground characterization • Maintenance and sustainability oriented design

7th Colloquium “Rock mechanics – Theory and practice” 13 to 14 March 2014, Vienna, Austria Topics • Mechanics of rock slopes and mass movements including modelling of run outs • Mechanics of foundations in and on rock • Mechanics of underground excavations in rock www.ig.tuwien.ac.at

Breaking fresh ground in protecting alpine environments – Flood risk management plans 25 to 26 March 2014, Graz, Austria www.interpraevent.de

Zagreb underground 27 to 28 March 2014, Zagreb Croatia Topics • Undergound traffic • Construction in groundwater • Microtunnelling in cities • Underground urbanism www.itacroatia.eu

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

9 to 15 May 2014, Iguassu Falls, Brazil Topics • Site investigation and monitoring • Planning and design of underground structures • Learning from case histories • Tunnels and underground structures for mining • Tunnels and underground structures for hydroschemes • Tunnels and underground structures for storage • Tunnels and underground structures for high-speed railways • Tunnel operation, safety, maintenance, rehabilitation, renovation and repair • Innovations in mechanized tunnelling • Innovations in conventional tunnelling • Innovations in cut and cover and immersed tunnelling • Innovations in materials • Design and construction of shafts • Risk management, contractual and insurance aspects • Rock tunnelling in South America www.wtc2014.com.br

Eurock 2014 – Structures on or in rock masses 27 to 29 May 2014, Vigo, Spain

www.oegg.at

21th Lake Constanz Conference 17 to 18 October 2014, Meersburg Topic • Mass movements in the aftermaths of the flooding incidents in 2013 www.dggt.de/veranstaltungen

43th Geomechanics – Colloquium 14 November 2014, Freiberg Topics • Basic research in rock mechanics • Rock mechanical laboratory tests/ fracture mechanics/salt mechanics • Geothermal energy and rock mechanics • Applied rock mechanics in mining and tunnelling www.tu-freiberg.de/fakult3/gt

Topics • Rock properties and testing methods • Rock mass characterization • Rock mechanics for infrastructures

Imprint The journal “Geomechanics and Tunnelling” publishes international articles about the practical aspects of applied engineering geology, rock and soil mechanics and above all tunnelling. Each issue is a special, dedicated to a current theme or an interesting project. Geomechanics and Tunnelling comes out six times a year. Except for a manuscript, the publisher Ernst & Sohn purchases exclusive publishing rights. Only works are accepted for publication, whose content has never appeared before in Germany or abroad. The publishing rights for the pictures and drawings made available are to be obtained from the author. The author undertakes not to reprint his article without the express permission of the publisher Ernst & Sohn. The “Notes for authors” regulate the relationship between author and editorial staff or publisher, and the composition of articles. These can be obtained from the publisher or in the Internet under www.ernst-und-sohn.de/ zeitschriften. The articles published in the journal are protected by copyright. All rights, particularly that of translation into foreign languages, are reserved. No part of this journal may be reproduced in any form without the written approval of the publisher. Names of brands or trade names published in the journal are not to be considered free under the terms of the law regarding the protection of trademarks, even if they are not individually marked as registered trademarks. Manuscripts can be submitted via www.mc.manuscriptcentral.com/geot. If required, special prints can be made of single articles. Requests should be sent to the publisher. Current prices The journal Geomechanics and Tunnelling has 6 issues per year. In addition to “Geomechanics and Tunnelling print”, the PDF version “Geomechanics and Tunnelling online” is available on subscription through the online service Wiley InterScience. Subscription price

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Editorial staff Editor in chief: Dr.-Ing. Helmut Richter, Ernst & Sohn Tel.: +49 (0)30/47031-265, Fax: -277 helmut.richter@wiley.com Project editor: Esther Schleidweiler, Ernst & Sohn Tel.: +49 (0)30/47031-267, Fax: -277 esther.schleidweiler@wiley.com Editorial board Chairmen: ß Prof. Robert Galler / Montanuniversität Leoben Austria, 8700 Leoben ß Dr. Andreas Goricki / 3G Gruppe Geotechnik Graz Austria, 8010 Graz Members: ß Prof. Georgios Anagnostou / ETH Hönggerberg Switzerland, 8093 Zurich ß Dipl.-Ing. Nejad Ayaydin / IGT Austria, 5020 Salzburg ß Prof. Giovanni Barla / Politecnico di Torino Italy, 10129 Turin ß Prof. Tarcisio B. Celestino / Themag Engenharia & USP Brasil, Sao Paulo ß Dipl.-Ing. Heinz Ehrbar / Swiss Tunnel Holding AG Switzerland, 8133 Esslingen ZH ß Prof. Xia-Ting Feng, The Chinese Academy of Sciences, China, 430071 Wuhan ß Dr. Max John / Zivilingenieur für Bauwesen Austria, 6020 Innsbruck ß Prof. Scott D. Kieffer / Technische Universität Graz Austria, 8010 Graz ß Dr. Harald Lauffer / Porr AG Austria, 1103 Vienna ß Dr. Ulrich Maidl / MTC Maidl Tunnelconsultants Germany, 47051 Duisburg ß Prof. Derek Martin / University of Alberta Canada, Edmonton ß Dr. Bernd Moritz / ÖBB-Infrastruktur AG, Austria, 8020 Graz ß Prof. Phien-Wej Noppadol / Asian Institute of Technology Thailand, Pathumthani 12120 ß Prof. Pierpaolo Oreste / Politecnico di Torino Italy, 10129 Turin ß Prof. Rainer Poisel / Technische Universität Wien Austria, 1040 Vienna ß Dr. Peter Schubert / IC-Consulenten Austria, 5101 Bergheim ß Prof. Wulf Schubert / Technische Universität Graz Austria, 8010 Graz ß Prof. Helmut Schweiger / Technische Universität Graz Austria, 8010 Graz ß Prof. Markus Thewes / Ruhr-Universität Bochum Germany, 44780 Bochum ß Prof. Kurosch Thuro / Technische Universität München Germany, 80290 Munich ß Dr. Alois Vigl / viglconsult Austria, 6780 Schruns Advertisement department Fred Doischer, Ernst & Sohn Tel.: +49 (0)30/47031-234 fred.doischer@wiley.com Advertising manager Annekatrin Gottschalk Rotherstraße 21, D-10245 Berlin Tel.: +49 (0)30/470 31-2 49, Fax: 0 30/470 31-2 30 annekatrin.gottschalk@wiley.com Service for customers and readers WILEY-VCH Kundenservice für Ernst & Sohn Boschstraße 12, D-69469 Weinheim Tel.: +49(0)8001800536 (within Germany) +49(0)1865476721 (outside of Germany) Fax: +49(0)6201606184 cs-germany@wiley.com Schnelleinstieg: www.wileycustomerhelp.com Layout and typesetting: TypoDesign Hecker GmbH, Leimen Printing: Meiling Druck, Haldensleben © 2014 Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin Inserts: This issue contains following insert: PR-Beratung + Verlag, CH-5400 Baden; Verlag Ernst & Sohn, 10245 Berlin.

Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

Preview Rubriken

Geomechanics and Tunnelling 2/2014 Focus on India Fokus auf Indien W. Holzleitner, M. Kraft-Fish, R. Steinacher Lessons learnt during construction assistance for improvement on contract models B. Millen, O. Sigl, G. Höfer-Öllinger Ground behaviour of weathered, jointed and faulted Khondalite – examples from the underground crude oil storage caverns, Visakhapatnam, India M. Golger, A. Kumar Pir Panjal Railway Tunnel M. Palomba, F. Amadini, G. Russo, G. Carrieri Chenani-Nashri Tunnel, the longest road tunnel in India: the “Himalayan challenge” for design in heterogeneous rock masses S. R. K. Pillai, S. S. Malkani Experiences of working on underground civil works contracts for strategic crude oil storage projects in India P. Reichenspurner Rohtang Tunnel – A half-time report Rohtang Tunnel – Zwischenbilanz nach halber Strecke

Der Rohtang Tunnel ist ein ehrgeiziges Bauprojekt im nordindischen Teil des HimalayaGebirges. Auf einer Höhe von 3.000 m über NN wird seit 2010 der Tunnel durch den Berg getrieben. Seit Baubeginn konnten viele Erfahrungen auf unterschiedlichen Ebenen gewonnen werden. Peter Reichenspurner zieht in seinem Beitrag eine Halbzeitbilanz. Das Bild zeigt den Blick in Richtung Tunnelausgang. The Rohtang Tunnel is an ambitious project in the Himalayas of northern India. Since the beginning of the excavation in a height of 3,000 m AMSL in 2010 many kinds of experience were made which are now being evaluated by Peter Reichenspurner in a half-time report. The picture shows the egress tunnel.

Alles über Tunnelbau

Ausgewählte

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Titel auch als

auch als

journal erhältlich Taschenbuch für den Tunnelbau 2014

Beton-Kalender 2014 Schwerpunkte: Unterirdisches Bauen – Grundbau – Eurocode 7

Handbook of Tunnel Engineering II Basics and Additional Services for Design and Construction

Handbook of Tunnel Engineering I Structures and Methods

Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb deuscht und englisch

Bauprozesse und Bauverfahren des Tunnelbaus

Geomechanics and Tunnelling

Mining Report

Handbook of Tunnel Engineering Vol. I and Vol. II

Hardrock Tunnel Boring Machines

Beton- und Stahlbetonbau

erhältlich

Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model (AJRM)

Betonkonstruktionen im Tunnelbau

Stuctural Concrete Journal of the fib

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