Geomechanics and Tunnelling 01/2012 free sample copy by Ernst & Sohn

Volume 5 February 2012 ISSN 1865-7362

Geomechanics and Tunnelling Geomechanik und Tunnelbau

Pregrouting in TBM tunnelling

- Contract models for TBM drives Vertragsmodelle f端r TBM-Vortriebe - Automated measurement of rock strain Automatisierte Felsdehnungsmessungen - Pipe umbrella systems and grouting Rohrschirmsysteme und Injektionen - Equipment for advance probing Einrichtungen zur Vorauserkundungen - One- and two-layer linings Ein- und zweischalige Auskleidungen

HERRENKNECHT AG | UTILITY TUNNELLING | TRAFFIC TUNNELLING

D E U TS C H L A N D

R OSWITHA MAC HT DI E BAH N FLOT T. Vor 130 Jahren als der längste Tunnel Deutschlands gebaut, muss heute der Kaiser-WilhemTunnel bei Cochem an der Mosel für zukünftig höhere Sicherheitsanforderungen modernisiert werden. Die Deutsche Bahn beauftragte deshalb den Neubau einer zweiten, parallelen Röhre mit einer Länge von 4.242 Metern. Mit dem EPB-Schild S-547 (Ø 10.110 mm) von Herrenknecht, getauft auf den Namen Roswitha, feierten die Tunnelbauer mit der Cochemer Bevölkerung am 7. November 2011 den Durchschlag. Im Vortrieb hatte die TBM 900.000 Tonnen Gestein ausgebrochen, das über eine Bandanlage der Herrenknecht-Tochterfirma H+E Logistik abgefördert wurde. Ebenfalls aus dem Herrenknecht Konzern: das System TUnIS von VMT für die exakte Navigation der 1.700 Tonnen schweren Maschine. Voraussichtlich im Jahr 2015 wird nach einer Modernisierung des alten Kaiser-WilhelmTunnels dann der eingleisige Bahnbetrieb durch beide Röhren aufgenommen. Eine Investition in die Zukunft einer leistungsfähigen Schieneninfrastruktur. COCHEM | DEUTSCHLAND P R OJEKTD ATEN

AUFT RAGGEBER

S-547, EPB-Schild Durchmesser: 10.110 mm Schneidradleistung: 1.100 kW Tunnellänge: 4.242 m Geologie: Tonschiefer, Sandstein, Quarzit, Schluffstein und Porphyrit

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Content

For the planned Kühtai pumped storage station, the revised and automated radial press was successfully used in early and summer 2011 at two measurement locations in the Längental investigation heading. The radial press in its new form is being used increasingly on all the large design projects of the Tiroler Wasserkraft AG and will thus continue to contribute to the economic design of pressure tunnels and armouring (see page 31). Für das geplante Speicherkraftwerk Kühtai kam die erneuerte und automatisierte Radialpresse im Frühjahr/Sommer 2011 an zwei Messstellen im Sondierstollen Längental erfolgreich zum Einsatz. Die Radialpresse wird in ihrer aktuellen Form bei allen großen Planungsvorhaben der Tiroler Wasserkraft AG verstärkt in Einsatz gebracht und wird so wie bisher auch in Zukunft zu einer wirtschaftlichen Bemessung von Druckschächten und Panzerungen beitragen (siehe Seite 31).

Geomechanics and Tunnelling 1

Volume 5 February 2012 • 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

Editorial Topics

Eckart Schneider, Markus Spiegl Contract models for TBM drives in hard rock – codes in Austria and Switzerland and their practical implementation Vertragsmodelle für TBM Vortriebe im Festgestein – Regelwerke in Österreich und der Schweiz und deren praktische Umsetzung

Frank Eibl, Markus Mähr, Dominik Vögele Automated rock strain measurements for the planned pumped storage plant Kühtai using the “TIWAG-Radial Press” Automatisierte Felsdehnungsmessungen mit der Tiwag-Radialpresse für das geplante Speicherkraftwerk Kühtai

Günther M. Volkmann, Marco Reith, Thomas Berner The AT - Casing System Das AT - Hüllrohrsystem

Karl-Gunnar Holter, Hans-Olav Hognestad Modern pre-injection in underground construction with rapid-setting microcements and colloidal silica – applications in conventional and TBMtunnelling Moderne Vorausinjektionen im Untertagebau mit schnell abbindenden Mikrozementen und kolloidaler Kieselsäure – Anwendungen im konventionellen und maschinellen Tunnelbau

André Heim Equipment for advance probing and for advance treatment of the ground from the TBM Einrichtungen zur Vorauserkundung und vorauseilenden Gebirgsbehandlung auf einer TBM

Andreas Walter, Carlos Guimarães, Reinhold Gerstner Palomino HRT – Exploration drillings in two geological formations Palomino HRT – Erkundungsbohrungen in zwei geologischen Gebirgsarten

Editor

Rubrics 5 89 90

News Conference Report Diary of Events

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Bautechnik 81 (2004), Heft 1

617

Editorial

Pregrouting in TBM tunnelling Vorauseilende Injektionen bei TBM-Vortrieben The core theme of Geomechanics and Tunnelling for the start of 2012 originally sounded like a request to Father Christmas: “how do you investigate and improve the ground in advance during a TBM drive in order to optimally bore through it and line it?”. The articles handed in by the relevant experts at the leading edge of development then brought us back to reality. We know what we want, we are working on practical solutions, but we are faced with new geological challenges in every tunnel. It is not simple to categorise such matters. In addition, TBM development is progressing rapidly away from specialised machines to all-rounders. Universal solutions are called for, with modular construction. The concept should cover everything, from probing, through ground improvement, excavation, support, geotechnical verification of the lining to the final lining. To come back to reality, we are always confronted by the details, and it is well known that the details provide the practical test. The articles in this issue thus offer a realistic mosaic of positions on the route to the intended goal. Schneider and Spiegl start with contract models, which form the basis for award, construction, variations and invoicing. Vögele, Mähr and Eibl deal with the problem of the representative determination of parameters as the basis for the appropriate description of the ground. Volkmann, Reith and Berner reflect the current state of technology for drilling from the machine, and Holter and Hognestad report on the materials technology and properties of mineral-bound grouts for ground treatment. Working on this basis, Heim describes the development and application of probing and ground treatment during TBM drives, and Walter, Guimarães and Gerstner explain how information from systematic probe drilling was simply and successfully applied during a TBM drive on a project in the Dominican Republic. To round up the issue, Strappler, Vigl and Scheutz describe how under challenging geotechnical conditions, a fall-back solution to permit subsequent adaptation can even be decisive for the decision between a singleor two-layer lining system. Such an assessment of the current position is always fascinating, even if the views of the optimists and the pessimists can be seen in different ways. I personally join the optimists with confidence, and not least because the TBM is rightly the focus of futuristic ideas and there are still very many interesting detail problems to be solved until these ideas really work. May 2012 it be another successful year for TBM development – there are plenty of jobs waiting.

Das Kernthema der Geomechanics and Tunnelling zum Jahresbeginn 2012 las sich ursprünglich wie eine optimistische Frage ans Christkind: „Wie erkundet und ertüchtigt man bei TBM-Vortrieben vortriebsbegleitend das Gebirge, sodass man es optimal durchörtern und auskleiden kann?“. Die Beiträge der am Puls der Entwicklung wirkenden Fachleute zeigten dann einmal mehr den Boden der Realität auf. Wir wissen, was wir uns wünschen, wir arbeiten an praktikablen Lösungen, aber wir haben mit jedem Gebirge eine neue Herausforderung vor uns. So was lässt sich nicht einfach katalogisieren. Zudem vollzieht sich die TBM-Entwicklung rasant weg von Spezialmaschinen hin zu Multitalenten. Angesagt sind universelle Lösungskonzepte mit modularem Aufbau. Beginnend bei der Erkundung, über die Gebirgsbehandlung, den Ausbruch, die Stützung, die geotechnische Verifizierung des Ausbaus bis hin zur Endauskleidung sollte das Konzept Alles abdecken. Zurück am Boden der Realität ist man jedoch letztlich immer wieder mit den Details konfrontiert, in denen der praktische Prüfstein steckt. So ergeben die Beiträge dieser Ausgabe ein realistisches Mosaik aus Standortbestimmungen auf dem Weg zum angepeilten Ziel. Schneider und Spiegl setzen bei den Vertragsmodellen an, welche die Grundlage von Bestellung, Durchführung, Anpassungsfähigkeit und Abrechnung ausmachen. Vögele, Mähr und Eibl gehen auf die Problematik einer repräsentativen Kennwertebestimmung als Grundlage einer zutreffenden Gebirgsbeschreibung ein. Volkmann, Reith und Berner reflektieren den aktuellen Stand vortriebsbegleitender Bohrtechnik, und Holter und Hognestad referieren über Materialtechnologie und Eigenschaften mineralisch gebundener Injektionsmittel zur Gebirgsbehandlung. Aufbauend auf diesen Grundlagen zeigt Heim die Entwicklung und Anwendung von vortriebsbegleitender Erkundung und Gebirgsbehandlung bei TBM-Vortrieben auf, und Walter, Guimarães und Gerstner erläutern an einem Tunnelprojekt in der Dominikanischen Republik, wie auf einfache Weise erfolgreich Informationen aus systematischen Vorauserkundungsbohrungen bei einem TBM-Vortrieb umgesetzt werden konnten. Zu guter Letzt stellen Strappler, Vigl und Scheutz dar, dass unter anspruchsvollen geotechnischen Bedingungen, selbst bei der Wahl eines ein- oder zweischaligen Auskleidungssystems, noch eine Rückfallebene für nachträgliche Anpassungen ausschlaggebend sein kann. So eine Standortbestimmung ist immer etwas Spannendes, wenngleich sie von Optimisten und Pessimisten mit einem unterschiedlichen Vorzeichen gesehen werden mag. Ich persönlich reihe mich getrost bei den Optimisten ein und dies nicht zuletzt, weil die TBM zurecht im Fokus zukunftsweisender Ideen steht und es im Detail noch viele, viele interessante Probleme zu lösen gibt, bis diese Ideen wirklich funktionieren. Möge 2012 ein weiteres erfolgreiches Jahr in der TBM-Entwicklung sein – es warten unzählige Aufgaben.

Alois Vigl

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News Breakthrough in the Söderströms Tunnel in Stockholm Construction work on the Söderströms Tunnel in Stockholm is progressing on schedule. In 2008, Züblin Scandinavia AB together with their joint venture partner E. Pihl & Søn A.S. were awarded the design and build contract for the immersed tube tunnel under the Söderström, an arm of Lake Mälaren, together with all the connecting structures to the continuing rock tunnels on each bank. On 12 January 2012, the breakthrough took place in the open excavation to the

southern rock tunnel at the Söder Mälar beach. The immersed tube tunnel under the Söderström is considered the most challenging part of the Citybanan, a new underground railway line in Stockholm. The three concrete segments of the immersed tube tunnel will be sunk in summer 2013 and handed over to the client Trafikverket in October 2014. The construction works for the entire Citybanan project should be completed by 2017 and the line opened for services.

Tunneldurchstich am Söderströmstunnel in Stockholm Die Bauarbeiten am Söderströmstunnel in Stockholm schreiten planmäßig voran. Im Jahr 2008 erhielt Züblin Scandinavia AB zusammen mit ihrem JointVenture-Partner E. Pihl & Søn A.S. den Design-and-Build-Auftrag für den Einschwimmtunnel unter dem Söderström, einem Arm des Mälarensees, samt Anschlussbauwerke an die weiterführenden Felstunnel an den jeweiligen Seeufern. Am 12. Januar 2012 fand der Durchbruch in die offene Baugrube am süd-

lichen Felstunnel am Söder Mälarstrand statt. Der Einschwimmtunnel unter dem Söderström gilt als aufwendigster Teil der Citybanan, einer neuen unterirdischen Nahverkehrslinie Stockholms. Die drei Betonsegmente des Einschwimmtunnels werden im Sommer 2013 versenkt und dem Bauherrn Trafikverket im Oktober 2014 übergeben. 2017 werden die Bauarbeiten für das gesamte Citybanan-Projekt fertiggestellt und die Strecke für den Verkehr freigegeben.

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Ceneri Base Tunnel: last detonation at Vigana Another important phase of the construction of the Ceneri Base Tunnels has been completed. On 21 December 2011, the last detonation took place in the northern drive in Vigana. 670 m of the 15.4 km long Ceneri Base Tunnel have been excavated from Vigana by drilling and blasting. Lining work will commence at the start of 2012. Excavation works started at the north portal in Vigana in July 2009. In the last 2 1/2 years, numerous challenges have been successfully overcome, such as the difficult section under the Autobahn A2.

From 2012, only the drives from the intermediate starting point in Sigirino will be underway at the Ceneri Base Tunnel. At the Ceneri Base Tunnel, 16.8 km of the total of 39.78 km or 42.4 % had been excavated on 1 January 2012, and concreting works are continuing in both bores. Tunnelling work should be completed in 2016, to be followed by the installation of rail equipment. The commercial opening of the Ceneri Base Tunnel is planned for December 2019.

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Ceneri-Basistunnel: Letzte Sprengung bei Vigana Beim Bau des Ceneri-Basistunnels ist eine weitere wichtige Phase zu Ende gegangen. Am 21. Dezember 2011 fand beim Nordvortrieb in Vigana die letzte Sprengung statt. 670 m des 15,4 km langen Ceneri-Basistunnels wurden von Vigana her im Sprengvortrieb ausgebrochen. Anfang 2012 werden die Innenausbauarbeiten in Angriff genommen. Die Ausbrucharbeiten am Nordportal in Vigana starteten im Juli 2009. In den letzten 2 1/2 Jahren wurden zahlreiche Herausforderungen mit Erfolg bewältigt, z. B. die schwierige Unterquerung der

Autobahn A2. Ab 2012 werden am Ceneri-Basistunnel nur noch die Vortriebe ab dem Zwischenangriff in Sigirino ausgeführt. Beim Ceneri-Basistunnel waren am 1. Januar 2012 von den insgesamt 39,78 km 16,8 km oder 42,4 % ausgebrochen. Die Betonarbeiten laufen in beiden Röhren weiter. Das Ende der Vortriebsarbeiten ist für 2016 vorgesehen. Danach erfolgt der Einbau der Bahntechnik. Die kommerzielle Inbetriebnahme des Ceneri-Basistunnels ist für Dezember 2019 geplant.

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Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

News Breakthrough of the Olmos Tunnel in the Andes After four years of tunnelling through igneous rock with deep overburden, mechanised boring of the Olmos Tunnel in the Peruvian Andes has now been completed. The Robbins hard rock machine with a diameter of 5.3 m broke through on the 20 December 2011 at a celebration event. The 12.5 km long section is part of a large water distribution system, which will transfer water from the Huancabamba River on the eastern side of the Andes to the areas at risk of drought on the Pacific side. This entailed the Robbins machine having to tunnel under overburden of up to 2,000 m. The deep overburden led to very high rock

stresses, which caused more than 16,000 rock burst events, of which about 17 % were classed as severe. The extreme geological conditions – andesite, dacite, tuff, shale and pyroclastisc breccia with UCS up to 250 MPa – were unexpected and required rebuilding of the TBM as the rock bursting became worse. The finger shield in the crown was removed in order to be able to install a McNally support system behind the cutterhead. This uses lagging elements of single steel slats, which are fixed around the entire crown with steel arches or rock bolts. The steel slats then provide a safe

canopy to protect the crew and the machinery from loose or unstable rock. Other conversion measures were the strengthening of the cutterhead and the relocation of the working platforms and the driver’s cabin. The alterations proved successful, and there were no serious injuries although the rock bursts continued; not least because the contractor Odebrecht had taken appropriate precautionary protection measures for advance drilling and boring. During the boring stroke of the TBM, the miners had to leave the area directly behind the cutterhead. They retreated for a period of 30 min in a distance of 40 m.

Durchschlag beim Olmos Tunnel in den Anden Nach vier Jahren Vortrieb durch Vulkangestein mit hohen Überlagerungen ist die maschinelle Auffahrung des Olmos Tunnels in den peruanischen Anden nun abgeschlossen. Der Durchschlag der Robbins-Hartgesteinsmaschine mit 5,3 m Durchmesser erfolgte am 20. Dezember 2011 im Rahmen einer Feier. Der 12,5 km lange Abschnitt ist Teil eines größeren Wasserverteilungssystems, das Wasser aus dem Fluss Huancabamba auf der östlichen Seite der Anden in von Dürre betroffene Gebiete auf der Pazifikseite überleitet. Dabei musste die Robbins-Maschine Überlagerungen von bis zu 2.000 m unterqueren. Die hohe Überlagerung führte zu sehr hohen Gebirgsspannungen, die mehr als 16.000 Gebirgsschläge auslösten, von denen rund 17 % als schwer eingestuft wurden. Die extremen geologischen Bedingungen – Andesit, Dazit, Tuff, Schiefer und pyroklastische Brekzien mit einachsialen Druckfestigkeiten bis zu 250 MPa – waren unerwartet und erforderten Umbauten an der TBM als die Gebirgsschläge schwerer wurden. Das Fingerschild in der Firste wurde entfernt, um direkt hinter dem Bohrkopf das McNally-Ausbausystem einbringen zu können. Dabei handelt es sich um Verzugselemente aus einzelnen Stahllamellen, die durch Stahlbogenausbau oder Anker im

The McNally support system consists of steel slats, which retain the broken rock in the tunnel crown (photo: Robbins) Das McNally-Ausbausystem besteht aus Stahllamellen, die zerbrochenes Gestein in der Tunnelfirste halten (Foto: Robbins)

gesamten Firstbereich befestigt werden. Diese Stahllamellen bilden somit einen sicheren Schirm, der Mannschaft und Gerät vor losem und instabilem Gestein schützt. Die weiteren Umbauten umfassten Verstärkungen am Bohrkopf und das Umsetzen der Arbeitsbühne und der Fahrerkabine. Die Änderungen waren erfolgreich, und während der andauernden Gebirgsschläge wurden keine

ernsthaften Verletzungen verzeichnet; nicht zuletzt, weil das bauausführende Unternehmen Odebrecht entsprechende Arbeitsschutzmaßnahmen für Vorausbohrungen und Vortrieb getroffen hat. Während eines Hubs der TBM verlässt die Mannschaft den Bereich direkt hinter dem Bohrkopf und zieht sich für einen Zeitraum von 30 min rund 40 m zurück.

Düsseldorf underground tunnel successfully completed The construction of the 3.4 km long Düsseldorf U-Bahn extension, the “Wehrhahn Line”, reached an important milestone on 14 December 2011. The tunnel boring machine completed the 955 m long second and last tunnel

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

section of the project with the breakthrough into the target shaft, which was only partially full of water and thus enabled an almost unrestricted view of the arriving machine. After the excavation had been pumped out and the debris

from the wall had been removed, the last four segment rings were installed. Then the approx. 10 m long shield was pushed into the target shaft and dismantled. The backup will be pulled back through the tunnel and dismantled in

News the starting shaft. All parts of the machine will finally be transported back to the manufacturer’s works, where the machine will be overhauled and prepared for a new stage. Many challenges had to be overcome in the second stage. The machine had to bore through the walls of the future stations at Schadowstraße and Jacobistraße/Pempelforter Straße as well as an enormous grouted body, which served to protect buildings. In addition, steel lining segments had to be installed along a stretch of 21 m. The steel segments with a thickness of 45 cm were required because a bore of the so-called Kö-Bogen Tunnel is planned in the immediate vicinity. The steel segments can ensure that there is no deformation of the tunnel tube when this excavation is carried out. On its first stage, the tunnel boring machine covered a distance of 1,298 m, and the second phase was over 955 m long. The machine started in a short version; the limited size of the starting shaft only permitted complete assembly after the machine had already advanced. After the complete assembly, the machine had a length of 65 m and a weight

View of the pumped out target excavation (photo: www.duesseldorf.de – Ingo Lammert) Blick in die gelenzte Zielbaugrube (Foto: www.duesseldorf.de – Ingo Lammert)

of 1,302 t, with a diameter of 9.5 m. On the two stages, it removed altogether al-

most 170,000 m3 of muck from below ground.

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News Vortrieb der Düsseldorfer U-Bahn erfolgreich abgeschlossen Beim Bau der 3,4 km langen Düsseldorfer U-Bahnerweiterung „WehrhahnLinie“ wurde am 14. Dezember 2011 ein wichtiges Etappenziel erreicht: Die Tunnelbohrmaschine beendete den 955 m langen zweiten und letzten Vortriebsabschnitt in diesem Projekt mit dem Durchbruch in den Zielschacht, der nur teilweise mit Wasser gefüllt war und so einen fast freien Blick auf die ankommende Maschine ermöglichte. Nach dem Lenzen der Baugrube und dem Abräumen der Mauerreste werden die letzten vier Tübbingringe gesetzt. Anschließend wird der rund 10 m lange Schild in die Zielbaugrube geschoben und demontiert. Der Nachläufer wird durch den Tunnel zum Corneliusplatz zurückgezogen und dann in der Startgrube auseinander gebaut. Alle Teile der Maschine werden anschließend zurück ins Herstellerwerk transportiert. Dort wird die Maschine generalüberholt und für einen neuen Einsatz vorbereitet. Bei der zweiten Etappe waren mehrere Herausforderungen zu bewältigen. So mussten die Wände der künftigen Bahnhöfe Schadowstraße und Jacobistraße/ Pempelforter Straße sowie ein gewaltiger Injektionskörper, welcher der Sicherung von Gebäuden dient, durchfahren werden. Daneben waren auf einer 21 m langen Strecke Stahltübbinge einzubau-

View of the tunnel tube, here between Bilker station and Kirchplatz (photo: www.duesseldorf.de – Ingo Lammert) Blick in die Tunnelröhre, hier zwischen Bilker Bahnhof und Kirchplatz (Foto: www.duesseldorf.de – Ingo Lammert)

en. Die Stahltübbinge mit einer Dicke von 45 cm wurden benötigt, weil dort in unmittelbarer Nachbarschaft später eine Röhre des so genannten Kö-Bogen-Tunnels geplant ist. Die Stahltübbings bieten die Gewähr, dass es dann dort beim Aushub des Erdreichs keine Verformungen in der Tunnelröhre gibt. Auf ihrer ersten Etappe legte die Tunnelbohrmaschine eine Strecke von 1.298 m zurück. Die zweite Etappe reichte über 955 m.

Gestartet war sie zunächst in einer verkürzten Version. Die geringe Größe des Startschachts ließ den vollständigen Aufbau erst zu, als sich die Maschine schon ein Stück voran bewegt hatte. Danach hatte die Maschine wieder eine Länge von 65 m und ein Gewicht von 1.302 t. Sie hat einen Durchmesser von 9,5 m. Auf ihren beiden Etappen löste sie insgesamt fast 170.000 m3 Erdreich aus dem Untergrund heraus.

Three tunnel breakthroughs on the railway line from Nuremberg to Berlin At the end of November/start of December 2011, three tunnel breakthroughs were achieved on the railway line from Nuremberg to Berlin. On 29 November 2011, the breakthrough of the 7.4 km long Silberberg Tunnel in the Thüringer Wald was broken through after over two years of work with an appropriate ceremony. This makes the second longest tunnel on the Project VDE8 Nuremberg-Berlin passable. The Silberberg Tunnel was not driven from the portals but from two intermediate starting points. The construction work also includes extensive renaturation. The 1.5 mio. m3 of excavated muck have

been used for landscape modelling, which is than planted with trees or woodland edge and perennial vegetation as well as hay mulch sowing suitable for the landscape. The investment in the Silberberg tunnel alone is about 200 mio. Euro. On 4 December 2011, St. Barbara’s day, this was followed by the breakthrough of the 1,331 m long Kulch Tunnel and the 931 m long Lichtenholz Tunnel. Both these tunnels pass through difficult geology. Tunnelling work in the Lichtenholz Tunnel started in June and in the Kulch Tunnel in October 2010. The investment cost of these two tunnels is about 55 mio. Euro.

Only four of the 25 tunnels on the project with a total length of about 56 km still have to be broken through. Most of the tunnels are being lined or are already structurally complete. The German Unity Transport Project (VDE) No. 8 comprises 500 km of upgraded and new line on the route NurembergErfurt-Leipzig/Halle and Berlin. It is being financed by the German government, the European Union and German Railways DB, with a total investment of about 10 billion Euros. The new line should be in service in 2017.

Drei Tunneldurchschläge auf der Eisenbahnstrecke Nürnberg-Berlin Ende November/Anfang Dezember 2011 erfolgten drei Tunneldurchschläge auf der Eisenbahnstrecke Nürnberg-Berlin. Am 29. November 2011 wurde nach über zweijähriger Bauzeit der Durchschlag des 7,4 km langen Tunnels Silberberg im Thüringer Wald mit einer zünfti-

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

gen Durchschlagsfeier gefeiert. Damit ist der zweitlängste Tunnel im Projekt VDE8 Nürnberg-Berlin nun durchgängig. Der Tunnel Silberberg wurde nicht von den Portalen her aufgefahren, sondern über zwei Zwischenangriffe. Das Bauvorhaben umfasst außerdem um-

fangreiche Renaturierungen. Aus den 1,5 Mio. m3 Ausbruchmassen entstehen Landschaftsmodellierungen, die aufgeforstet oder mit Waldmantel- und Staudenvegetation sowie Heumulchsaaten landschaftstypisch gestaltet werden. Die Einzelinvestition in den Tunnel Silber-

berg beträgt etwa 200 Mio. Euro. Am 4. Dezember 2011, dem Barbaratag, erfolgten die Durchschläge bei dem 1.331 m langen Tunnel Kulch und im 931 m langen Tunnel Lichtenholz. Beide Tunnel liegen in schwieriger Geologie. Die Vortriebsarbeiten begannen für den Tunnel Lichtenholz im Juni und für den Tunnel Kulch im Oktober 2010. Die Investition in beide Tunnel beträgt etwa 55 Mio. Euro. Noch vier von 25 Tunneln des Projekts mit einer Gesamtlänge von etwa 56 km müssen noch durchgeschlagen werden. Die meisten sind im Innenausbau oder bereits rohbaufertig. Das Verkehrsprojekt Deutsche Einheit (VDE) Nr. 8 umfasst die 500 km lange Aus- und Neubaustrecke zwischen Nürnberg-Erfurt-Leipzig/Halle und Berlin. Finanziert wird es vom Bund, der Europäischen Union und der Bahn. Die Investition beträgt etwa 10 Mrd. Euro. Die Inbetriebnahme der neuen Strecke ist für 2017 vorgesehen.

The future of mobility

Breakthrough in Limmern Boring a tunnel with a slope of 40° is not an everyday task for a tunnel boring machine. A Herrenknecht gripper TBM with ∅ 5,200 mm completed one of the two penstocks for the new Limmern pumped storage power station in the Swiss canton of Glarus in October 2011, achieving advance rates of over 130 m/week. As part of the Linthal 2015 project, the capacity of the Linth-Limmern AG power stations is being extended by 1,000 MW with the new construction of the Limmern pumped storage station. At the moment, the Muttsee, Tierfehd and Linthal (Canton Glarus, Switzerland) hydropower stations altogether produce 480 MW. The construction of the new power station is being undertaken by the Kraftwerk Limmern joint venture under the lead of Marti Tunnelbau AG. The core elements of this large project include the two penstocks, each with a length of 1,030. The two penstocks are being bored from the machine cavern (1,700 above sea level) with a slope of 40° to the valve chamber 600 m higher at the Muttsee reservoir. The alignment mostly runs through Quintner limestone with overburden up to 565 m and rock strengths of up to 120 MPa. The steep slope on the Limmern project demands a very reliable safety concept to prevent any risk of the TBM slipping while the grippers are regripped. The contractor Marti Tunnelbau AG and Herrenknecht AG developed a very innovative safety concept instead of the normal simple securing against slipping back. The machine used has three gripping systems, of which at least two are independently active in any operating mode (boring, stopped, regripping). This safely rules out any backward slipping of the 130 m long tunnelling equipment with a weight of 800 t. The support against slipping back works mechanically on the basis of a self-locking compound hinge (automatic mechanical wedging). This means that the machine is safely braced into the rock mass even if the power and hydraulic systems fail. The boring of the second penstock should start in March 2012, and the power station should be ready for operation in 2015.

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Durchschlag in Limmern Das Fräsen eines Tunnels mit 40° Steigung ist keine alltägliche Aufgabe für eine Tunnelbohrmaschine. Eine HerrenknechtGripper-TBM mit ∅ 5.200 mm hat im Oktober 2011 einen der beiden Druckschächte für das neue Pumpspeicherkraftwerk Limmern im Schweizer Kanton Glarus fertig gestellt. Beim

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News Vortrieb wurden Auffahrleistungen bis über 130 m/Woche erzielt. Im Rahmen des Projekts Linthal 2015 wird die Kapazität der Kraftwerke Linth-Limmern AG durch den Neubau des Pumpspeicherwerks Limmern um 1.000 MW vergrößert. Zurzeit erzeugen die bestehenden Wasserkraftwerke Muttsee, Tierfehd und Linthal (Kanton Glarus, Schweiz) zusammen 480 MW. Der Bau des neuen Kraftwerks wird durch die Arbeitsgemeinschaft Kraftwerk Limmern unter der Federführung der Marti Tunnelbau AG ausgeführt. Zu den Kernstücken des Großprojekts gehören zwei Druckstollen von je 1.030 m Länge. Die beiden Druckstollen werden von der Maschinenkaverne (1.700 m ü.M.) mit einer Steigung von 40° zur 600 m höher gelegenen Schieberkammer am Muttsee gebohrt. Die Trasse verläuft bei Überdeckungen von bis zu 565 m vorwiegend durch Quintnerkalk. Die Gesteinsfestigkeiten reichen bis 120 MPa. Die große Steigung im Projekt Limmern erfordert ein sehr zuverlässiges Sicherungskonzept, das auf jeden Fall ein

Abrutschen der TBM bei Umsetzen der Gripper verhindert. Als Ersatz für die bisher übliche einfache Rückfallsicherung haben das Bauunternehmen Marti Tunnelbau AG und die Herrenknecht AG ein innovatives Sicherheitskonzept entwickelt. Die eingesetzte Vortriebsmaschine verfügt über drei Verspannsysteme, von denen im jedem Betriebszustand (Vortrieb, Stillstand, Umsetzen) immer mindestens zwei unabhängig voneinander aktiv sind. Damit kann ein Zurückrutschen der 130 m langen und 800 t schweren Vortriebseinrichtung sicher verhindert werden. Die Rückfallsicherungen arbeiten mechanisch nach dem Prinzip eines selbsthemmenden Kniehebels (automatisches mechanisches Verkeilen). Dadurch ist selbst bei einem Ausfall der Energieversorgung und der Hydrauliksysteme die notwendige Verspannung der Maschine im Berg sichergestellt Der Vortrieb des zweiten Druckschachts soll im März 2012 starten. Im Jahr 2015 soll das Kraftwerk in Betrieb genommen werden.

Successful breakthrough of the penstock into the valve chamber at the Limmern pumped storage works (photo: Herrenknecht AG) Erfolgreicher Durchstich des Druckschachtes in die Schieberkammer beim Pumpspeicherwerk Limmern (Foto: Herrenknecht AG)

Brenner Base Tunnel: investigation tunnel through the Periadriatic Seam On 21 December 2011, the advance by drilling and blasting started through the Periadriatic Seam, the largest fault zone in the Alps. In the next two years, the investigation tunnel will be driven about 3 km towards Brenner. Two assembly caverns for the tunnel boring machines

will also be constructed in the mountain, as well as a link between the main tunnel and the investigation tunnel. This will also be important during the construction phase because it enables the entire excavation spoil to be transported on a conveyor belt through the investigation tun-

nel to Aicha. The construction works for this section are being carried out by the joint venture “Consorzio Brennero 2011”, which consists of the two South Tyrolean companies P.A.C. and Oberrosler and the Swiss companies Implenia and der Cogeis.

Brenner Basistunnel: Erkundungsstollen durch die Periadriatische Naht Am 21. Dezember 2011 begann der Sprengvortrieb durch die Periadriatische Naht, die größte Störungszone der Alpen. In den nächsten zwei Jahren wird der Erkundungsstollen um ca. 2 km in Richtung Brenner vorgetrieben. Gleichzeitig werden im Berg zwei Montagekavernen für die Tunnelbohrmaschinen gebaut. Weiterhin wird eine Verbindung zwischen den Hauptstollen und dem Erkundungsstollen gebaut. Diese ist ebenfalls in der Bauphase wichtig, damit das gesamte Ausbruchmaterial über Förderbänder durch den Erkundungsstollen nach Aicha abtransportiert werden kann. Die Bauarbeiten für das Baulos werden von der Arbeitsgemeinschaft „Consorzio Brennero 2011“ geführt. Die Arbeitsgemeinschaft besteht aus den beiden südtiroler Unternehmen P.A.C. und Oberrosler sowie dem schweizer Unternehmen Implenia und der Cogeis.

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

Aicha-Mauls investigation tunnel (photo: BBT SE) Erkundungsstollen Aicha-Mauls (Foto: BBT SE)

News Crossrail: Tunnelling starts in March As part of the works acceptance in December 2011, the first of the altogether eight tunnel boring machines, which will drive the new Crossrail tunnels under the centre of London on the largest European infrastructure project was introduced. The tunnel boring machines (TBM) are about 140 m long, weigh about 1,000 t and are completely assembled. After the acceptance at the manufacturer’s works, they will be dismantled and transported to London, to be assembled again at Westbourne Park. The first tunnel drive will start in March at the Royal Oak portal. Eight tunnel boring machines are required for the 21 km long two-bore tunnel, for the driving of ten individual tunnel sections. The tunnels will be driven in continuous operation and will form the underground part of the 118 km long rail connection between Maidenhead or Heathrow to the west and Shenfield or Abbey Wood to the east of London. The tunnels with a diameter of 6.2 m will be lined with segments. A segment production plant has been set up at Old Oak Common for the western single-track tunnels between Royal Oak and Farringdon and will start production in January 2012, eventually producing about 70,000 segments.

Crossrail TBM at the works acceptance (photo: Crossrail) Crossrail-TBM bei der Werksabnahme (Foto: Crossrail)

The eight Crossrail TBMs are being made by Herrenknecht AG, who also made the tunnel boring machines for the Jubilee Line extension and the Docklands Light Railway (DLR) extension to Bank. The second TBM will also start work from Royal Oak in March 2012, some weeks after the first. The

tunnel drive from Limmo Peninsula in the Royal Docks towards Farringdon starts at the end of 2012; the drives from Pudding Mill Lane and Plumstead will start in 2013, and the tunnels from the Limmo Peninsula to Victoria Dock will be driven from 2014.

nen benötigt, die zehn einzelne Vortriebsstrecken auffahren werden. Die Vortriebe erfolgen im Durchlaufbetrieb und erstellen die unterirdischen Abschnitte der 118 km langen Eisenbahnverbindung zwischen Maidenhead bzw. Heathrow im Westen und Shenfield bzw. Abbey Wood im Osten Londons. Die Tunnel mit einem Durchmesser von 6,2 m werden mit Tübbingen gesichert. Für die westlichen Einspurtunnel zwischen Royal Oak und Farringdon wurde in Old Oak Common ein Tübbingwerk errichtet und im Januar 2012 in Betrieb genommen. Insgesamt werden dort rund 70.000 Tübbinge produziert.

Die acht Crossrail-TBM werden von der Herrenknecht AG hergestellt, die auch die Tunnelbohrmaschinen für die Jubilee Line Extension und die Docklands Light Railway (DLR) Verlängerung nach Bank gefertigt hat. Die zweite TBM wird einige Wochen nach dem Start der ersten TBM im März 2012 ebenfalls von Royal Oak mit dem Vortrieb beginnen. Die Vortriebe von Limmo Peninsula in den Royal Docks Richtung Farringdon starten Ende 2012; die Vortriebe von Pudding Mill Lane und Plumstead beginnen in 2013, und ab dem Jahr 2014 werden die Tunnel von Limmo Peninsula nach Victoria Dock aufgefahren.

Crossrail: Vortriebsstart im März Im Rahmen der Werksabnahmen wurde im Dezember 2011 die erste von insgesamt acht Tunnelbohrmaschinen vorgestellt, die beim größten europäischen Infrastrukturprojekt die neuen CrossrailTunnel unter der Londoner Innenstadt auffahren werden. Die 140 m lange, rund 1.000 t schwere, komplett montierte Tunnelbohrmaschine (TBM) wird nach der Werksabnahme im Herstellerwerk demontiert und nach London verschifft, wo sie am Westbourne Park wieder zusammengebaut wird. Der erste Vortrieb soll im März am Portal Royal Oak starten. Für die 21 km langen doppelröhrigen Tunnel werden acht Tunnelbohrmaschi-

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

News Emschergenossenschaft awards 35 km sewer tunnel The construction of a sewer tunnel with a total length of 35 km from Dortmund to Bottrop is the largest single project in the generation project “Emscher-Umbau”, and a precondition for the modernisation of the water management infrastructure in the Ruhr area. The contract for the construction of the 420 million Euro project was awarded by the Emschergenossenschaft on 18 January to Wayss & Freytag Ingenieurbau. The construction of the sewer will start simultaneously in early 2012 at many locations along the River Emscher be-

tween Dortmund and Bottrop and will last about five years. A smaller part of the west section (Bottrop-Süd) has already been under construction since last autumn. The Emscher-Umbau rebuilding project started in 1992 and should be complete by 2020. This is the largest infrastructure project in the region and the total investment will be 4.5 billion Euro. Three new highly modern water treatment plants have already been constructed along the main River Emscher in the 1990s.

The ecological rearrangement of the approx. 350 km long waterway landscape in the Emscher system requires about 400 km of new underground sewer – just 225 km of sewer has already been completed, and about 90 km of former foul drains have been converted into river landscapes with natural character. The headwaters of the Emscher around Dortmund have already been free of foul discharges since the start of 2010, and crystal-clear water now flows down the bed of the Emscher.

Emschergenossenschaft vergibt 35 km Abwasserkanal Der Bau des Abwasserkanals Emscher auf einer Gesamtlänge von 35 km von Dortmund bis nach Bottrop ist das größte Einzelprojekt im Rahmen des Generationenprojekts „Emscher-Umbau“ und die Voraussetzung für die Modernisierung der wasserwirtschaftlichen Infrastruktur im Ruhrgebiet. Den Bauauftrag für das 420-Millionen-Euro-Projekt hat die Emschergenossenschaft am 18. Januar an die Wayss & Freytag Ingenieurbau vergeben. Der Kanalbau startet im Frühjahr 2012 gleichzeitig an mehreren Stellen entlang der Emscher zwischen Dortmund und Bottrop und wird

rund fünf Jahre dauern. Ein kleinerer Teilabschnitt im Westabschnitt (BottropSüd) befindet sich bereits seit dem vergangenen Herbst im Bau. Der Emscher-Umbau begann 1992 und wird 2020 abgeschlossen sein. Investiert werden in dieses wohl größte Infrastruktur-Projekt der Region insgesamt 4,5 Mrd. Euro. In den 1990er-Jahren entstanden entlang des Emscher-Hauptflusses bereits drei neue hochmoderne Großkläranlagen. Die ökologische Umgestaltung der rund 350 km langen Gewässerlandschaften im Emscher-System erfordert

rund 400 km neue unterirdische Abwasserkanäle – knapp 225 km Abwasserkanäle sind bereits fertig gestellt, und etwa 90 km ehemalige Schmutzwasserläufe sind bis heute zu naturnahen Flusslandschaften umgebaut worden. Der Oberlauf der Emscher im Raum Dortmund ist bereits seit Anfang 2010 abwasserfrei. Dort fließt nun kein Schmutzwasser, sondern sauberes, glasklares Wasser durch das Emscherbett.

enables particularly efficient cooling of the tunnel. A number of energy segments are combined in a circuit and connected to a heat pump. The tunnel can then be regarded as a large-scale geothermal ground source, even in areas where conventional heat exchangers would not be possible. The energy segments then offer an additional method of regenerative heat production. The practical application of the energy segments is also promising: after extensive laboratory and field trials, the new element was installed for the first time in the Jenbach rail tunnel in the Tyrol to heat a building. The energy segments were installed in a 54 m length of tunnel. The “Rauway flex” pipes integrated in the segments enable the thermal activation of the construction element. The extremely robust collector pipes consist of high-pressure crosslinked polyethylene (PE-Xa) in a multi-

layer construction, which were specially developed for this application. The pipes are resistant to notching, scoring and point loads and are reliable in operation even when tightly curved. The absorber pipes are run to the surface up a rescue shaft, which would have been required in any case, to supply thermal energy to the Jenbach Council building yard. The geothermal system covers the base load of the heating system; additional gas-fired heating is available to cover peaks. The pipework, heat pumps and the tunnel lining are fitted with extensive measurement equipment to gain knowledge about this innovative source of energy for future applications. The project is a pilot project – the first geothermal heating system integrated into a mechanically bored tunnel – and promises great potential for further inner-city tunnel projects.

Energy segment wins prizes Züblin together with Rehau AG and the consultant Arup were awarded two prizes for the practically demonstrated development of geothermal energy from tunnels on 1 December 2011 in Hong Kong: In the category “Technical Innovation of the Year” with the renowned International Tunnelling Award 2011 and in the category “Innovative Plant Use” with the T & T Award. The jury praised the simple but ingenious idea and emphasised the great advance for the branch in cooling a tunnel sustainably and reducing operating costs. Tunnels can deliver a great amount of geothermal energy because of their large areas in contact with the ground or rock. In order to exploit this potential, Rehau has developed a new system. Absorber pipes are integrated into the segments in order to remove heat from the structure in the winter for heating purpose in the vicinity. If required, this also

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

News Energietübbing ausgezeichnet Für die praxiserprobte Entwicklung zur Nutzung geothermischer Energie aus Tunnelbauwerken wurde Züblin gemeinsam mit der Rehau AG und dem Planungsbüro Arup am 1. Dezember 2011 in Hong Kong gleich doppelt ausgezeichnet: In der Kategorie „Technische Innovation des Jahres“ mit dem renommierten International Tunnelling Award 2011 und in der Kategorie „Innovative Anlagennutzung“ mit dem T & T Award. Die Jury lobte die einfache, aber geniale Idee und unterstrich dabei besonders den großen Fortschritt für die Branche, einen Tunnel nachhaltig zu kühlen und Betriebskosten zu senken. Tunnelbauwerke können durch ihre großen Flächen, die an das Erdreich oder den Fels anliegen, ein hohes Maß an geothermischer Energie liefern. Um dieses Potenzial zu nutzen, hat Rehau ein neues System entwickelt. So werden in die Tübbinge Absorberleitungen integriert, um dem Bauwerk im Winter Wärme zu entziehen, die zu Heizzwecken in

aus hochdruckvernetztem Polyethylen (PE-Xa) im Mehrschichtaufbau, der speziell für diese Anwendung weiterentwickelt wurde. Die Rohre sind unempfindlich gegenüber Kerben, Riefen und Punktlasten und auch bei engen Biegeradien betriebssicher. Über einen ohnehin benötigten Rettungsschacht werden die Absorberleitungen an die Oberfläche geführt und dort mit einer Wärmepumpe verbunden, die den Bauhof der Gemeinde Jenbach mit Heizenergie versorgt. Die Geothermieanlage deckt die Grundlast der Heizanlage; bei Spitzenverbräuchen wird eine gasbetriebenes Zusatzaggregat genutzt. Die Leitungen, Wärmepumpe und die Tunnelschale sind mit umfangreicher Messtechnik ausgerüstet, um Erkenntnisse für weitere Projekte mit dieser innovativen Energieversorgung zu gewinnen. Dieses Projekt gilt als Pilotprojekt – das erste in einem maschinell aufgefahrenen Tunnel integrierte Geothermiekraftwerk – und bietet großes Potenzial auch für weitere innerstädtische Tunnelprojekte.

der Umgebung verwendet werden kann. Bei Bedarf ist hierdurch auch eine besonders effiziente Kühlung des Tunnels möglich. Dabei werden mehrere Energietübbinge zu einem Kreislauf verbunden und an eine Wärmepumpe angeschlossen. Damit kann der Tunnel als große Erdwärmesonde betrachtet werden, v.a. in Gebieten, in denen konventionelle Geothermiesonden nicht möglich sind. Der Energietübbing bietet so eine zusätzliche Möglichkeit der regenerativen Wärmeerzeugung. Auch der Praxiseinsatz der Energietübbinge verläuft erfolgversprechend: Nach ausgiebigen Versuchen im Labor und einem Feldversuch wurde das neue Bauteil im Tiroler Eisenbahntunnel Jenbach das erste Mal zur Versorgung eines Gebäudes eingebaut. Dazu wurde eine Tunnellänge von 54 m mit Energietübbingen ausgerüstet. Die im Tübbing integrierten „Rauway flex“-Rohrleitungen sorgen für eine thermische Aktivierung der Bauteile. Die äußerst robusten Kollektorrohre bestehen

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 be 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 can be submitted either to the editors (Verlag Ernst & Sohn, Dr. Helmut Richter, Rotherstraße 21, D-10245 Berlin, Germany, Tel. +49 – 30 – 47 03 12 65, Fax +49 -30 -47 03 12 70, helmut.richter@wiley.com), Professor Robert Galler (University of Leoben, Chair for Subsurface Engineering – Geotechnics and Underground Construction, Erzherzog Johann Straße 3, A-8700 Leoben, Austria, Tel. +43 – 38 42 – 4 02 34 00, Fax +43 – 38 42 – 4 02 34 02, robert.galler@mu-leoben.at) or to Dr. Andreas Goricki (3G Gruppe Geotechnik Graz ZT GmbH, Triesterstraße 478a, A-8055 Graz-Seiersberg, Austria, Tel. +43 – 3 16 – 33 77 99, Fax +43 – 3 16 – 33 77 99 11, goricki@3-g.at). Site reports, technical reports and news items from the construction industry are of course also welcome.

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Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

News Themen für die nächsten Ausgaben der „Geomechanics and Tunnelling“ Dr. Andreas Goricki (3G Gruppe Geotechnik Graz ZT GmbH, Triesterstraße 478a, A-8055 Graz-Seiersberg, Österreich, Tel. +43 (0) 3 16 – 33 77 99, Fax +43 (0) 3 16 – 33 77 99 11,

goricki@3-g.at) gerne entgegen. Darüber hinaus sind Baustellenreportagen, technische Berichte und Mitteilungen aus der Industrie jederzeit willkommen.

Issue

Publication date

Topics

3/12

June 2012

Swiss projects Projekte in der Schweiz

4/12

August 2012

Slope stabilization in the vicinity of infrastructure Hangsicherungen im Einflussbereich von Infrastruktur

5/12

October 2012

Proceedings of the 61th Geomechanics Colloquium Beiträge des 61. Geomechanik Kolloquiums

6/12

December 2012

Proceedings of the 8th Austrian Tunnel Day Beiträge des 8. Österreichischen Tunneltags

1/13

January 2013

Stability of dam foundations Standsicherheit von Dammgründungen

2/13

April 2013

International tunnel projects Internationale Tunnelprojekte

Q Im Kommentar werden ausführliche Begründungen und Erklärungen gegeben, mit denen das Verständnis für die neuen Begriffe, Regeln und Festlegungen geweckt werden soll. Mit den Beispielen wird gezeigt, wie die neuen Festlegungen im konkreten Fall in die Praxis umgesetzt werden. Sie sind so gewählt, dass alle wesentlichen Rechenschritte nachvollziehbar werden. Das Buch zeigt, wie die üblichen Standsicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau, z. B. für Flachgründungen, Pfahlgründungen, Stützbauwerke, Baugrubenkonstruktionen, Verankerungen und Böschungen, sowie der Nachweis der Sicherheit gegen Auftrieb und hydraulischen Grundbruch zu erbringen sind.

Abb. vorläuﬁg

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Kommentar zum Handbuch Eurocode 7 – Geotechnische Bemessung Allgemeine Regeln

HRSG.: BERND SCHUPPENER

Kommentar zum Handbuch Eurocode 7 – Geotechnische Bemessung Allgemeine Regeln 2011. ca. 450 S., ca. 200 Abb., Gb. ca. € 89,–* ISBN: 978-3-433-01528-5 Erscheint Dezember 2011

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Der Herausgeber: Dr.-Ing. Bernd Schuppener ist Obmann des zugehörigen Normenausschusses NABau-FB 05 Grundbau, Geotechnik.

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Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

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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 nehmen Redaktion (Verlag Ernst & Sohn, Dr. Helmut Richter, Rotherstraße 21, 10245 Berlin, Deutschland, Tel. +49 (0) 30 – 47 03 12 65, Fax +49 (0) 30 – 47 03 12 70, helmut.richter@wiley.com), Professor Robert Galler (Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Subsurface Engineering – Geotechnik und unterirdisches Bauen, Erzherzog Johann Straße 3, A-8700 Leoben, Tel. +43 (0) 38 42 – 4 02 34 00, Fax +43 (0) 38 42 – 4 02 34 02, robert.galler@mu-leoben.at) oder

People Company founder Dr. Leonhard Obermeyer has passed away

The founder of Obermeyer Planen + Beraten GmbH, Dr.-Ing., Dr.-Ing. h.c. Leonhard Obermeyer, died on 28 December 2011 at the age of 87. More than 50 years ago, he laid the foundation of the current Obermeyer group on 1 July 1958 as a one-man operation in Krailling near Munich, and built it up over the years to an international design consultancy. The most important projects of the company include the general design of the Karlsplatz-Stachus underground station and shopping mall structure in the

centre of Munich in the 1960s, the entire design of large parts of the Munich underground system, the design of seven bridges over the Danube, the design of the Donnersberger Bridge and the Candid Hangauffahrt in Munich and the reconstruction of the Palais am Lenbachplatz in Munich in the 1980s. Leonhard Obermeyer was born in 1924 into a large family in Großmehring in Upper Bavaria. After an apprenticeship as bricklayer, training as a civil engineer followed by a degree in Civil Engineering at the Technische Hochschule in Munich awarded in 1953, he founded the Ingenieurbüro Obermeyer on 1 July 1958 in Krailling. He already had 25 employees by the end of 1960. As a result of the great dependence on other professions in the design of the Karlsplatz-Stachus underground station and shopping mall structure and other design commissions, Leonhard Obermeyer decided at the start of the 1970s to integrate specialised design work into the overall design. Instead of design work being split among many spe-

cialised companies, major projects should now be designed by one consultant. This required more staff and the company had already grown to 245 employees in 1973. The reunification of Germany in 1989 resulted in a phase of founding branch offices all over Germany with an an enormous growth of staff numbers. The company, now known as “Obermeyer Planen + Beraten GmbH”, was involved in numerous projects to improve the east-west transport infrastructure. At the same time, international expansion started as well as continued integration of specialist designers and architects, so that the idea of a general consultant become ever more a reality. After a professional career of 48 years, Dr. Leonhard Obermeyer passed control of the Obermeyer Holding GmbH to his nephew Maximilian Grauvogl as chairman of the board of directors in December 2006.

Firmengründer Dr. Leonhard Obermeyer verstorben Am 28. Dezember 2011 ist der Firmengründer der Obermeyer Planen + Beraten GmbH Dr.-Ing., Dr.-Ing. h.c. Leonhard Obermeyer im Alter von 87 Jahren verstorben. Vor mehr als 50 Jahren, am 1. Juli 1958, hatte er die heutige Unternehmensgruppe Obermeyer als 1Mann-Firma in Krailling bei München gegründet und über die Jahrzehnte hinweg zu einer weltweit agierenden Planungsgesellschaft ausgebaut. Zu den wichtigsten Projekten seines Unternehmens gehören die Generalplanung des Verkehrsbauwerks KarlsplatzStachus im Zentrum Münchens in den 1960er Jahren, die Gesamtplanung großer Teile der U-Bahn München, die Planung von sieben Brücken über die Donau, die Planung der Donnersberger Brücke und der Candid Hangauffahrt in München sowie die Rekonstruktion des Palais am Lenbachplatz in München in den 1980er Jahren.

Leonhard Obermeyer wurde 1924 in einer kinderreichen Familie im oberbayerischen Großmehring geboren. Nach der Lehre zum Maurer, der Ausbildung zum Bauingenieur und dem anschließenden Studium des Bauingenieurwesens an der Technischen Hochschule in München, welches er 1953 abschloss, gründete er am 1. Juli 1958 das Ingenieurbüro Obermeyer in Krailling. Schon Ende 1960 konnte er bereits 25 Mitarbeiter beschäftigen. Infolge der großen Abhängigkeit zu anderen Disziplinen bei der Planung des Verkehrsbauwerks Karlsplatz-Stachus sowie anderen Planungsaufgaben beschloss Leonhard Obermeyer Anfang der 1970er Jahre, Fachplanungen in die Gesamtplanung einzubinden. Anstatt viele Teilplanungen in einzelnen Fachbereichen anzubieten, sollten Großprojekte fortan aus einer Hand und über alle Gewerke hinweg geplant werden.

Dies erforderte eine Erweiterung des Mitarbeiterstamms. 1973 war das Unternehmen bereits auf 245 Mitarbeiter angewachsen. Der Mauerfall 1989 läutete eine Phase mit Gründungen weiterer Niederlassungen in Deutschland mitsamt enormem Mitarbeiteranstieg ein. Das Unternehmen, inzwischen in der Gesellschaftsform „Obermeyer Planen + Beraten GmbH“, war bei zahlreichen Projekten im Rahmen des Ausbaus der Ost-West-Verkehrsinfrastruktur beteiligt. Gleichzeitig begann die Expansion ins Ausland sowie die weitere Integration von Fachplanern und Architekten, sodass sich die Idee des Gesamtplanungsbüros immer mehr durchsetzte. Nach 48 Berufsjahren übertrug Dr. Leonhard Obermeyer im Dezember 2006 die Obermeyer Holding GmbH seinem Neffen Maximilian Grauvogl als Vorsitzenden der Geschäftsführung.

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

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Abb. vorläuﬁg

Q Dieses Handbuch gibt einen vollständigen Überblick über Pfahlsysteme und ihre Anwendungen und Herstellung sowie die Berechnung nach dem neuen Sicherheitskonzept anhand zahlreicher Beispiele für Einzelpfähle, Pfahlroste und -gruppen. Die Empfehlungen gelten als Regeln der Technik. Q Vollständiger Überblick über Pfahlsysteme Q Anwendung, Herstellung und Prüfung Q Bemessung nach Teilsicherheitskonzept HRSG.: DEUTSCHE GESELLSCHAFT Q Vollständig auf EC 7 und DIN 1054:2010 F Ü R G E O T E C H N I K E . V. abgestimmt EA-Pfähle Q Zahlreiche Beispiele Empfehlungen des Q Empfehlung mit Normencharakter Arbeitskreises „Pfähle“ Q Voraussetzung für Offshore-Windenergieanla2., überarb. u. erw. Auﬂage gen (Bemessungen, Nachweise und Prüfungen 201 . ca. 400 S., ca. 150 Abb., nach Kapitel 13 werden vom BSH zwingend ca. 80 Tab., Gb. gefordert) ca. € 89,–* Q U mfangreiche Erfahrungswerte für die BeISBN: 978-3-433-03005-9 messung Erscheint "OGBOH 201 Q EC 7/NAD verweist auf dieses Buch Die Herausgeber: Der Arbeitskreis AK 2.1 „Pfähle“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT) setzt sich aus ca. 20 Fachleuten aus Wissenschaft, Industrie, Bauverwaltung und Bauherrenschaft zusammen und arbeitet in Personalunion auch als Normenausschuß „Pfähle“ des NABau.

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Mechanised Shield Tunnelling Q This book presents the state of the art in mechanised shield tunnelling technology and the various types of equipment, and provides design approaches as well as structural advice. Other chapters treat drilling equipment, conveyors, tunnel securing, surveying and controlling as well as occupational safety. Contractual aspects and process controlling are also presented in detail.

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Author information: o. Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Bernhard Maidl was chair of construction method technology, tunnelling and construction management at the Ruhr-Universität Bochum. Currently, Prof. Maidl is partner at MTC - Maidl Tunnelconsultants GmbH & Co. KG, Duisburg. Dr. Martin Herrenknecht is CEO of Herrenknecht AG, Schwanau. The company is technology and market leader in mechanised tunnelling. It Mechanised Shield is the only company in the world that offers the Tunnelling state-of-the-art tunnelling equipment for all soil 2., completely revised types and in all diameters. Dr. Herrenknecht and enlarged Edition founded the company in 1977. January 2012. Dr. Ulrich Maidl is general manager of MTC approx. 450 pages, approx. 350 ﬁgures, - Maidl Tunnelconsultants GmbH & Co. KG, Hardcover. Duisburg and is a publically appointed and ca. € 119,–* accredited expert for tunnelling and micro-tunISBN: 978-3-433-02995-4 nelling. Dr. Gerhard Wehrmeyer heads the Trafﬁc Tunnelling division of Herrenknecht AG. Language of Publication: English

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Topics Eckart Schneider Markus Spiegl

DOI: 10.1002/geot.201200003

Contract models for TBM drives in hard rock – codes in Austria and Switzerland and their practical implementation Vertragsmodelle für TBM Vortriebe im Festgestein – Regelwerke in Österreich und der Schweiz und deren praktische Umsetzung The Austrian standard conditions of contract for underground works with continuous tunnelling have been available since 2005. Until then, contract conditions for sequential and continuous tunnelling were combined in a single code. In Switzerland, major transport tunnels were already being bored with TBMs at the start of the 1970s, much earlier than in Austria. Corresponding standard conditions have been available there for many years, most recently revised in 2004. In this article, the most important provisions of the Austrian and Swiss conditions of contract are presented and commented. Their implementation on specific projects is described through some significant projects. A comparison between Austria and Switzerland, where there has also been a standard bill of quantities for TBM drives for a long while – the Norm-Positions-Katalog – which is generally accepted and used practically universally, indeed show a basic similarity in the essential points, but in the implementation of the details there are still considerable differences.

Seit 2005 gibt es in Österreich eine eigene Werkvertragsnorm für Untertagebauarbeiten mit kontinuierlichem Vortrieb. Bis dahin waren die Vertragsbestimmungen für zyklische und kontinuierliche Vortriebe in einem einzigen Regelwerk zusammengefasst. In der Schweiz wurden schon ab Anfang der 1970er-Jahre, also wesentlich früher als in Österreich, große Verkehrstunnelbauten mit Tunnelvortriebsmaschinen realisiert. Eine entsprechende Werkvertragsnorm gibt es dort seit vielen Jahren. Zuletzt wurde sie 2004 aktualisiert. Im Beitrag werden die wichtigsten Bestimmungen der österreichischen und der schweizerischen Werkvertragsnormen vorgestellt und kommentiert. Ihre projektspezifische Ausformung wird anhand signifikanter Projekte dargestellt. Ein Vergleich zwischen Österreich und der Schweiz, wo es außerdem seit langem eine Standard-Leistungsbeschreibung für TBMVortriebe – den Norm-Positions-Katalog – gibt, der generell akzeptiert ist und praktisch flächendeckend angewendet wird, zeigt zwar eine grundsätzliche Übereinstimmung in wesentlichen Punkten, in der Ausformung der Details bestehen jedoch erhebliche Unterschiede.

1 Introduction

1 Einleitung

The Austrian standard “Underground works – Works contract – Part 2: Continuous driving” ON B 2203-2 has been available since 2005 [1]. Large projects, like for example the second bore of the Pfänder Tunnel (2007) and contract 2 of the Koralm Tunnel (2009), were tendered based on this standard. Further projects, like the third contract of the Koralm Tunnel and the Semmering Base Tunnel are currently being tendered, but the Wienerwald Tunnel and the Perschling chain of tunnels were tendered before the introduction of ON B 2203-2. No experience was available from the progress of these projects while the standard was being prepared. For the tendering of the Pfänder Tunnel and the Koralm Tunnel, the implementation of some provisions of the standard was problematic in the view of the clients or consultants. Diverse provisions were therefore omitted, altered or adapted for each project. In Switzerland, the standard conditions valid since 1993, SIA 198 “General Conditions for Underground Construction Work” [2] have been thoroughly revised and the new version has been valid since 2004. In Switzerland, large transport tunnels were already being bored with

Seit 2005 gibt es in Österreich eine eigene Werkvertragsnorm für Untertagebauarbeiten mit kontinuierlichem Vortrieb die ON B 2203-2 [1]. Große Projekte, z.B. die zweite Röhre Pfändertunnel (2007) und das Baulos 2 des Koralmtunnels (2009), wurden auf Basis dieser Norm ausgeschrieben. Weitere Projekte wie das dritte Baulos des Koralmtunnels und der Semmering Basistunnel sind zurzeit in Ausschreibung. Der Wienerwald-Tunnel und die Tunnelkette Perschling wurden schon vor Inkrafttreten der ON B 2203-2 ausgeschrieben. Erfahrungen aus der Abwicklung dieser Projekte waren zum Zeitpunkt der Ausarbeitung der Norm noch nicht vorhanden. Bei der Ausschreibung des Pfändertunnels und auch beim Koralmtunnel erwies sich die Umsetzung einzelner Normbestimmungen aus Sicht der Auftraggeber bzw. Planer als problematisch. Deshalb wurden diverse Bestimmungen projektbezogen weggelassen, geändert oder ergänzt. In der Schweiz wurde die seit 1993 gültige Werkvertragsnorm SIA 198 „Untertagebau – Ausführung“ [2] gründlich überarbeitet und die neue Version 2004 in Kraft gesetzt. Dort wurden schon ab Anfang der 1970er-Jahre

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TBMs from the start of the 1970s. The experience gained then and from recently completed major projects like the Lötschberg Base Tunnel, Steg-Raron contract and the Gotthard Base Tunnel, Bodio-Faido section have influenced the new revision.

2 Austria 2.1 Standard conditions of contract 2.1.1 Content ON B 2203-2 “Underground works – Works contract – Part 2: Continuous driving” [1] was introduced on 1 January 2005. It supersedes the old B 2203 from 1994. At that time, the provisions for sequential and continuous tunnelling were combined in one document. The introduction in 1994 of the tunnelling class matrix was a milestone in Austrian tunnel standards. This was used in a (successful) attempt to characterise the effect of support installation and other measures with an effect on performance, e.g. partial face excavation, on the advance rate in the form of support measures numbers. The essential content of ON B 2203-2 is to be found in the chapters 3 “Terminology”, 4 “Process provisions” and 5 “Contract provisions”. Tunnel drives in rock and loose ground are differentiated, solely according to machine type and nature of the support measures, particularly for face support.

2.1.2 Layout of the bill of quantities In addition to the general provisions, the standard includes requirements for the classification of the bill of quantities including specification details (LV) into items. Significant points are the tunnelling class matrix based on the provisions for sequential tunnelling, and provisions for the payment of overcut and overbreak, water difficulties and similar. It should be pointed out that a dedicated bill item is intended for the provision of the tunnelling system, an item intended to include all machinery costs that are not dependent on the construction time or any obstructions. This specially aimed at the tendering of the TBM, for which a payment plan is provided in the contract. Further items are to be provided for time-dependent machinery costs, split according to the construction schedule.

große Verkehrstunnelbauten mit Tunnelvortriebsmaschinen (TVM) realisiert. Die Erfahrungen, die dabei und bei den vor kurzem abgeschlossenen Großprojekten Lötschberg-Basistunnel, Baulos Steg-Raron und Gotthard-Basistunnel, Abschnitt Bodio-Faido gewonnen wurden, sind in die Neufassung der Norm eingeflossen.

2 Österreich 2.1 Werkvertragsnorm 2.1.1 Inhalt Die ON B 2203-2 „Untertagebauarbeiten-Werkvertragsnorm Teil 2 Kontinuierlicher Vortrieb“ [1] ist am 1. Januar 2005 in Kraft getreten1. Sie ersetzt die alte B 2203 von 1994. Damals waren die Bestimmungen für zyklischen und kontinuierlichen Vortrieb noch in einem Dokument zusammengefasst. Ein Meilenstein in der österreichischen Untertagebau-Normung war die 1994 eingeführte Vortriebsklassenmatrix. Mit ihrer Hilfe wurde der (erfolgreiche) Versuch unternommen, den Einfluss des Stützmitteleinbaus und anderer leistungsbestimmender Maßnahmen, z.B. Ausbruch in Teilflächen, auf die Vortriebsgeschwindigkeit in Form von Stützmittelzahlen zu charakterisieren. Die wesentlichen Inhalte der ON B 2203-2 sind in den Kapiteln „3. Begriffe“, „4. Verfahrensbestimmungen“ und „5. Vertragsbestimmungen“ enthalten. Es wird nicht zwischen Vortrieben in Fest- und Lockergestein unterschieden, lediglich nach Maschinentypen und Art der Stützmaßnahmen, insbesondere der Ortsbruststützung.

2.1.2 Gliederung Leistungsverzeichnis Neben den allgemeinen Bestimmungen enthält die Norm Vorgaben zur Gliederung des Leistungsverzeichnisses (LV) in Positionen. Wesentlich sind die an den zyklischen Vortrieb angelehnte Vortriebsklassenmatrix, Bestimmungen zur Vergütung von Überbohrmaß und Mehrausbruch, Wassererschwernisse u. Ähnliches. Hervorzuheben ist, dass für das Beistellen des Vortriebssystems eine eigene LV-Position vorzusehen ist. Diese Position soll alle nicht von der Bauzeit oder von allfälligen Erschwernissen abhängigen Gerätekosten beinhalten. Speziell ist damit die Abschreibung der TVM angesprochen, für die im Vertrag ein Zahlungsplan vorzusehen ist. Weitere Positionen sind für die zeitabhängigen Gerätekosten des Vortriebssystems vorzusehen. Sie sind entsprechend dem Bauablauf zu unterteilen. 1

The description “continuous driving” was introduced in 1994. This did not take into account the fact that all TBM tunnels are advanced in strokes, i.e. just as sequentially as in conventional tunnelling. Both cases are intermittent processes. Even tunnels bored by a double shield TBM, which come nearest to a continuous advance, can only be modelled correctly as a sequential construction process. The erroneous description is certainly a reason why the use of the description “continuous driving” instead of “mechanised tunnelling” or “TBM tunnelling” has not become established outside Austria. In order to avoid difficulties of comprehension, “TBM tunnelling” has been added in brackets behind “continuous driving” in the English translation of the Austrian standard ON B 2203-2.

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

Die Bezeichnung „kontinuierlicher Vortrieb“ wurde 1994 eingeführt. Dabei wurde nicht beachtet, dass TVM-Vortriebe ausnahmslos in Hüben, d.h. genauso zyklisch wie konventionelle Vortriebe ablaufen. Es handelt sich also in beiden Fällen um intermittierende Prozesse. Selbst Vortriebe mit TBM-DS, die einem kontinuierlichen Vortrieb am nächsten kommen, lassen sich baubetrieblich korrekt nur als zyklische Prozesse modellieren. Die unzutreffende Bezeichnung ist der Grund dafür, dass sich die Bezeichnung „kontinuierlicher Vortrieb“ anstelle „maschineller Vortrieb“ oder „TVM-Vortrieb“ außerhalb Österreichs nicht durchsetzen konnte. Um Verständnisschwierigkeiten vorzubeugen, wurde deshalb bei der Übersetzung der ON B 2203-2 ins Englische zur Erklärung des Begriffs „Continuous Driving“ in Klammern der Ausdruck „TBM-Tunnelling“ hinzugefügt.

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2.1.3 Tunnelling class matrix

2.1.3 Vortriebsklassenmatrix

For gripper TBMs (TBM-O), the influence of support measures on the advance rate is taken into account in a similar way to sequential tunnelling, with a support measures number. The characterisation of the rock mass is implemented, as in the standard for sequential (conventional) tunnelling, in a tunnelling class matrix (Table 1). The first reference number is described in section 4.3.2.2 of ON B2203-2:

Bei Gripper-TBM (TBM-O) wird der Einfluss der Stützmaßnahmen auf die Vortriebsgeschwindigkeit in ähnlicher Weise wie beim zyklischen Vortrieb durch eine Stützmittelzahl ausgedrückt. Die Charakterisierung des Gebirges erfolgt in Analogie zur Norm für den zyklischen (konventionellen) Vortrieb in einer Vortriebsklassenmatrix (Tabelle 1). Die erste Ordnungsgruppe ist im Abschnitt 4.3.2.2 der ON B2203-2 geregelt:

First reference number (Excavation behaviour/advance lengths), according to increasing chainage The extent of detailing within the first reference number is determined by the requirements for clear description of the works, practicality of estimation and invoicing. On the one hand, the division of the first reference number is undertaken in the presence of sections of clearly different excavation behaviour, or if appropriate rock mass behaviour; on the other hand, the division of the first reference number is undertaken to divide the entire tunnel drive into partial sections for the purpose of localising the effects of any localised variations from the forecast. For the tunnel sections, at least the essential influential parameters are to be given with ranges (e.g. rock compression strength, wear-related mineral content). Tunnel sections have a minimum length for practical purposes to ensure a statistically relevant statement of the distribution of the parameters, as well as corresponding to a multiple of the achievable daily advance rate in the section. In cases where the excavation, particularly the penetration, is decisive for the determination of performance and costs (hard rock with large diameter) and the forecast of excavation behaviour is difficult (deep overburden, uncertain degree of jointing), a division according to penetration and strength values is recommended.

Erste Ordnungsgruppe (Löseverhalten/Vortriebsabschnitte), nach Stationen aufsteigend Das Ausmaß der Detaillierung innerhalb der ersten Ordnungsgruppe wird bestimmt durch die Forderung nach einer klaren Leistungsbeschreibung, Kalkulierbarkeit und Abrechnung. Zum einen erfolgt die Unterteilung nach der ersten Ordnungsgruppe beim Vorliegen von Abschnitten mit deutlich unterschiedlichem Löseverhalten, gegebenenfalls Gebirgsverhalten; zum anderen erfolgt die Unterteilung nach der ersten Ordnungsgruppe zur Gliederung des gesamten Vortriebes in Teilabschnitte zum Zwecke der Eingrenzung von Auswirkungen allfälliger örtlicher Abweichungen von der Prognose. Für die Vortriebsabschnitte sind mindestens die maßgeblichen Einflussparameter mit Bandbreiten anzugeben (z. B. Gesteinsdruckfestigkeit, Verschleiß bestimmender Mineralgehalt). Die Vortriebsabschnitte weisen zweckmäßigerweise eine Mindestlänge auf, die sowohl eine statistisch zutreffende Angabe der Verteilung der Parameter sicherstellt, als auch einem Vielfachen der dort erzielbaren Tages-Vortriebsleistung entspricht. In Fällen, bei denen das Löseverhalten, insbesondere die Penetration, für die Leistungs- und Kostenermittlung maßgebend ist (Festgestein bei großem Durchmesser) und die Prognose des Löseverhaltens schwierig ist (hohe Überlagerung, unsicherer Zerlegungsgrad), wird eine Unterteilung nach Penetration oder Festigkeitswerten empfohlen.

The standard thus makes it possible to tender penetration and tunnelling classes for special cases, as is usual in Switzerland. The second reference number is dependent on the type and extent of performance-related measures (support

Damit eröffnet die Norm die Möglichkeit, in speziellen Fällen ähnlich wie in der Schweiz üblich Penetrationsbzw. Bohrklassen auszuschreiben.

Tunnel sections (VA) according to 4.3.2.2 Vortriebsabschnitte (VA) gemäß 4.3.2.2

First reference number Erste Ordnungsgruppe

Table 1. Tunnelling class matrix TBM-O, TBM-A, from [1]. Tabelle 1. Vortriebsklassenmatrix TBM-O, TBM-A nach [1] Second reference number Zweite Ordnungsgruppe Support measures number according to 4.3.2.3 Stützmitterlzahl nach 4.3.2.3

Maximum scope of application Maximaler Geltungsbereich 1

± 0.5 1

1/0.5

2 3

3/0.5

± 1.0

± 2.0

1/1.5

1/2.5

1/4

1/6

1/8

1/11

2/1.5

2/2.5

2/4

2/6

2/8

2/11

3/1.5

3/2.5

3/4

1/15

± 3.0 1/19

1/24

1/30

1/36

n-1 n

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measures) for open machines. Table 2 shows the system and the evaluation factors given in the standard. The second reference number is described in section 4.3.2.3 of ON B2203-2: Second reference number – TBM-O, TBM-A (support measures according to the installation location) The categorisation criterion for the second reference number is the support measures number. This results from the type, extent and location of the installation of regularly installed support measures per m of tunnel, which are to

Die zweite Ordnungsgruppe ist bei offenen Maschinen abhängig von Art und Umfang der leistungsbestimmenden Maßnahmen (Stützmittel). Tabelle 2 zeigt die Systematik und die in der Norm angegebenen Bewertungsfaktoren. Die zweite Ordnungsgruppe ist im Abschnitt 4.3.2.3 der ON B2203-2 geregelt: Zweite Ordnungsgruppe – TBM-O, TBM-A (Stützmittelzahl je nach Einbauort) Als Ordnungskriterium der zweiten Ordnungsgruppe dient die Stützmittelzahl. Sie ergibt sich aus der Art, dem Um-

Table 2. Evaluation of regular support measures for continuous tunnelling with TBM-O, TBM-A, from [1] Tabelle 2. Bewertung der Regelstützmittel für kontinuierlichen Vortrieb mit TBM-O, TBM-A nach [1] Support measure Stützmittel

Evaluation factors according to working areas Bewertungsfaktoren nach Arbeitsbereichen Working area Arbeitsbereich A1

Working area Arbeitsbereich A2

Friction anchor expanded by water pressure Gefalteter Rohrreibungsanker

3.0 m

1.6 m

SM grouted anchor SN-Mörtelanker

4.0 m

2.5 m

Self-drilling anchor Selbstbohranker

6.0 m

3.5 m

Grouted anchor Verpressanker

6.0 m

4.0 m

10.0 m

5.0 m

Grouting over 10 kg per m anchor Verpressungen über 10 kg je m Anker

0.3 kg

0.2 kg

Mesh reinforcment Baustahlgitter

4.0 m2 3.0 m2 3.0 m2

2.5 m2 2.0 m2 2.0 m2

2.5 m

5.0 m

–

4.0 m

–

10.0 m

–

Rock bolts Anker

Prestressed grouted anchor Vorgespannter Mörtelanker

Rock side without arches Rock side with arches Tunnel side

Arch sections shorter than half perimeter Bogenteile kürzer als halber Umfang Arch sections longer than half perimeter Bogenteile länger als halber Umfang Closed arches Bogen geschlossen Liner plates Liner Plates Shotcrete Spritzbeton

Poling boards Dielen

Sides Leibung1 Filling of gaps and overbreak Ausfüllen von Zwickeln und Mehrausbrüchen Lagging boards Verzugsdielen2 Forepoling boards Getriebdielen2

70 m3

20 m3

50 m3

14 m3

15 m2 20 m3

The support measures number in Table 1 is the result of dividing the sum of the reinforced support measures per m tunnel by the evaluation area Die Stützmittelzahl der Tabelle 1 ergibt sich durch Division der Summe der bewehrten Stützmittel pro m Tunnel durch die Bewertungsfläche. 1 2

theoretical dimensions according to nominal thickness and invoicing line … / Theoretische Massen nach Nennstärke und Abrechnungslinie installed lagging boards … / Eingebaute Dielen

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Table 3. Tunnelling class matrix TBM-S, TBM-DS, SM, from [1] Tabelle 3. Vortriebsklassenmatrix TBM-S, TBM-DS, SM nach [1]

Tunnel sections (VA) according to 4.3.2.2 Vortriebsabschnitte (VA) gemäß 4.3.2.2

First reference number Erste Ordnungsgruppe

Second reference number Zweite Ordnungsgruppe VA

Features determining performance according to 4.3.2.4, 4.3.2.5 Leistungsbestimmende Merkmale gemäß 4.3.2.4, 4.3.2.5 M1

1/1

1/2

1/3

2/1

2/2

2/3

M (n-1)

3 n-1 n

be evaluated in accordance with the table and related to the evaluation area. The evaluation area is to be fixed in the contract based on the nominal boring diameter and remains unaltered even if an overcut is implemented. The evaluation factors in the table are valid for the regular types of support measure given in the tender documents. The support measures are to be given and described for each tunnelling class according to the type, extent and location of installation. The scope of validity of a tunnelling class is to be specified within the limits of Table 1. The tunnelling class matrix for TBMs with shield (TBM-S, TBM-DS, SM) is laid out slightly differently. The first reference number still provides tunnel sections, but the division within the second category is to be undertaken according to performance-relevant features (Table 3). This means, for example, different types of segments, but could also be used to refer to other criteria specific to the project or the process. Two examples of this: – For TBM-DS, operation in “normal mode” with gripper bracing and the introduction of the reaction forces from thrust into the rock and “auxiliary mode” with the introduction of the reaction forces into the segment lining are differentiated. – For EPB machines, operation in “open mode” (removal of the muck by conveyor belt or through a screw conveyor without pressure) and “closed mode” (removal with pressure relief through a screw conveyor) are differentiated.

2.1.4 Wage costs of the tunnelling crew One Austrian speciality is the alternatives offered regarding the performance-related (variable) costs of excavation. – Variant (a): according to tunnelling class (VKL) one item for wages and sundries per m – Variant (b): one item for the wages of the tunnelling crew per time unit and per tunnel section. In this case, an additional item is to be provided for the non-time-related part of the sundries for each tunnelling class

fang und dem Ort des Einbaues der eingebauten Regelstützmittel pro m Tunnel, welche gemäß Tabelle zu bewerten und in Bezug zur Bewertungsfläche zu setzen sind. Die Bewertungsfläche ist auf Grundlage des Nominalen Bohrdurchmessers vertraglich festzulegen und bleibt auch bei Ausführung eines Überbohrmaßes unveränderlich. Die Bewertungsfaktoren der Tabelle sind gültig für die in den Ausschreibungsunterlagen angegebenen Typen von Regelstützmitteln. Die Stützmaßnahmen sind für jede Vortriebsklasse nach Art, Umfang und Ort des Einbaues anzugeben und darzustellen. Der Gültigkeitsbereich einer Vortriebsklasse ist in den Grenzen der Tabelle 1 festzulegen. Die Vortriebsklassenmatrix für TVM mit Schild (TBM-S, TBM-DS, SM) ist etwas anders gestaltet. Sie sieht als erste Ordnungsgruppe zwar ebenfalls Vortriebsabschnitte vor, die Unterteilung innerhalb der zweiten Ordnungsgruppe soll aber nach leistungsbestimmenden Merkmalen des eingesetzten Vortriebssystems erfolgen (Tabelle 3). Damit sind z. B. unterschiedliche Tübbingtypen gemeint, es könnten aber auch andere, projektspezifische oder verfahrensbedingte Kriterien, verwendet werden. Hierfür zwei Beispiele: – Bei TBM-DS wird zwischen Betrieb im „Normalmodus“ mit Gripperverspannung und Einleitung der Reaktionskräfte aus dem Vorschub in den Fels und „Hilfsmodus“ mit Einleitung der Reaktionskräfte in den Tübbingausbau unterschieden. – Bei EPB-Maschinen wird zwischen „open mode“ (Austrag des Ausbruchmaterials über Förderband oder drucklos über Förderschnecke) und „closed mode“ (Austrag mit Druckabbau über Förderschnecke) unterschieden.

2.1.4 Lohnkosten der Vortriebsmannschaft Eine österreichische Besonderheit ist die Wahlmöglichkeit bezüglich der leistungsbezogenen (variablen) Kosten des Ausbruchs. – Variante (a): je Vortriebsklasse (VKL) eine Position für Lohn und Sonstiges je m

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Clients generally prefer to tender Variant (b), because this offers advantages for contract adaptation.

2.1.5 Variation from geotechnical parameters The ÖNORM contains no provisions for price variations following variations in geological-geotechnical parameters, like higher rock strength, degree of jointing or bedding conditions. It is solely postulated that project-specific provisions are to be provided for mixed-face conditions, blocky ground, bracing problems or similar, but only where such hindrances can be clearly described and thus be estimated. For heavy wear due to very abrasive rock – Cerchar abrasivity index > 4.0 – or the exceeding of contractual ranges for wear-relevant parameters, hindrance items can be provided, which cover increased wear to excavation tools and the resulting reduction of performance.

2.2 Standard bill of quantities with specification details (LV) In Austria, there has so far only been a standard bill of quantities for tunnelling with sequential advance (LB-VI) [3]. No contractual standard bill of quantities for tunnelling with continuous advance has yet been approved by the responsible authorities. A small group has produced a short-text bill of quantities as the basis for sample estimation of TBM drives in 2006 [4]. Although this draft largely implements the requirements of the ÖNORM regarding item classification and the bill is laid out similarly to the standard bill for sequential tunnelling, this work has not yet been accepted outside the circle of the recipients of the sample estimation.

2.3 Contract organisation on projects 2.3.1 Project A Local conditions – Bored diameter 7.00 m, length 3.5 km – Geological conditions: predominantly calcareous mica schist – Tunnelling with TBM-O and conventional support measures Basic provisions – The provisions of ON B 2203-2 apply generally. – Minimum requirements for the tunnelling equipment are defined. Structure of the bill – Site overheads: The provisions of ON B 2203-2 regarding dedicated items for the provision and maintenance of tunnelling equipment were not included in the tenders. The breakdown of site overheads according to ON B 2061 [5] into one-off costs, time-related costs and machinery costs was undertaken analogously to the items for sequential tunnelling. – Tunnelling items: In principle, the tunnelling class matrix according to ÖNORM was used. In the first reference number, a tunnel section was defined for each rock mass type, a procedure recommended by the authors. For each tunnel section, there are six support measures classes.

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– Variante (b): eine Position für die Lohnkosten der Vortriebsmannschaft je Zeiteinheit und je Vortriebsabschnitt. Zusätzlich ist in diesem Fall für jede VKL eine Position für den nicht zeitgebundenen Anteil Sonstiges vorzusehen Von den Auftraggebern wird bevorzugt Variante (b) ausgeschrieben, weil diese Vertragsanpassungen Vorteile erleichtert.

2.1.5 Abweichung geotechnischer Parameter Für Preisanpassungen in Folge abweichender geologischgeotechnischer Parameter wie höhere Gesteinsfestigkeit, Zerlegungsgrad oder Lagerungsverhältnisse enthält die ÖNORM keine Regelungen. Es wird lediglich postuliert, dass bei Mixed-face-Bedingungen, Blockigkeit, Verspannproblemen oder Ähnlichem projektspezifische Regelungen vorzusehen sind, allerdings nur, wenn diese Erschwernisse eindeutig beschreibbar und damit auch kalkulierbar sind. Für hohen Verschleiß bei extrem abrasivem Gestein – Cerchar-Abrasivitätsindex > 4,0 – bzw. Überschreiten der vertraglichen Bandbreiten der verschleißrelevanten Parameter können Erschwernispositionen vorgesehen werden, die den erhöhten Verschleiß der Bohrwerkzeuge und die daraus folgende Leistungsminderung erfassen.

2.2 Standard-Leistungsbeschreibung In Österreich gibt es bisher nur eine Standard-Leistungsbeschreibung nur für Tunnelbau mit zyklischem Vortrieb (LB-VI) [3]. Ein akkordiertes und von den zuständigen Stellen freigegebenes Standard-LV für Tunnelbau mit kontinuierlichem Vortrieb gibt es bisher noch nicht. Von einer kleinen Gruppe wurde 2006 ein Kurztext-LV als Basis für eine Musterkalkulation für TVM-Vortriebe erarbeitet [4]. Obwohl in diesem Entwurf die Vorgaben der ÖNORM hinsichtlich der Positionsgliederung weitgehend umgesetzt wurden und das LV analog zur Standard-LB für zyklische Vortriebe strukturiert wurde, fand dieses Werk keine über den Kreis der Bezieher der Musterkalkulation hinausgehende Verbreitung.

2.3 Vertragsgestaltung bei Projekten 2.3.1 Projekt A Randbedingungen – Bohrdurchmesser 7,00 m, Länge 3,5 km – Geologische Verhältnisse: überwiegend Kalkglimmerschiefer – Vortrieb mit TBM-O und konventionellen Stützmitteln Grundlegende Bestimmungen – Grundsätzlich gelten die Bestimmungen der ON B 2203-2. – Mindestanforderungen an die Vortriebsausrüstung wurden definiert. Aufbau des LV – Baustellengemeinkosten: Die Vorgaben der ON B 2203-2 hinsichtlich eigener Positionen für das Beistellen und Vorhalten der Vortriebseinrichtung wurden in der Ausschreibung nicht berück-

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Geotechnical parameters The average values for UCS and CAI are listed in the rock mass type tables. Only for one rock mass type, the calcareous mica schist predominant in the powerhouse cavern, were ranges and standard deviations introduced. The expected radial deformations of the unsupported cavity were given for all rock mass types. Variations from the ÖNORM There are no rules for price variations to cover variations of geological conditions, especially variations of the rock mechanical parameters UCS and CAI from the forecast.

2.3.2 Project B Local conditions – Bored diameter 11.92 m, Length 6.6 km – Geological conditions: Mittelländische Molasse zone (conglomerate, sandstone, marl sandstone, marl and clay marl) – Tunnelling with TBM-S and temporary support with segments Basic provisions – The provisions of ON B 2203-2 apply generally – The basis for the legal contract conditions is the ON B 2118 [6]

sichtigt. Die Unterteilung der Baustellengemeinkosten gemäß ON B 2061 [5] in einmalige Kosten, zeitgebundene Kosten und Gerätekosten wurde analog zu den Positionen des zyklischen Vortriebs vorgenommen. – Vortriebspositionen: Im Prinzip wurde die Vortriebsklassenmatrix gemäß ÖNORM verwendet. In der ersten Ordnungsgruppe wurde je Gebirgsart ein Vortriebsabschnitt definiert, eine Vorgangsweise, die auch von den Autoren empfohlen wird. Für jeden Vortriebsabschnitt gibt es sechs Stützmittelklassen. Geotechnische Kennwerte Die Mittelwerte für UCS und CAI sind in den Gebirgsartentabellen aufgeführt. Nur für eine einzige Gebirgsart, den in der Krafthauskaverne dominierenden Kalkglimmerschiefer, wurden Bandbreiten und Standardabweichung angeführt. Für alle Gebirgsarten wurden die für den ungestützten Hohlraum erwarteten Radialverformungen angegeben. Abweichungen von der ÖNORM Es gibt keine Regeln für Preisanpassung bei abweichenden geologischen Verhältnissen, insbesondere Abweichungen der felsmechanischen Parameter UCS und CAI von der Prognose.

2.3.2 Projekt B Structure of the bill – Site overheads: One-off costs according to ON B 2061 Time-related site overheads and site machinery costs according to ON B 2118 with reference to ON B 2061 – Tunnelling items: The tunnelling class matrix according to ÖNORM was not used. The tunnel was divided into six tunnel sections. For each section, there is an item for sundries (consumables, repair and wear, other). The wage costs of the tunnelling crew are tendered uniformly for the entire tunnel length. Geotechnical parameters The parameters decisive for penetration – UCS, spacing of the significant jointing surfaces and swelling potential – were listed in a table and divided into categories. The jointing layout is not given explicitly, but can be taken from the longitudinal sections. In addition, all results from the laboratory tests performed on core samples and parameters from projects in comparable geological conditions are included in the tender documents. The CAI values of the tested samples are also given. Variations No provision for price variations for variant geological conditions, particularly for differences of the rock mechanical parameters UCS and CAI from the forecast values.

2.3.3 Project C Local conditions – Bored diameter 9,90 m, length 2 × 17 km – Geological conditions: crystalline (paragneiss, amphibolite, orthogneiss)

Randbedingungen – Bohrdurchmesser 11,92 m, Länge 6,6 km – Geologische Verhältnisse: Mittelländische Molassezone (Konglomerate, Sandsteine, Mergelsandsteine, Mergel und Tonmergel) – Vortrieb mit TBM-S und Vorauskleidung mit Tübbingen Grundlegende Bestimmungen – Grundsätzlich gelten die Bestimmungen der ON B 2203-2 – Grundlage für die rechtlichen Vertragsbestimmungen ist die ON B 2118 [6] Aufbau des LV – Baustellengemeinkosten: Einmalige Kosten gemäß ON B 2061 ZGBK der Baustelle und Gerätekosten der Baustelle gemäß ON B 2118 mit Verweis auf ON B 2061 – Vortriebspositionen: Die Vortriebsklassenmatrix gemäß ÖNORM wurde nicht angewendet. Der Tunnel wurde in sechs Vortriebsabschnitte unterteilt. Je Abschnitt gibt es eine Position für Sonstiges (Betriebsstoffe, Reparatur und Verschleiß, Diverses). Die Lohnkosten der Vortriebsmannschaft wurden für die gesamte Tunnellänge einheitlich ausgeschrieben. Geotechnische Kennwerte Die für die Penetration maßgeblichen Parameter – UCS, Abstand der maßgeblichen Trennflächen und Quellpotenzial – wurden tabellarisch zusammengefasst und in Kategorien unterteilt. Die Gefügestellung ist nicht explizit angegeben, kann aber aus dem Längenschnitt entnommen werden. Darüber hinaus sind in den Ausschreibungsunter-

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– Tunnelling with TBM-S or DS and temporary support with segments. In some sections, single-layer lining with segments. Basic provisions – The provisions of ON B 2203-2 apply generally – Minimum requirements are defined for the tunnelling equipment – In the technical contract conditions for TBM tunnelling, the high abrasivity and the resulting wear effects on the excavation tools are expressly pointed out.

lagen sämtliche Ergebnisse der an Bohrkernen durchgeführten Laborprüfungen sowie Kennwerte von Projekten in vergleichbarer Geologie enthalten. Die CAI-Werte der untersuchten Proben wurden ebenfalls angegeben. Abweichungen Keine Regelung für Preisanpassung bei abweichenden geologischen Verhältnissen, insbesondere bei Abweichungen der felsmechanischen Parameter UCS und CAI von den prognostizierten Werten.

2.3.3 Projekt C Structure of the bill – Site overheads One-off costs according to ON B 2118 with reference to ON B 2061 Time-related site overheads according to ON B 2118 with reference to ON B 2061 Site machinery costs according to ON B 2118 with reference to ON B 2061 – Tunnelling items The tunnel sections to be driven continuously were divided into tunnel sections (first reference number). Fault zones have their own tunnel section. The borders of the tunnel sections take into account the construction relevance of the geological, hydrogeological and geotechnical conditions. No method-specific performance-related criteria for the definition of tunnelling classes dependent on the tunnelling system, e.g. different operating modes of the TBM-DS, are used. There is therefore no second reference number. For each tunnel section, there are bill items with CAI value ≤ 4.0 and > 4.0. Additionally there are bill items for tunnelling in fault zones with the installation of special segments independent of the CAI value. The unit prices in the higher wear reference number apply up to a CAI value of 6.0. Geotechnical parameters The contractually relevant compression strength values parallel and at a right angle to the cleavage are specified with a uniform value for the entire length of the tunnel. If this contract value is exceeded, there are graduated extra prices. The payment positions are not differentiated according to wear classes. Rock samples The taking of rock samples for the determination of the actual geotechnical values is regulated in detail, as are the formation of the average value and the performance of the tests. The relevant length of applicability of each sampletaking position is also defined exactly. In the contract, there is a standard curve for the conversion of the uniaxial compression strength depending on the orientation to the cleavage. The dimensions of the samples are also defined. Payment The intended payment items are paid separately when the relevant parameter (UCS or CAI) is exceeded. Combination (aggregation) of effects is not provided. There is only a claim for payment of extra costs resulting from increased uniaxial compression strength

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Randbedingungen – Bohrdurchmesser 9,90 m, Länge 2 × 17 km – Geologische Verhältnisse: Kristallin (Paragneise, Amphibolite, Orthogneise) – Vortrieb mit TBM-S oder DS und Vorauskleidung mit Tübbingen. Abschnittsweise einschalige Auskleidung mit Tübbingen. Grundlegende Bestimmungen – Grundsätzlich gelten die Bestimmungen der ON B 2203-2 – Mindestanforderung an die Vortriebseinrichtungen definiert – In den technischen Vertragsbestimmungen für TVMVortrieb wird ausdrücklich auf die hohe Abrasivität und die sich daraus ergebenden Verschleißeffekte an den Schneidwerkzeugen hingewiesen. Aufbau des LV – Baustellengemeinkosten Einmalige Kosten gemäß ON B 2118 mit Verweis auf ON B 2061 ZGBK der Baustelle gemäß ON B 2118 mit Verweis auf ON B 2061 Gerätekosten der Baustelle gemäß ON B 2118 mit Verweis auf ON B 2061 – Vortriebspositionen Die in kontinuierlichem Vortrieb aufzufahrenden Tunnelstrecken wurden in Vortriebsabschnitte (erste Ordnungsgruppe) unterteilt. Störungszonen stellen eigene Vortriebsabschnitte dar. Die Abgrenzung der Vortriebsabschnitte berücksichtigt die bautechnische Relevanz der geologischen, hydrogeologischen und geotechnischen Gegebenheiten. Für die Definition der Vortriebsklassen wurden keine methodenspezifische leistungsbestimmenden Kriterien, die vom Vortriebssystem abhängig sind, z.B. verschiedene Betriebsmodi bei TBM-DS, verwendet. Es gibt daher keine zweite Ordnungsgruppe. Für jeden Vortriebsabschnitt gibt es Leistungspositionen mit CAI-Wert ≤ 4,0 und > 4,0. Außerdem gibt es Leistungspositionen für Vortrieb in Störzonen mit Einbau von Spezialtübbingen unabhängig vom CAI-Wert. Die Einheitspreise in der höheren Verschleißklasse gelten bis zu einem CAI-Wert von 6,0. Geotechnische Kennwerte Für den gesamten Vortriebsbereich wurde die vertraglich relevante einachsiale Druckfestigkeit parallel und senkrecht zur Schieferung mit einem einheitlichen Wert festgelegt. Bei Überschreiten dieses Vertragswerts gibt es gestaf-

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when the compression strength exceeds the contract specification values. Variations of other parameters like fracture or destruction energy, splitting strength, spacing of significant jointing interfaces, joint orientation, degree of jointing or primary stress condition are not taken into account.

2.4 Commentary about ÖNORM and tendering practice 2.4.1 Tunnelling class matrix For the assignment of the first reference number, the standard permits various aspects to be considered. The excavation behaviour takes first place in the standard, with the rock mass behaviour in second place. The division of the tunnel into tunnel sections is also intended to limit the effects of any local variations. In the opinion of the authors, the first reference number should only consider the excavation behaviour for tunnel drives in hard rock (UCS ≥ 60 MPa). The simultaneous consideration of rock mass behaviour is inappropriate, if only because rock mass and excavation behaviour only correlate to a limited extent. With a TBM-O, the rock mass behaviour influences the classification through the support measures number, and with a TBM-S/DS through other characteristics like the type of segment or operating mode. In rock mass types with predominantly ductile rocks, it is not normally the excavation behaviour that is decisive for the advance rate, at least for tunnels with diameter > 9.0 m. In such rock mass types, the rock mass behaviour has a decisive influence on the advance rate. The division into tunnel sections should therefore consider this aspect. For the driving of deep tunnels in ductile rock mass, the deformation behaviour is the decisive factor in the selection of a tunnelling method or TBM type [7].

2.4.2 Tunnel sections A complication can arise when the tunnel sections are specified so that more than one type of rock mass occurs in one section. The penetration can only be unambiguously calculated from the rock mass type, and the same applies to disc cutter wear. The creation of tunnel sections, in which more than one rock mass type occurs, forces the bidder to estimate average values and mixed prices. Mixed prices, however, regularly lead to problems with the variation of unit prices. This could be avoided if the tunnel sections were defined as rock mass types.

2.4.3 Geotechnical parameters In the tender, there should be an overview page for each rock mass type containing a specific heading with all the important geological and geotechnical data that are important for the evaluation of excavation behaviour. Clearly defined average values (UCS, CAI) with a statement of minimum and maximum values and the standard deviation should be given as a contractual basis for the calculation of penetration and wear. This would provide an unambiguous basis for the calculation of variations of advance rate and disc wear in case of variation of the geotechnical parameters. In addition to the average values,

felte Aufpreise. Bei den Aufzahlungspositionen wird nicht nach Verschleißklassen unterschieden. Gesteinsproben Die Entnahme der Proben zur Bestimmung der geotechnischen IST-Werte ist detailliert geregelt, ebenso die Mittelwertbildung und die Versuchsdurchführung. Auch die Einflusslänge der jeweiligen Probenentnahmestellen ist genau definiert. Im Vertrag ist auch eine Normkurve zur Umrechnung der einachsialen Druckfestigkeit in Abhängigkeit von der Orientierung zur Schieferung enthalten. Darüber hinaus sind die Abmessungen der Proben definiert. Vergütung Die vorgesehenen Aufzahlungspositionen werden bei einer Überschreitung des jeweils betroffenen Parameters (UCS bzw. CAI) getrennt vergütet. Eine Überlagerung (Aggregierung) der Auswirkungen ist nicht vorgesehen. Ein Anspruch auf Vergütung der Mehrkosten infolge höherer einachsialer Druckfestigkeit entsteht nur dann, wenn die Druckfestigkeit den vertraglich festgelegten Wert überschreitet. Abweichungen anderer Parameter wie Bruch- oder Zerstörungsenergie, Spaltzugfestigkeit, Abstand der maßgeblichen Trennflächen, Gefügestellung, Zerlegungsgrad oder Primärspannungszustand werden nicht berücksichtigt.

2.4 Kommentar zur ÖNORM und zur Ausschreibungspraxis 2.4.1 Vortriebsklassenmatrix Bei der Zuordnung zur ersten Ordnungsgruppe können laut Norm unterschiedliche Aspekte im Vordergrund stehen. An erster Stelle steht in der Norm das Löseverhalten, an zweiter Stelle das Gebirgsverhalten. Die Gliederung des Tunnels in Vortriebsabschnitte soll zudem die Auswirkungen allfälliger örtlicher Abweichungen eingrenzen. Nach Meinung der Autoren sollte bei Vortrieben im Hartgestein (UCS ≥ 60 MPa) die erste Ordnungsgruppe ausschließlich das Löseverhalten berücksichtigen. Die gleichzeitige Berücksichtigung des Gebirgsverhaltens ist schon deshalb nicht sinnvoll, weil Gebirgs- und Löseverhalten nur bedingt korrelieren. Das Gebirgsverhalten fließt bei TBM-O über die Stützmittelzahl, bei TBM-S/DS über andere Charakteristika wie Tübbingtyp oder Betriebsmodus, in die Klassifizierung ein. In Gebirgsarten mit überwiegend duktilen Gesteinen ist meistens nicht das Löseverhalten für die Vortriebsgeschwindigkeit entscheidend, zumindest nicht in Tunneln mit Durchmesser > 9,0 m. In solchen Gebirgsarten ist das Gebirgsverhalten von entscheidendem Einfluss auf die Vortriebsgeschwindigkeit. Die Einteilung in Vortriebsabschnitte sollte deshalb unter diesem Aspekt erfolgen. Beim Vortrieb tiefliegender Tunnel mit TBM in duktilem Gebirge ist das Deformationsverhalten der entscheidende Faktor für die Wahl des Vortriebsverfahrens bzw. des TBM-Typs [7].

2.4.2 Vortriebsabschnitte Eine Komplikation kann entstehen, wenn die Vortriebsabschnitte so festgelegt werden, dass in einem Abschnitt

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the extreme values of UCS and CAI should also be given; these can be used for the mechanical sizing of the tunnelling machinery.

3 Switzerland 3.1 Standard conditions of contract 3.1.1 Content The SIA standard 198 “General Conditions for Underground Construction Work” [2] belongs to the series of standards covering contract conditions in construction and includes additions to the standard SIA 118 “General Conditions for Construction Work” [8]. It includes detailed regulations for contracts in underground construction. The current version from 2007 has been revised from many predecessors – the last from 1991. SIA 198 covers conventional and mechanised tunnel drives in one common standard.

3.1.2 Tunnelling classes As described in [3], tunnel construction contracts should primarily regulate the payment for excavation and support, overbreak, obstructions and exceptional events. These points are all dealt with – in addition to many others – in the Swiss underground construction standard. The classification of items for TBM tunnelling in rock can be seen in Table 4. In order to enable estimation for the correct reasons and fair payment to cover expenses, the excavation items are arranged in matrix according to support and tunnelling classes (Table 5). The support classes are described in Table 6. Generally, the standards in Switzerland, just like those in Austria, offer instruments for the division of the rock mass into categories, which is intended to enable fair estimation and payment for the expenses incurred. They therefore mainly consider construction operational aspects like the cuttability and the effect on progress of support installation, but not geological-geotechnical parameters or derived values like RQD or RMR. For each category (matrix cell), the advance rate and the excavation price are to be quoted by the bidders. One Swiss speciality is the determination of the tunnelling class through test strokes, with the penetration being measured and used to derive the tunnelling class. When no other agreement has been reached, this method is applicable as the agreed standard. The SIA standard provides no categorisation into wear classes, although in extremely abrasive rock, an additional payment (extra price item) can be provided for increased tool wear.

3.2 Standard bill of quantities with specification details In Switzerland, there has been a standard bill of quantities for underground construction for many years, called the standard item catalogue (Norm-Positions-Katalog NPK), which is generally accepted and used almost universally. The layout is described below through a project example.

3.3 Contract organisation for Project D Local conditions – Bored diameter 9.90 m, length 2 × 6.1 km – Geology: crystalline (diverse types of gneiss)

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mehrere Gebirgsarten vorkommen. Die Penetration lässt sich nämlich nur auf Basis der Gebirgsarten eindeutig berechnen. Dasselbe gilt hinsichtlich des Meißelverschleißes. Die Schaffung von Vortriebsabschnitten, in denen mehrere Gebirgsarten vorkommen, zwingt die Bieter zur Bildung von Mittelwerten und Mischpreisen. Mischpreise führen bei der Ermittlung geänderter Einheitspreise aber regelmäßig zu Problemen. Diese könnten vermieden werden, wenn die Vortriebsabschnitte als Gebirgsarten definiert würden.

2.4.3 Geotechnische Kennwerte In die Ausschreibung sollte für jede Gebirgsart ein Übersichtsblatt aufgenommen werden, das in einer eigenen Rubrik alle für die Beurteilung des Löseverhaltens wichtigen geologischen und geotechnischen Daten enthält. Als vertragliche Basis für die Berechnung von Penetration und Verschleiß sollten eindeutig definierte Mittelwerte (UCS, CAI) mit Angabe von Minima und Maxima sowie der Standardabweichung angegeben werden. Damit wäre bei Abweichungen der geotechnischen Parameter eine eindeutige Basis für die Berechnung der geänderten Vortriebsgeschwindigkeit und des Meißelverschleißes gegeben. Neben den Mittelwerten sollten die Extremwerte für UCS und CAI angegeben werden, auf welche die Vortriebseinrichtung maschinentechnisch zu dimensionieren ist.

3 Schweiz 3.1 Werkvertragsnorm 3.1.1 Inhalt Die SIA-Norm 198 „Allgemeine Bedingungen für Untertagebau“ [2] gehört zur Normenreihe Allgemeine Bedingungen Bau und enthält Ergänzungen zur Norm SIA 118 „Allgemeine Bedingungen für Bauarbeiten“ [8]. Sie beinhaltet detaillierte Regelungen für Werkverträge im Untertagebau. Die aktuelle Fassung von 2007 baut auf mehreren Vorläufer-Versionen – die letzte von 1991 – auf. Die SIA 198 behandelt konventionelle und maschinelle Vortriebe in einem gemeinsamen Regelwerk.

3.1.2 Vortriebsklassen Wie in [3] ausgeführt sollten Tunnelbauverträge hauptsächlich die Vergütung von Ausbruch und Sicherung, Mehrausbruch, Erschwernissen und außergewöhnlichen Ereignissen regeln. Diese Punkte sind – neben vielen anderen – auch in der Schweizer Untertagebau-Norm prioritär geregelt. Die Positionsgliederung für TBM-Vortriebe im Fels ist aus Tabelle 4 ersichtlich. Um eine ursachengerechte Kalkulation und damit auch eine aufwandsgerechte Vergütung zu ermöglichen, werden die Ausbruchpositionen nach Sicherungs- und Bohrklassen in einer Matrix angeordnet (Tabelle 5). Die Sicherungsklassen sind in Tabelle 6 beschrieben. Grundsätzlich bieten in der Schweiz ebenso wie in Österreich die Untertagebau-Normen Instrumente zur Einteilung des Gebirges in Kategorien, die eine aufwandsgerechte Kalkulation und Vergütung ermöglichen sollen. Sie berücksichtigen deshalb hauptsächlich baubetriebliche Aspekte wie die Bohrbarkeit und die Beeinflussung

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Table 4. Overview of the structure of the excavation items, from [2] Tabelle 4. Übersicht über die Gliederung der Ausbruchpositionen nach [2] Rock Fels Tunnelling method Vortriebsverfahren Type of excavation Ausbruchart Support class SK Sicherungsklasse SK Excavation class Abbaubarkeit

Loose ground Lockergestein

Drill & blast in rock SPV

TBM TBM

TBM in rock MUF

TBM in soft ground MUL

Shield machine SM

A, B, C, D, E

A to E

1, 2, 3, 4, 5

1, 2, 3, 4, 5, T

1, 2, 3, 4, 5

–

Tunnelling class Bohrklasse X, Y; Z

Tunnelling class Abbauklasse X, Y, Z

–

Tunnelling class Abbauklasse X, Y, Z

Face Inclination Brustneigung

I, n

Face support Bruststützung Auxiliary construction measures Bauhilfsmaßnahme Example of the labelling of the excavation items Beispiele für die Kennzeichnung der Ausbruchpositionen

a, b, c

Measure Δ Maßnahme Δ

possible evtl.

A 3X

I––

X–

B 2Y

n, b, Δ

C 4Z

Table 5. Tunnel boring machine – tunnel in rock (TBM); classification of the excavation items, from [2] Tabelle 5. Tunnelbohrmaschinen –Vortrieb im Fels (TBM); Gliederung der Ausbruchspositionen nach [2] Support class SK Sicherungsklasse SK

a, b, c

Tunnelling class Bohrklasse X

SK 1

SK 2

SK 3

SK 4

SK 5

SK T

– Tunnelling with TBM-O and conventional support measures Basic provisions – The standards SIA 118 and SIA 198 (1993) apply generally. Structure of bill – Site overhead costs: Lump sum items for delivery, assembly, maintenance and dismantling of the TBM – Tunnelling items: Five tunnelling classes (V, W, X, Y, Z) and five excavation classes (TBM I to V) are differentiated. The determination of tunnelling classes (penetration) is performed

des Vortriebs durch den Stützmitteleinbau und nicht geologisch-geotechnische Kennwerte oder abgeleitete Größen wie RQD oder RMR. Für jede Kategorie (Matrix-Kästchen) sind von den Anbietern die Vortriebsgeschwindigkeit und der Ausbruchpreis anzugeben. Eine Schweizer Besonderheit stellt die Bestimmung der Bohrklasse durch Testhübe dar, bei denen die Penetration gemessen und dadurch die Bohrklasse bestimmt wird. Wenn keine andere Vereinbarung getroffen wurde, gilt diese Methode als vereinbarter Standard. Die SIA-Norm sieht keine Einteilung in Verschleißklassen vor. Bei extrem abrasivem Gestein kann jedoch eine zusätzliche Vergütung (Aufpreisposition) für erhöhten Werkzeugverschleiß vorgesehen werden.

3.2 Standard-Leistungsbeschreibung In der Schweiz gibt es seit vielen Jahren eine StandardLeistungsbeschreibung für Untertagebau, den so genannten Norm-Positions-Katalog (NPK), der generell akzeptiert ist und praktisch flächendeckend angewendet wird. Der Aufbau wird im Folgenden beispielhaft anhand eines Projekts beschrieben.

3.3 Vertragsgestaltung beim Projekt D Randbedingungen – Bohrdurchmesser 9,90 m, Länge 2 × 6,1 km – Geologie: Kristallin (diverse Gneise) – Vortrieb mit TBM-O und konventionellen Stützmitteln Grundlegende Bestimmungen – Grundsätzlich gelten die Normen SIA 118 und SIA 198 (1993).

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Table 6. Support classes for tunnels and shafts (TBM), from [2]; the temporary support in the backward area L3 is insignificant for the classification of support class Tabelle 6. Sicherungsklassen für Tunnel und Schächte (TBM) nach [2]; die Ausbruchssicherung im rückwärtigen Bereich L3 ist für die Sicherungsklasseneinteilung unerheblich Machine area L1 Maschinenbereich L1

Backup area L2 Nachläuferbereich L2

SK 1

– Head protection may be required according to EKAS guideline 6514 – Eventuell Kopfschutz nach EKAS-Richtlinie 6514

– Net fixed with anchors or bolts, or similar measures – Netz mit Ankern oder Bolzen befestigt oder gleichwertige Maßnahmen – Invert segments, if specified, to be provided for all support classes – Sohltübbinge, falls im Projekt für alle Sicherungsklassen vorgesehen

SK 2

– Net covering ≤ 1/3 of the perimeter and fixed with ≤ 0.4 anchors and/or bolts per m2 – Netz auf ≤ 1/3 des Kreisumfangs mit ≤ 0,4 Ankern und/oder Bolzen pro m2 befestigt

– 0.4 anchors per m2 with partial arches round > 1/4 of the perimeter – 0,4 Anker pro m2 mit Teilbögen auf > 1/4 des Kreisumfangs – Net and shotcrete or shotcrete with fibre reinforcement ≤ 1/2 of the perimeter – Netz und Spritzbeton oder Spritzbeton mit Faserbewehrung auf ≤ 1/2 des Kreisumfangs

SK 3

– Net covering > 1/3 of the perimeter and fixed with > 0.4 anchors and/or bolts per m2 – Netz auf > 1/3 des Kreisumfangs mit > 0,4 Ankern und/oder Bolzen pro m2 befestigt – Partial arches round ≤ 3/4 of the perimeter1 – Teilbögen auf ≤ 3/4 des Kreisumfangs1

– Net with > 0.4 anchors per m2 and shotcrete or shotcrete with fibre reinforcement round entire perimeter except invert – Netz mit > 0,4 Anker pro m2 und Spritzbeton oder Spritzbeton mit Faserbewehrung auf dem gesamten Kreisumfang exkl. Sohle – Partial arches round ≤ 3/4 of the perimeter1 – Teilbögen auf ≤ 3/4 des Kreisumfangs2

SK 4

– Closed steel inserts with net or isolated lagging plates – Geschlossener Stahleinbau mit Netz oder einzelnen Verzugsblechen1 – Lattice beams on partial arches round ≥ 3/4 of the perimeter with nets and anchors – Gitterträger auf Teilbögen auf ≥ 3/4 des Kreisumfangs mit Netzen und Ankern1 – Shotcrete as sealing round > 1/4 of the perimeter – Spritzbeton als Versiegelung auf > 1/4 des Kreisumfangs – Pressure-distributing elements by the lagging boards – Druckverteilende Elemente im Bereich der Verspannplatten

– Invert support with sprayed or poured concrete, if no invert segments are intended – Sohlensicherung mit Spritz- oder Ortbeton, falls keine Sohltübbinge vorgesehen sind – Closed steel inserts, poss supported on invert segment2 – Geschlossener Stahleinbau evtl. auf Sohltübbing abgestützt2 – Lattice beam round ≥ 3/4 of the perimeter with net and anchors2 – Gitterträger auf ≥ 3/4 des Kreisumfangs mit Netz und Ankern2

SK 5

– – – –

– Not applicable – Nicht Maßgebend

SK T

– Closed segment lining – Geschlossener Tübbingausbau

1 2

Closed steel inserts with lagging Geschlossener Stahleinbau mit Verzug Full-area steel elements Vollflächige Stahlelemente

for tunnel diameters > 6 m / bei Tunneldurchmesser > 6 m for tunnel diameters ≤ 6 m / bei Tunneldurchmesser ≤ 6 m

with a test stroke. Wear is included up to CAI 4.0. For CAI values > 4.0, additional items (graded from 4.0 to 4.5 and 4.5 to 5.0) are to be provided. The type and quantity of support measures for the excavation classes were specified for the specific project based on SIA 198. – Commentary: All in all, a tender that is mostly in accordance with the standard with a fair distribution of risks. However, an alternative proposal mostly based on fixed prices was actually awarded the contract. Geotechnical parameters The results of all laboratory tests on drill cores are given in the geotechnical report. The tests performed were UCS

– Not applicable – Nicht maßgebend

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Aufbau LV – Baustellengemeinkosten: Pauschalpositionen für Antransport, Montage, Vorhalten und Demontage der TBM – Vortriebspositionen: Es werden fünf Bohrklassen (V, W, X, Y, Z) und fünf Ausbruchklassen (TBM I bis V) unterschieden. Die Bestimmung der Bohrklassen (Penetration) erfolgt durch Testhübe. Verschleiß bis CAI 4,0 ist einzurechnen. Bei CAI-Werten > 4,0 sind Zuschlagspositionen (gestaffelt von 4,0 bis 4,5 und 4,5 bis 5,0) vorgesehen. Art und Menge der Stützmittel für die Ausbruchklassen wurden in Anlehnung an die SIA 198 projektspezifisch festgelegt.

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(the results of the laboratory tests standardised with regard to diameter, height and angle), σz and CAI. No average values or contractually binding values were given. The bedding conditions and the jointing structure are not, as is usual in Austria, displayed as hemisphere diagrams but as block diagrams. The geotechnical report contains an exact description of the abrasivity with a statement of ranges. Variations In the contract, there are no provisions for price variations for variable geology, especially for variations of the rock mechanical parameters UCS and CAI from the forecast values.

4 Comparison Austria – Switzerland Comparing the standards for underground construction of Austria and Switzerland, there is indeed general agreement in essential points, but there are grave differences in the handling of details. These are mainly the result of the historical differences and the different horizon of experience, but also the pragmatic procedure determined through experience of the authors of the Swiss standards. Many aspects, which proved successful in mechanised tunnelling in Switzerland in the 1970s and 1980s, e.g. the determination of the penetration with a test stroke, have been retained in the new revision of 2007. In Austria, the starting point was quite different, with the ÖNORM for conventional tunnelling being taken as the foundation. The newly created standard for mechanised tunnelling has been closely based on the standard produced some years earlier for conventional tunnels. Neither of the two standards contains unambiguous provisions stating how price variations in the event of geological variations, particularly in case of differences of the rock mechanical parameters UCS and CAI from the forecast values, are to be dealt with. The usual practice in Switzerland of tendering tunnelling classes, each of which covers a defined range of penetration, e.g. from 6 to 8 mm per revolution determined through a test stroke, defuses the conflict potential regarding cuttability. In the Swiss model, the client accepts most of the risk regarding the cuttability of the rock. For the contractor, this model can have a disadvantage under certain circumstances – depending on the conditions prevailing for the test stroke – as the advantages of a machine, which is capable of better performance than tendered and can be used to achieve better performance due to its technological superiority, will mainly profit the client because the rock mass will be categorised into a more favourable tunnelling class with lower unit prices.

5 New developments and perspectives One attempt to defuse the conflict potential that usually results from contract and price variations in case of geological variations could be a model currently being developed in Innsbruck. At the suggestion of K. Mitteregger (construction manager for the Tiroler Wasserkraft AG, Innsbruck), the Innsbruck consultant SSP BauConsult Ingenieurbüro für Baubetrieb und Bauwirtschaft has devel-

– Kommentar: Summa summarum eine weitgehend normgemäße Ausschreibung mit fairer Risikoverteilung. Beauftragt wurde allerdings ein Alternativangebot, das auf einer weitgehenden Pauschalierung beruht. Geotechnische Kennwerte Die Ergebnisse sämtlicher Laborprüfungen an Bohrkernen sind im geotechnischen Bericht aufgeführt. Untersucht wurden UCS (Ergebnisse der Laborprüfungen normiert bezüglich Durchmesser, Höhe und Winkel), σz und CAI. Mittelwerte und vertraglich verbindliche Werte wurden nicht angegeben. Die Lagerungsverhältnisse und das Trennflächengefüge sind nicht wie in Österreich üblich mittels Lagenhalbkugel sondern durch Blockdiagramme dargestellt. Der geotechnische Bericht enthält eine genaue Beschreibung der Abrasivität mit Angabe der Bandbreiten. Abweichungen Im Vertrag sind keine Regelungen für Preisanpassung bei abweichender Geologie, insbesondere bei Abweichungen der felsmechanischen Parameter UCS und CAI von den prognostizierten Werten enthalten.

4 Vergleich Österreich – Schweiz Beim Vergleich der Untertagebaunormen für TVM-Vortriebe zwischen Österreich und der Schweiz ist zwar eine grundsätzliche Übereinstimmung in wesentlichen Punkten festzustellen, in der Ausformung der Details gibt es jedoch gravierende Unterschiede. Diese sind hauptsächlich auf die unterschiedliche Historie und den unterschiedlichen Erfahrungshorizont zurückzuführen, aber auch auf die pragmatische, durch Erfahrung bestimmte Herangehensweise der Schweizer Normenmacher. Vieles, was sich in der Schweiz bei den maschinellen Vortrieben der 1970er und 1980er-Jahre bewährt hat, z. B. die Bestimmung der Penetration durch Testhübe, wurde bei der Neufassung 2007 beibehalten. In Österreich war die Ausgangssituation eine andere. Hier war die ÖNORM für konventionellen Vortrieb als Ausgangsbasis vorgegeben. Die neu geschaffene Norm für maschinelle Vortriebe wurde eng an die einige Jahre früher erarbeitete Norm für konventionellen Vortrieb angelehnt. Eindeutige Regelungen dafür, wie Preisanpassungen bei abweichender Geologie, insbesondere bei Abweichung der felsmechanischen Parameter UCS und CAI von den prognostizierten Werten durchzuführen sind, enthält keine der beiden Normen. Bei der in der Schweiz üblichen Praxis der Ausschreibung von Bohrklassen, von denen jede einen bestimmten Bereich der Penetration, z.B. von 6 bis 8 mm pro Umdrehung, abdeckt und die durch Testhübe bestimmt werden, ist das Konfliktpotenzial in punkto Bohrbarkeit entschärft. Der Auftraggeber übernimmt beim Schweizer Modell hinsichtlich der Lösbarkeit des Gesteins einen Großteil des Risikos. Für den Auftragnehmer besteht unter Umständen – abhängig von den für den Testhub vorgegebenen Bedingungen – ein Nachteil dieses Modells darin, dass die Vorteile einer Maschine, die leistungsfähiger ist als ausgeschrieben und mit der aufgrund technologischer Überlegenheit höhere Leistungen erzielt werden können, über

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E. Schneider/M. Spiegl · Contract models for TBM drives in hard rock – codes in Austria and Switzerland and their practical implementation

oped a simply applied model (engineer model), which is intended to unambiguously regulate payment for changed values of penetration, wear and advance rate starting from contractually specified values. The model assumes that the client specifies binding values for penetration, wear and advance rate for each rock type. If during execution one or several geotechnical parameters differ from the prognosis, the difference between the orginal and the adapted value of advance rate will be calculated according to the model. This calculation is first performed in absolute values and then in percent. The same percentage is added to the guaranteed values of the contractor, which is intended to taken upward and downward variations into account. In order that slight variations do not lead to extra or reduced payment, a range is provided, within which the risk of variations remains with the contractor. References [1] ON B 2203-2. ON B 2203-2: Untertagebauarbeiten – Werkvertragsnorm – Teil 2: Kontinuierlicher Vortrieb. Wien: Österreichisches Normungsinstitut, 2005. [2] SIA 198. SIA 198: Allgemeine Bedingungen für Untertagebauarbeiten. Zürich: Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2007. [3] Schneider, E.: The Austrian Tunnelling Contract. Tunnels & Tunnelling International, pp. 37-39, Dec. 2005. [4] Schneider, E., Erlmoser, J. & Fedorcio, M.: Musterkalkulation für TVM-Vortriebe. Felsbau. 25 (2007), No. 6. [5] ON B 2061. ON B 2061: Preisermittlung für Bauleistungen – Verfahrensnorm. Wien Österr. Normungsinstitut, 1999. [6] ON B 2118. ON B 2118: Allgemeine Vertragsbestimmungen für Bauleistungen unter Anwendung des Partnerschaftsmodells, insbesondere Großprojekte – Werkvertragsnorm. Wien: Österr. Normungsinstitut, 2009. [7] Schneider, E. et al.: Innovatives Konzept für den Bau des Brenner Basistunnels. Tunnel, Heft 1/2007, S. 21–33. [8] SIA 118. SIA 118: Allgemeine Bedingungen für Bauarbeiten. Zürich: Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2006.

em. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Eckart Schneider e.schneider@sspbauconsult.at

SSP BauConsult GmbH Technikerstraße 32 6020 Innsbruck Austria

Dipl.-Ing. Dr.techn. Markus Spiegl m.spiegl@sspbauconsult.at

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die Einstufung des Gebirges in günstigere Bohrklassen mit niedrigeren Einheitspreisen zu einem großen Teil dem Auftraggeber zugutekommen.

5 Neue Entwicklungen und Perspektiven Einen Versuch, das Konfliktpotenzial zu entschärfen, das bei Vertrags- bzw. Preisanpassungen in Folge abweichender geologischer Verhältnisse praktisch immer vorhanden ist, könnte ein Modell bieten, das zurzeit in Innsbruck entwickelt wird. Auf Anregung von K. Mitteregger (Leiter Ausführungsmanagement Tiroler Wasserkraft AG, Innsbruck) wurde von dem Innsbrucker Ingenieurbüro SSP BauConsult Ingenieurbüro für Baubetrieb und Bauwirtschaft ein einfach zu handhabendes Modell (Ingenieurmodell) entwickelt, das ausgehend von vertraglich festgelegten Werten die Berechnung der geänderten Werte von Penetration, Verschleiß und Vortriebsgeschwindigkeit eindeutig regeln soll. Das Modell setzt voraus, dass der Auftragnehmer für jede Gesteinsart verbindliche Werte für Penetration, Verschleiß und Vortriebsgeschwindigkeit angibt. Im Falle von Abweichung eines oder mehrerer geotechnischer Parameter wird die Differenz zwischen theoretischem „Soll“ und theoretischem „Sollte“ mittels des im Vertrag verankerten Modells zuerst absolut und dann in Prozenten ermittelt. Mit dem gleichen Prozentsatz werden die garantierten Werte des Auftragnehmers beaufschlagt, wobei Abweichungen nach oben und nach unten berücksichtigt werden sollen. Damit geringfügige Abweichungen nicht zu Mehr- oder Minderkostenforderungen führen, ist eine Bandbreite vorgesehen, innerhalb derer das Risiko von Abweichungen beim Auftragnehmer verbleibt.

Topics Frank Eibl Markus Mähr Dominik Vögele

DOI: 10.1002/geot.201200004

Automated rock strain measurements for the planned pumped storage plant Kühtai using the “TIWAG-Radial Press” Automatisierte Felsdehnungsmessungen mit der Tiwag-Radialpresse für das geplante Speicherkraftwerk Kühtai The principle of the radial press for the design of highly loaded pressure shafts and headrace tunnels has been known since 1954 and has been further developed by Tiwag – Tiroler Wasserkraft AG and used successfully many times on the most varied power station projects. The radial press is a large-scale test apparatus for the determination of the contribution of the rock mass to the lining of pressure tunnels and shafts. A 2 m long section of a circular tunnel is subjected to radially symmetrical loading of up to 100 bar. The radial displacements of the loaded tunnel section are measured with their directional orientation related to the tunnel centreline at many cross-sections and thus deliver direct information about anisotropy and the E and V moduli of the rock mass. The system control and data recording of the Tiwag radial press has now been automated and thus brought up to the latest standards. The measured data is recorded, visualised and archived by special software and remains available for specific evaluation purposes. Both the effectiveness of the test performance and the measurement precision have been improved by this automation and the use of new sensor technology. For the planned Kühtai pumped storage station, the revised and automated radial press was successfully used in spring/summer 2011 at two measurement locations in the Längental exploration tunnel. The radial press in its new form is being used increasingly on all the large design projects of the Tiroler Wasserkraft AG and will thus continue to contribute to the economic design of pressure tunnels and steel linings.

Für die Bemessung hoch beanspruchter Druckschächte und Druckstollen wurde das seit 1954 bekannte Prinzip der Radialpresse von der Tiwag – Tiroler Wasserkraft AG weiterentwickelt und bisher mehrmals erfolgreich für verschiedenste Kraftwerksprojekte eingesetzt. Die Radialpresse ist eine großmaßstäbliche Versuchseinrichtung zur Bestimmung der Gebirgsmitwirkung bei Druckstollen- und Druckschachtauskleidungen, wobei ein 2 m langer Abschnitt eines kreisförmigen Stollens radialsymmetrisch mit bis zu 100 bar belastet wird. Die Radialverformungen der belasteten Stollenstrecke werden bezogen auf die Stollenachse in mehreren Querschnitten richtungsorientiert gemessen und geben damit direkt Auskunft über die Anisotropie und den E- und V-Modul des Gebirges. Die Tiwag-Radialpresse wurde hinsichtlich Systemsteuerung und Datenerfassung automatisiert und auf den neuesten Stand gebracht. Die Messdaten werden in einer speziellen Software vor Ort erfasst, visualisiert und archiviert und stehen in weiterer Folge für spezifische Auswertungszwecke zur Verfügung. Sowohl die Effektivität der Versuchsdurchführung als auch die Messgenauigkeit konnten durch die Automatisierung und durch Verwendung neuer Sensortechnik gesteigert werden. Für das geplante Speicherkraftwerk Kühtai kam die erneuerte und automatisierte Radialpresse im Frühjahr/Sommer 2011 an zwei Messstellen im Sondierstollen Längental erfolgreich zum Einsatz. Die Radialpresse wird in ihrer aktuellen Form bei allen großen Planungsvorhaben der Tiroler Wasserkraft AG verstärkt in Einsatz gebracht und wird so wie bisher auch in Zukunft zu einer wirtschaftlichen Bemessung von Druckschächten und Panzerungen beitragen.

1 Introduction and objective

1 Einleitung und Veranlassung

For economic reasons, it is generally desirable to make use of the structural contribution of the rock mass in the design of the headwater routes of high head hydropower stations. The correct estimation and measurement of the mechanical rock properties enables the cost-optimised provision of steel lining in highly loaded pressure shafts and the construction of prestressed concrete linings of pressure tunnels with increased security against crack formation. The contribution of the rock mass in each case can only be reliably determined from large-scale tests through the rock flexibility. The best methods, although rarely used due to the high cost, are pressure chamber tests or even

Aus wirtschaftlichen Überlegungen ist bei der Bemessung von Triebwasserwegen von Wasserkraftwerken mit großen Druckhöhen die Ausnutzung der Gebirgsmitwirkung grundsätzlich erwünscht. Die richtige Einschätzung und Erfassung der mechanischen Felseigenschaften ermöglicht den kostenoptimierten Einsatz von Stahlpanzerungen in hoch beanspruchten Druckschächten sowie die Herstellung planmäßig vorgespannter Betonauskleidungen von Druckstollen mit erhöhter Sicherheit gegen Rissbildung. Die jeweilige Gebirgsmitwirkung kann zuverlässig nur aufgrund von Großversuchen über die Felsnachgiebigkeit berücksichtigt werden. Dafür am besten geeignet, aber wegen

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Fig. 1. TIWAG radial press at Kaunertal power plant, ca. 1958 Bild 1. TIWAG-Radialpresse im Kaunertalkraftwerk, ca. 1958

the construction of (steel lined) test pressure shafts. In order to avoid the high cost of such rarely used test facilities, an easily transportable radial press was developed by Tiwag for the Kaunertal power plant, which can deliver equally valuable results (Figure 1). The Tiwag radial press was used at over 20 locations on the Kaunertal power plant between 1958 and 1962 and has been used successfully on many other projects, not only for pressure shafts and head race tunnels, but also for the investigation of dam foundations, power station caverns and similar structures. The effective measurement section for the radial press is a 2.5 diameter circular excavated tunnel section 2 m long, with an approx. 15 cm thick shotcrete or in-situ concrete lining. Pressure pads, which are supported against steel rings through timber planking, can apply a loading to the tunnel wall with pressures of up to 100 bar. The resulting deformations of the rock mass are directly measured against a fixed reference axis (central tube) using dial gauges fixed to rock bolts. Creep and plastic deformation of the rock mass can be recorded in longterm tests. The measurement of radial displacements at up to 16 points around the perimeter delivers a very precise picture of the anisotropy of the rock properties. As part of the resumption of major hydropower plant construction, Tiwag will again be using the radial press on the current projects at the Kühtai pumped storage station and the extension of the Kaunertal hydropower scheme. On both projects, the intention is to extend existing facilities with an additional pumped storage station complete with the associated plant components like the new construction of dams, headrace tunnels and power station caverns. In order to make the measurement of rock strains altogether more efficient and safer than before, the Tiwag radial press has been upgraded to the current state of the art and the measurement procedure has been highly automated. The first applications of the automated radial press were

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des großen Aufwands nur selten ausgeführt, sind Druckkammerversuche oder gar die Errichtung von (gepanzerten) Versuchs-Druckschächten. Um den großen Aufwand dieser selten eingesetzten Versuchseinrichtungen zu vermeiden, wurde von der Tiwag für das Kaunertalkraftwerk eine leicht versetzbare Radialpresse entwickelt, die gleichwertige Ergebnisse liefert (Bild 1). Die Tiwag-Radialpresse wurde beim Kaunertalkraftwerk von 1958 bis 1962 an über zwanzig Stellen eingesetzt und ist seither bei vielen anderen Bauvorhaben nicht nur für Druckschächte und stollen, sondern auch zur Untersuchung von Talsperrengründungen, Kraftwerkskavernen und ähnlichen Bauwerken mit Erfolg angewendet worden. Als wirksame Messstrecke für die Radialpresse dient ein mit 2,5 m Durchmesser kreisförmig ausgebrochener Stollenabschnitt, der auf 2 m Länge eine ca. 15 cm starke Spritzbeton- oder Ortbetonauskleidung erhält. Mit Hilfe von Druckkissen, die über Holzbohlen gegen Stahlringe abgestützt sind, kann die Stollenwand mit Drücken bis zu 100 bar beansprucht werden. Die gegenüber einer festen Bezugsachse (Zentralrohr) auftretenden Deformationen des Gebirges werden mittels Messuhren, die an Felsankern befestigt sind, direkt abgelesen. Kriecherscheinungen und plastische Deformationen des Gebirges können durch Langzeitversuche erfasst werden. Die Messung der Radialverschiebungen von bis zu 16 über den Umfang verteilten Punkten vermittelt ein sehr genaues Bild von der Anisotropie der Gebirgseigenschaften. Im Zuge der Wiederaufnahme des Großkraftwerksbaus wird die Tiwag die Radialpresse bei den aktuell geplanten Projekten Speicherkraftwerk Kühtai und Ausbau Kraftwerk Kaunertal erneut einsetzen. Bei beiden Projekten handelt es sich um die Erweiterung bestehender Anlagen durch je ein zusätzliches Pumpspeicherkraftwerk samt zugehörigen Anlagenteilen wie die Neuerrichtung von Talsperren, Triebwasserwegen und Kraftwerkskavernen. Um die bisher praktizierte Durchführung der Felsdehnungsmessungen insgesamt effizienter und sicherer zu gestalten, wurde die Tiwag-Radialpresse auf den aktuellen Stand der Technik gebracht und der Messvorgang weitestgehend automatisiert. Die ersten Einsätze der automatisierten Radialpresse konnte im Frühjahr/Sommer 2011 an zwei Stellen im Sondierstollen Längental für das Projekt Speicherkraftwerk Kühtai erfolgreich abgeschlossen werden. Weitere Einsätze sind im Rahmen der geplanten TiwagGroßprojekte vorgesehen.

2 Messprinzip und Qualitätsanforderungen Zur Messung der radialen Verformungen werden induktive Wegaufnehmer (LVDT – Linear Variable Differential Transformator) verwendet, die einen Messbereich von 2 bis 200 mm bei einer Linearität von 0,2 bis 0,3 % und einer Wiederholgenauigkeit von 1,5 μm aufweisen. Die mechanische Ausführung der Sensoren wurde so gewählt, dass sowohl ein Schutz vor Staub als auch vor Feuchtigkeit gewährleistet wird. Des Weiteren ist der Einsatz in einem beträchtlichen Umgebungstemperaturbereich von –40 °C bis 150 °C möglich. Insgesamt werden bei einer Radialpressenmessung 36 induktive Wegsensoren zeitgleich eingesetzt. An beiden Enden des Zentralrohrs werden jeweils ein Sensor in und

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successfully completed in spring/summer 2011 in the Längental exploration tunnel for the Kühtai pumped storage project. Further applications are intended on other major hydroprojects of the Tiwag.

2 Measurement principle and quality requirements Inductive transformers (LVDT – Linear Variable Differential Transformer), which show a measurement range from 2 to 200 mm with a linearity of 0.2 to 0.3 % and a repetition precision of 1.5 μm, are used for the measurement of the radial displacements. The mechanical design of the sensors was selected to ensure protection from both dust and moisture. They can also be used over an impressive temperature range from – 40 °C to 150 °C. Altogether 36 inductive transformers are used simultaneously for each radial press measurement. At each end of the central tube, one additional horizontal and one vertical sensor are mounted, which are used to measure any movement of the central tube. These displacements are then used to correct all the measurements from the remaining sensors. Immediately outside the loading section, four sensors (two horizontal, two vertical) are mounted, and their measurements are used for the conversion of the limited loading section of the radial press of approx. 2 m to an endless loading section. In the loading section, three measurement profiles, each with a different resolution related to the perimeter (measurement profile C with 4 sensors, profile D with 16 sensors, profile E with 8 sensors), are set up in order to obtain the best possible picture of deformation in all directions. The load-dependent deformation behaviour is analysed by special test programmes.

3 Reactivation and automation of the radial press As the measurement principle of the radial press is still state of the art and as it still is in good mechanical condition, it was decided to refurbish the radial press in preparation for design work on major projects. In the process, the measurement technology and data recording as well as the hydraulic circuit for the application of pressure were all completely renewed. In a feasibility study carried out before the refurbishment, altogether four possible variants were given for the renewal of the radial press. The variant preferred by Tiwag included 36 micrometer gauges for the measurement of rock displacement, pressure gauges and a systemic thermometer. These devices were designed as measuring transducers and provide a standardised measurement signal (e.g. 4 to 20 mA) at the output. The output signal is recorded by special software and stored on the hard disc of an industrial PC. The stored data can later be processed by an appropriate programme. In order to determine the rock stiffness with sufficient accuracy, the maximum deviation of the radial linear transducer may not exceed ± 10 μm. This requirement was even exceeded with an achieved precision of 5 μm. The drive of the reciprocating pump is constructed as a frequency-controlled three-phase synchronous motor, which enables the control of the pumping performance by varying the rotation speed. Due to this hydraulic drive sys-

ein weiterer Sensor in vertikaler Richtung montiert, mit welchen etwaige Verschiebungen des Zentralrohrs gemessen werden. Aufgrund dieser Verschiebungen können die Messwerte aller weiteren Sensoren entsprechend korrigiert werden. Unmittelbar außerhalb der Belastungsstrecke werden vier Wegsensoren (zwei horizontal, zwei vertikal) montiert, dessen Ergebnisse für die Umrechnung der von der Radialpresse begrenzte Belastungsstrecke von ca. 2 m auf eine unendliche Belastungsstrecke herangezogen werden. In der Belastungsstrecke werden drei Messebenen mit einer jeweils unterschiedlichen, auf den Umfang bezogenen Auflösung (Messprofil C mit 4 Wegsensoren, Messprofil D mit 16 Sensoren, Messprofil E mit 8 Wegsensoren) eingerichtet, um ein möglich genaues Verformungsbild in allen Richtungen zu erhalten. Das lastabhängige Verformungsverhalten wird durch verschiedene Versuchsprogramme analysiert.

3 Reaktivierung und Automatisierung der Radialpresse Aufgrund des nach wie vor dem Stand der Technik entsprechenden Messprinzips der Radialpresse, sowie des einigermaßen guten Zustands der mechanischen Einzelkomponenten wurde beschlossen, die Radialpresse im Zuge der Planung der Großprojekte wieder instand zu setzen. Dabei wurde ein Komplettaustausch der Messtechnik und Datenerfassung sowie der Hydraulikanlage zur Druckaufbringung durchgeführt. In einer vor Beginn der Instandsetzung durchgeführten Machbarkeitsstudie wurden insgesamt vier mögliche Varianten zur Erneuerung der Radialpresse erarbeitet. Die von der Tiwag bevorzugte Variante beinhaltet 36 Mikrometeruhren zur Messung der Felsverschiebung, Druckmessgeräte und ein Thermometer. Diese Geräte werden als Messumformer ausgeführt und stellen ein normiertes Messsignal (z. B. 4 bis 20 mA) am Ausgang zur Verfügung. Das Ausgangssignal wird mit einer geeigneten Software erfasst und auf einer Festplatte eines Industrie-PCs gespeichert. Auf diesen können in weiterer Folge die Messdaten mit einer geeigneten Software ausgewertet werden. Um die Gebirgssteifigkeiten mit der notwendigen Genauigkeit ermitteln zu können, darf die maximale Abweichung der radial angeordneten Wegsensoren ± 10 μm nicht überschreiten. Diese Anforderung wurde mit einer erreichten Genauigkeit von 5 μm sogar unterschritten. Der Antriebsmotor der Kolbenpumpe wird als Drehstromasynchronmotor mit Frequenzumformer ausgeführt, der durch Variation der Drehzahl unterschiedliche Förderleistungen der Pumpe ermöglicht. Durch dieses Hydraulikaggregat ist es möglich, eine Konstanthaltung des Systemdrucks ohne Personaleinsatz auch über Nacht bzw. über längere Zeit zu garantieren. Des Weiteren ist eine Druckaufbringung in Abhängigkeit der Felsverschiebung und die Durchführung von dynamischen Druckversuchen möglich. Die Messsoftware und die Motorsteuerung ermöglichen das Ein- und Ausschalten der Pumpe in Abhängigkeit der Felsverschiebung, welches in direktem Zusammenhang mit dem Systemdruck steht. Zur Erfassung der Messdaten wurde auf ein leistungsfähiges Datenerfassungssystem von National Instruments zurückgegriffen. LabView ist eine grafische Programmier-

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tem, it is possible to guarantee a constant pressure in the system without intervention by an operator, even overnight or for longer periods. Pressure application dependent on the rock displacement and the implementation of dynamic tests are also possible. The measurement software and the motor control enable the switching on and off of the pump depending on rock displacement, which is directly linked to the system pressure. To record the measured data, a powerful data logging system from National Instruments is used. LabView is a graphical programme environment, in which function blocks act as virtual instruments (VI). These function blocks are linked with connection lines and the data flow is thus determined. The user interface for the visualisation and operation of the radial press was produced in accordance with the requirements of the expert group for rock mechanics and tunneling at Tiwag and adapted many times during the development phase. By displaying the most significant parameters like the position of each sensor or the rock displacement dependent on the applied system pressure, the plausibility of the measured values can already be checked during the measurement, and a first rough evaluation can be made of the stiffness and anisotropy to be expected. A register layout of the graphic interface gives an overview of the settings of the test programme, permitting to check the measurement range of the transducers and an orbital display of the most significant profiles related to the perimeter (anisotropy). The software blocks the selection synchronous tests, so the creation of conflicting aims is ruled out. The current status (e.g. “pump start”, “waiting until pressure is reached”, “pump stop”, “maintain pressure”) is displayed by a string element during the test. When the test has finished, this is indicated by displaying the state “inactive”. The Tiwag radial press can be operated manually (on site) or over an appropriate remote TCP/IP connection (office). For monitoring purposes of the entire test apparatus, a web cam is installed on site.

4 Pilot tests and optimisation efforts The last use of the Tiwag radial press before its reactivation took place 26 years ago on the site of the StrassenAmlach head race tunnel. Although the radial press and its deployment have often been described in great detail, the experience of the team, who set up the device on site, had been lost in this time. The necessary restoration and new instrumentation resulted in additional uncertainties, which led to the decision to perform two test runs before the first application. The first trial took place in front of the works hall of the Imst power station. In order to provide the radial press an abutment for the construction, a number of steel frames were welded together to serve as abutment for the formwork, which simulated the sides of the surrounding rock mass (Figure 2). The stiffness of this frame construction was indeed very low, but sufficient for the test set-up of the radial press and the application of low pressure through the pressure pads. The successful first assembly led to the following conclusions:

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umgebung, in der Funktionsblöcke als virtuelle Instrumente (VI) fungieren. Diese Funktionsblöcke werden mit Verbindungslinien verknüpft und somit der Datenfluss bestimmt. Die Oberfläche zur Visualisierung und Bedienung der Radialpresse wurde nach Vorgaben der Fachgruppe Felshohlraumbau der Tiwag erstellt und in der Entwicklungsphase mehrmals angepasst. Durch die Darstellung der aussagekräftigsten Parameter wie Position des jeweiligen Sensors oder die Gebirgsverformung in Abhängigkeit des aufgebrachten Systemdrucks können bereits während der Messung die Plausibilität der Messwerte geprüft, sowie eine erste Grobbeurteilung der zu erwartenden Steifigkeit und der Anisotropie getätigt werden. Eine registerförmige Anordnung der Visualisierungsoberfläche liefert eine Übersicht über die Einstellungen zu den Versuchsprogrammen, eine Messbereichsüberprüfung der Wegsensoren und eine über den Umfang bezogene Orbitaldarstellung der aussagekräftigsten Messprofile (Anisotropie). Die Auswahl mehrerer Versuche zur gleichen Zeit wurde softwaremäßig blockiert, sodass die Entstehung eines Zielkonflikts ausgeschlossen ist. Durch ein „StringElement“ wird der jeweilige Zustand (z. B. „Pumpe Start, „Warten bis Druck erreicht“, „Pumpe Stopp“, „Halten auf Druck“) während des Versuchs dargestellt. Ist der Versuch beendet, so wird dies durch die Zustandsanzeige „Inaktiv“ gekennzeichnet. Die Bedienung der Tiwag-Radialpresse kann manuell (vor Ort) und über eine entsprechende TCP/IP Verbindung von der Ferne (Büro) erfolgen. Zur zusätzlichen Visualisierung der gesamten Versuchsapparatur wird bei jedem Radialpressenversuch eine Webcam vor Ort installiert.

4 Pilotversuche und Optimierungsanstrengungen Der letzte Einsatz der Tiwag-Radialpresse vor deren Reaktivierung erfolgte vor 26 Jahren beim Bau des Druckstollens Strassen-Amlach. Obwohl die Radialpresse und deren Einsatz oft und sehr detailliert beschrieben worden sind, ging in dieser Zeit die Erfahrung der Mannschaft, die das Gerät vor Ort aufgebaut hat, verloren. Durch die notwendigen Restaurationen und neuen Instrumentierungen kamen zusätzliche Unsicherheiten dazu, die zum Entschluss führten, vor dem ersten Einsatz zwei Testaufbauten durchzuführen. Der Erstaufbau erfolgte vor den Werkhallen des Kraftwerks Imst. Um der Radialpresse ein Widerlager für den Aufbau zu bieten, wurden mehrere Stahlrahmen zusammengeschweißt, die als Auflager für Schaltafeln dienten, welche die Laibung des umgebenden Gebirges simulierten (Bild 2). Die Steifigkeit dieser Rahmenkonstruktion war zwar sehr gering, für den Testaufbau der Radialpresse und eine geringe Druckbeaufschlagung der Druckkissen reichte sie jedoch aus. Aus dem erfolgreichen Erstaufbau wurden folgende Schlüsse gezogen: − Die Druckkissen müssen in ungefülltem Zustand eingebaut werden, da sie im gefüllten Zustand „ausbauchen“ und somit nicht zwischen Gebirge und Stützkonstruktion eingeschoben werden können.

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Fig. 2. First assembly in Imst with formwork panels as an artificial rock wall Bild 2. Erstaufbau in Imst mit Schaltafeln als künstliche Felslaibung

Fig. 3. Second assembly under real application conditions in Kample, Kaunertal power station Bild 3. Zweitaufbau unter realen Einsatzbedingungen in Kample, Kraftwerk Kaunertal

− The pressure pads have to be installed empty, as they expand when filled with water and therefore cannot be inserted between rock mass and support construction. − The radial press should be installed with a longitudinal inclination between 5 to 10 % in order to ensure the air release of the pads.

− Die Radialpresse sollte mit einer Längsneigung von 5 bis 10 % eingebaut werden, um das Entlüften der Druckkissen zu gewährleisten.

Before the application in the Längental exploration tunnel, the entire system first had to be tested under real conditions. A stub tunnel constructed 50 years ago in the Kample access adit of the Kaunertal pressure shaft was available for this purpose. The formwork system prepared for the construction of the concrete ring for radial press tests could also be tried out for the first time. As radial press tests had already been carried out at this location, it was also possible to check the plausibility of the test results (Figure 3). The measurements resulted in global deformation moduli, which agree very well with the results from 50 years ago. There were some local deviations, which could not be explained at first; a few transducers did not seem to react to the pressure of the radial press. The dismantling of the radial press enabled interpretation of the results: the concrete abutment in the crown revealed some cavities, so that the pressure of the pads was not transferred to the rock as intended. Due to this experience, for all subsequent rock strain measurements with the radial press it was decided not only to take greater care with the concreting work but also to lay grouting hoses in the crown and grout the gap between rock and concrete in order to be able to guarantee a mechanical bond between the concrete inner ring and the rock.

5 Application of the radial press in the Längental exploration tunnel for the Kühtai pumped storage project The Kühtai pumped storage project intends to make use of the construction of a second upper stage for the Sellrain-Silz hydro scheme, which has been in operation since

Vor dem Einsatz im Sondierstollen Längental musste nun noch das Gesamtsystem unter realen Bedingungen getestet werden. Dazu konnte ein vor 50 Jahre für Radialpressenversuche errichteter Stichstollen im Stollenfenster Kample des Druckschachtes Kaunertal genutzt werden. Hier wurde auch das für die Radialpresse konstruierte Schalungssystem, mit dem der Betonring hergestellt wird, zum ersten Mal getestet. Da an dieser Stelle bereits Radialpressenversuche durchgeführt worden sind, war es darüber hinaus auch möglich, die Testergebnisse einer Plausibilitätskontrolle zu unterziehen (Bild 3). Die Messungen zeigten hinsichtlich der globalen Verformungsmoduli eine recht gute Übereinstimmung mit den Messungen vor 50 Jahren. Lokal traten aber Abweichungen auf, die auf den ersten Blick nicht erklärbar waren; so schienen einzelne Wegaufnehmer auf den Druck der Radialpresse nicht zu reagieren. Der Abbau der Radialpresse brachte aber schließlich Klarheit bei der Interpretation der Ergebnisse: Im Bereich der Firste war es trotz intensiver Bemühungen nicht gelungen ein hohlraumfreies Widerlager herzustellen, was dazu führte, dass der Druck des Kissens nicht wie geplant auf den Fels übertragen werden konnte. Für alle folgenden Felsdehnungsmessungen mit der Radialpresse wurde aufgrund dieser Erfahrungen beschlossen, neben der noch größeren Sorgfalt bei den Betonarbeiten in der Firste Injektionsschläuche zu verlegen und den Zwischenraum Fels-Betonwiderlager zu injizieren, um so einen kraftschlüssigen Verbund des Betoninnenrings mit dem Fels garantieren zu können.

5 Einsatz der Radialpresse im Sondierstollen Längental für das Projekt Speicherkraftwerk Kühtai Das Projekt Speicherkraftwerk Kühtai sieht den Zubau einer zweiten Oberstufe zur der seit 1981 in Betrieb befind-

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1981. With an additional reservoir with water diversion from the central, eastern Ötztal and the back of the Stubaital valleys, this will represent a considerable extension of the current exploitation of hydropower in the project area and improve the plant operation of the existing facilities. The main features of the Kühtai pumped storage station are the Kühtai reservoir in the back of the Längental with a storage capacity of about 31 million m³ and a dam crest height above ground level of about 113 m, the Kühtai 2 (cavern) power station, which connects the Kühtai reservoir and the existing annual reservoir at Finstertal with an enlarged output of 130 MW and a diversion system of 25.5 km length from the back of the Stubaital to the Kühtai reservoir. The construction of the Kühtai 2 power station requires the creation of a dedicated headrace between the Finstertal and Kühtai reservoirs. The powerhouse facilities are entirely underground in a cavern at a depth of about 175 m below ground level in the right-hand slope of the valley, near the right-hand abutment of the planned dam (Figure 4). The project area lies in the Stubai and the neighbouring Ötztal Alps, which can both be tectonically categorised as part of the Mittelostalpinen Altkristallin (middle-east Alpine old crystalline). This mostly consists of greenschist to amphibolite facies rocks (mica schist to paragneisses) with inclusions of orthogneisses and some amphibolites. Grey biotite-plagioklase gneisses, which originated from massive greywacke and slate series, form the main part of the rock mass. They merge into mica schist containing garnet, staurolite and cyanite and are laced with amphibolites, eclogites and granite gneisses. In the area of the cavern and the Längental exploration tunnel, the rock mass consists of banded gneiss as a variety of the grey biotite-plagioklase gneiss, which is texturally characterised by a typical layered orientation of the minerals and shows marked banding. Leucosomes (light bands) are rich in quartz and felspar. In contrast to the normal biotite-plagioklase gneiss, there are hardly any mica inclusions in the banded gneiss. The main investigation measure for the power station cavern and the underground structures in the immediate vicinity was the 735 m long Längental exploration tunnel, which runs along the axis of the planned drainage tunnel of the cavern. At the end of the tunnel, three probe niches were excavated, from which altogether 13 core drillings were sunk with a total length of 1,095 m. Two right-angled

lichen Kraftwerksgruppe Sellrain-Silz vor. Mit einem weiteren Speicher mit Beileitungen aus dem mittleren, östlichen Ötztal und dem hinteren Stubaital erfolgt eine deutliche Ausweitung der bisherigen Nutzung der Wasserkräfte im Projektgebiet und eine verbesserte betriebliche Nutzung der bestehenden Anlagen. Zentrale Merkmale des Speicherkraftwerks Kühtai sind der Speicher Kühtai im hinteren Längental mit einem Nutzinhalt von rd. 31 Mio m³ und einer Dammhöhe über Gelände von rd. 113 m, das den Speicher Kühtai und den bestehenden Jahresspeicher Finstertal verbindende Kraftwerk Kühtai 2 (Kaverne) mit einer Ausbauleistung von 130 MW sowie ein Beileitungssystem von 25,5 km Länge aus dem hinteren Stubaital bis zum Speicher Kühtai. Die Errichtung des Kraftwerks Kühtai 2 erfolgt durch Anlage eines eigenen Triebwasserwegs zwischen den Speichern Finstertal und Kühtai. Die gänzlich unterirdisch in einer Kaverne angeordnete Krafthausanlage befindet sich in einer Tiefe von rd. 175 m unter Gelände im rechten Talhang, und zwar im Bereich des rechtsufrigen Widerlagers des künftigen Staudamms (Bild 4). Das Projektgebiet liegt in den Stubaier und den angrenzenden Ötztaler Alpen, die beide tektonisch dem Mittelostalpinen Altkristallin zugerechnet werden. Dieses besteht großteils aus grünschiefer- bis amphibolitfaziellen Gesteinen (Glimmerschiefer bis Paragneisen) mit Einschaltungen von Orthogneisen und gelegentlichen Amphiboliten. Die grauen Biotit-Plagioklasgneise, die aus mächtigen Grauwacken- und Tonschieferserien hervorgingen, bilden die Hauptmasse der Gesteine. Sie gehen in Granat, Staurolith- und Disthen-führende Glimmerschiefer über und sind mit Amphiboliten, Eklogiten und Granitgneisen durchsetzt. Im Bereich der Kaverne und des Sondierstollens Längental besteht das Gebirge aus Bändergneis als Varietät des grauen Biotit-Plagioklasgneises, der sich texturell durch typische lagenweise Einregelung der Minerale auszeichnet und eine markante Bänderung aufweist. Leukosome (helle Bänder) sind reich an Quarz und Feldspat. Im Unterschied zum normalen Biotot-Plagioklasgneis fehlen im Bändergneis glimmerreiche Einschaltungen fast vollständig. Als Haupterkundungsmaßnahme für die Kraftwerkskaverne und die unmittelbar daran angrenzenden untertägigen Bauwerke wurde der 735 m lange Sondierstollen Längental entlang der Achse des geplanten Entwässerungsstollens der Kaverne aufgefahren. Am Ende des Stol-

Bild 4. Übersicht Kraftwerk Kühtai 2 mit Triebwasserweg, Sondierstollen Längental und näheren Erkundungsbereich Fig. 4. Overview of the Kühtai 2 power station with headrace, Längental exploration tunnel and nearby investigation area

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stub headings were then excavated one above the other for the installation of the radial press. In order to determine the mechanical, structural and hydraulic rock properties, 43 dilatometer tests, 7 hydro-fracturing tests (HF), 15 hydraulic packer tests (HPT) and 13 optical borehole scans (OBI) were carried out in the probe drillings. Rock mechanical laboratory investigations of the cores supplemented the extent of the investigations (e.g. 39 unconfined compression tests, 18 tensile splitting tests and 16 single and multi-stage triaxial tests). All probe drillings and the two stub headings, in which the radial press was installed one after the other, lay entirely within the banded gneiss. In stub heading I, the foliation mostly dips with medium steepness S to SW in the direction of advance, but is affected by folding in places. Fault surfaces are oriented steeply and flat and strike almost parallel to the heading. In stub heading II, the foliation surfaces dip steeply to medium steeply to S and strike at an acute angle to the heading axis. Dominant, steep to medium steep joint sets strike both almost at right angles and parallel to the heading.

5.1 Implementation and results of the radial press tests The radial press tests carried out in the Längental exploration tunnel can generally be categorised into two types: − Firstly, systematic short-term tests were carried out at various pressure levels, with the pressure pads being pressurised in altogether five stages from 10 to 50 bar. The pad pressure was kept constant for 12 hours at each stage and then lowered to 1 bar for one hour. For each pressure stage, the radial displacements of the rock mass and the pad pressure were measured and recorded for the duration of the relevant test. − Secondly, after these staged pressure tests, a long-term test at 50 bar pad pressure for 14 days was carried out to determine the creep behaviour of the rock mass. From these loading and unloading cycles, the relevant E and V moduli were determined for each measurement device. In the arrangement of sensors used, altogether 28 radial displacements were simultaneously measured for each pressure stage in the immediate area affected by the radial press at the main measurement profiles C, D and E, from which 28 E moduli and 12 V moduli could be calculated. The transducers uniformly distributed around the perimeter of the radial press provide a very good impression of the anisotropic rock behaviour, particularly in the central profiles D and E. The rock mass deformations in stub heading I were mainly influenced by the jointing and faulting surfaces, which strike almost parallel to the stub heading, i.e. also the axis of the radial press. In stub heading II on the other hand, the rock mass deformations were mainly due to the foliation surfaces running steeply and acutely to the heading. Both stub headings show pronounced anisotropic behaviour. The rock mass displacements measured using the radial press in the Längental exploration tunnel show overall pronounced directional dependency, which is essentially due to the predominant geological structure elements. As with the deformations, the E and V moduli determined from them show a corresponding variation in direction

lens wurden drei Sondiernischen ausgebrochen, von denen aus insgesamt 13 Kernbohrungen mit einer Gesamtlänge von 1.095 m abgeteuft und zwei orthogonal aufeinander stehender Stichstollen für den Einbau der Radialpresse ausgebrochen wurden. Zur Ermittlung der felsmechanischen, strukturellen und hydraulischen Gebirgseigenschaften wurden in den Erkundungsbohrungen 43 Dilatometerversuche (DV), 7 HydrofractioningVersuche (HF), 15 Wasserabpressversuche (WAP) und 13 optische Bohrlochscans (OBI) durchgeführt. Felsmechanische Laboruntersuchungen an den gewonnenen Bohrkernen ergänzten den Untersuchungsumfang (z. B. 39 einaxiale Druckversuche, 18 Spaltzugversuche sowie 16 einund mehrstufige Triaxialversuche). Sämtliche Erkundungsbohrungen sowie die beiden Stichstollen, in denen die Radialpresse nacheinander eingebaut wurde, kamen durchwegs im Bändergneis zu liegen. Im Stichstollen I fällt die Schieferung bevorzugt mittelsteil nach S bis SW in Vortriebsrichtung ein, ist jedoch bereichsweise durch Verfaltung verstellt. Störungsflächen sind sowohl steil als auch flach orientiert und streichen annähern parallel zum Stollen. Im Sondierstollen II fallen die Schieferungsflächen steil bis mittelsteil nach S und streichen spitzwinklig zur Stollenachse. Dominante, steile bis mittelsteile Kluftflächen streichen sowohl annähern normal als auch parallel zur Stollenachse.

5.1 Durchführung und Ergebnisse der Radialpressenversuche Die im Sondierstollen Längental durchgeführten Radialpressenversuche lassen sich grundsätzlich in zwei verschiedene Versuchstypen gliedern: − Zunächst wurden systematische Kurzzeitversuche mit verschiedenen Druckstufen durchgeführt, wobei der Kissendruck in insgesamt fünf Druckstufen von 10 auf 50 bar erhöht wurde. Der Kissendruck wurde bei jeder Druckstufe für 12 Stunden konstant gehalten und im Anschluss daran für eine Stunde bis auf 1 bar Haltedruck wieder entlastet. Für jede Druckstufe wurden die radialen Gebirgsverformungen und der Kissendruck über die jeweilige Versuchsdauer gemessen und aufgezeichnet. − Nach diesen Druckstufen-Versuchen wurde zur Bestimmung des Kriechverhaltens des Gebirges je ein Langzeitversuch bei 50 bar Kissendruck für die Dauer von 14 Tagen durchgeführt. Aus den jeweiligen Be- und Entlastungszyklen wurden für jede Messrichtung die zugehörigen E- und V-Moduli unter Berücksichtigung der (Langzeit)Kriechverformung ermittelt. In der vorliegenden Konstellation der Sensoren wurden im unmittelbaren Einflussbereich der Radialpresse für jede Druckstufe insgesamt 28 radiale Verformungen in den Hauptmessprofilen C, D und E zeitgleich gemessen aus denen sich 28 E- und 12 V-Moduli bestimmen ließen. Die entlang des Umfangs der Radialpresse gleichmäßig verteilten Wegsensoren geben insbesondere in den zentralen Messprofilen D und E einen sehr guten Eindruck des anisotropen Gebirgsverhaltens. Die Gebirgsdeformationen im Stichstollen I werden vorwiegend von den Kluftund Störungsflächen die annähernd parallel zum Stichstollen bzw. zur Achse der Radialpresse streichen kontrol-

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and magnitude. The radial displacements measured in stub headings I and II range between 0 and 1.2 mm under pad pressures of up to 50 bar. The derived E (Young’s) moduli lie between 4,000 and 95,000 MPa, and the V moduli vary between 2,000 and 75,000 MPa. As an example for all the measured data, typical working curves are shown as pressure-displacement graphs for stub headings I and II in Figure 5. If the results of the radial press tests are compared with those of the borehole (dilatometer tests, ∅ 101 mm) and laboratory tests (unconfined compression tests on cores ∅ 80 mm), significant differences in magnitude and variation may be seen, as was to be expected (see also bar chart in Figure 6, in which the values from stub heading II are not shown for improved readability). The average values of the E and V moduli determined in the laboratory are between 58,000 and 42,000 MPa, although the variation is considerable. The wide spread of measured values is on the one hand due to the small sample volume of the cores (∅ 80 mm, L 160 mm). On the other hand, the rock samples are also greatly affected by internal structural elements (foliation, micro-folding) and local faults.

Fig. 5. Rock working lines in the stub headings I and II at pad pressures of 10–50 bar (red: V moduli; green: E moduli) Bild 5. Felsarbeitslinien in den Stichstollen I und II bei Kissendrücken 10–50 bar (rot: V-Moduli; grün: E-Moduli)

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liert. Im Stichstollen II hingegen können die Gebirgsdeformationen vorwiegend auf die steil und spitzwinklig zum Stollen verlaufenden Schieferungsflächen zurückgeführt werden. Beide Stichstollen weisen ein ausgeprägt anisotropes Verformungsverhalten auf. Die mit Hilfe der Radialpresse im Sondierstollen Längental gemessenen Gebirgsdeformationen weisen allesamt ausgeprägte Richtungsabhängigkeiten auf, die im Wesentlichen auf die vorherrschenden geologischen Strukturelemente zurückgeführt werden können. Ähnlich den Verformungen weisen auch die daraus ermittelten E- bzw. V-Moduli eine entsprechende Varianz in Richtung und Größe auf. Die in den Stichstollen I und II gemessenen Radialverformungen bewegen sich bei Kissendrücken bis zu 50 bar zwischen 0 und 1,2 mm. Die daraus abgeleiteten EModuli liegen zwischen 4.000 und 95.000 MPa, die V-Moduli schwanken zwischen 2.000 und 75.000 MPa. Stellvertretend für die Gesamtheit aller Messwertpaare sind in Bild 5 für den Stichstollen I und II typische Arbeitslinien im Druck-Verschiebungsdiagramm dargestellt. Vergleicht man die Ergebnisse der Radialpressenversuche mit jenen der durchgeführten Bohrloch- (Dilatometerversuche, ∅ 101 mm) und Laborversuche (einaxiale Druckversuche an Bohrkernen ∅ 80 mm), so zeigt sich erwartungsgemäß eine deutliche Differenzierung in Größe und Varianz (s. a. Histogramm in Bild 6, in dem zur besseren Übersicht die Messwerte aus Stichstollen II nicht dargestellt sind). Die Mittelwerte der in den Laborversuchen gemessenen E- und V-Moduli (Gesteinskennwerte) bewegen sich zwischen 58.000 und 42.000 MPa, wobei eine erhebliche Varianz zu verzeichnen war. Die große Streuung der Messwerte ist einerseits auf das kleine Probenvolumen der Probekörper (∅ 80 mm, L 160 mm) zurückzuführen. Andererseits reagieren die Gesteinsproben sehr empfindlich auf eingeprägte Strukturelemente (Schieferung, Mikrofältelung) und lokale Störungen. Die Mittelwerte der Dilatometerversuche hingegen sind deutlich geringer und liegen für den E- bzw. V-Modul bei 16.000 und 8.300 MPa. Es kann eine geringere Streubreite als bei den Laborversuchen beobachtet werden, was hauptsächlich auf das größere effektive Probenvolumen zurückzuführen ist. Die geologischen Mikrostrukturen üben hier offensichtlich einen geringeren Einfluss auf die Messergebnisse aus. Die in den Radialpressenversuchen gemessenen Moduli (Gebirgskennwerte) sind am geringsten und weisen eine ähnliche Streubreite wie bei den Dilatometerversuchen auf. Die Mittelwerte der E-/V-Moduli betragen im Stichstollen I 11.000/6.400 MPa und im Stichstollen II 29.000/ 22.000 MPa. Die Werte sind primär von der Orientierung der Schieferung bzw. des Trennflächengefüges am Einbauort der Radialpresse abhängig. Sämtliche Versuche und Messungen wurden in ähnlichem Gestein (Bändergneis) innerhalb eines kleinen und abgegrenzten Untersuchungsraums in relativer großer Zahl durchgeführt, weshalb ein direkter Vergleich der Ergebnisse in erster Näherung zulässig ist. Bei systematischer Analyse aller zuvor erwähnten Versuche zeigt sich erwartungsgemäß eine Abhängigkeit der Kennwerte von der Richtung der Schieferung und vom Zerlegungsgrad, die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt ist.

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Fig. 6. Frequency distribution of the E and V moduli according to test method and sample volume; dashed lines show the indicative frequency distribution Bild 6. Häufigkeitsverteilung E- und V-Moduli nach Versuchsmethode und Probenvolumen; gestrichelte Linien zeigen die indikative Häufigkeitsverteilungen

The average values from the dilatometer tests are, in contrast, much lower and deliver E and V modulus values of 16,000 and 8,300 MPa respectively. A narrower spread is observed compared to the laboratory tests, which is mainly due to the larger effective sample size. The geological microstructures obviously have less effect on the measured data in this case. The moduli (rock characteristics) determined in the radial press tests are the lowest and show a similar spread to the dilatometer tests. The average values of the E/V moduli are 11,000/6,400 MPa in stub heading I and 29,000/22,000 MPa in stub heading II. The values are primarily dependent on the orientation of the foliation or the structure of the jointing at the site of the radial press installation. All tests and measurements were carried out in relatively large numbers in similar rock (banded gneiss) inside a small and bounded investigation area, so a direct comparison of the results is acceptable as a first approximation. A systematic analysis of the tests mentioned above shows, as expected, a dependency of the characteristics on the direction of the foliation and degree of fracturing, which is however not shown here for reasons of clarity.

Dr. Frank Eibl Tiroler Wasserkraft AG Eduard-Wallnöfer-Platz 2 6020 Innsbruck Austria frank.eibl@tiwag.at

References [1] Lauffer, H., Seeber, G.: Die Messung der Felsnachgiebigkeit mit der Tiwag-Radialpresse und ihre Kontrolle durch Dehnungsmessungen an der Druckschachtpanzerung des Kaunertalkraftwerks. Sitzungsbericht 1. Kongress der Intern. Gesellschaft für Felsmechanik, Lissabon 1966. [2] Tiwag: Tiwag-Betriebszeitungen. Tiroler Wasserkraftwerke A.G., Innsbruck, 1957–1968. [3] N.N.: Das Kaunertalkraftwerk. Beiträge zur Technikgeschichte Tirols, Wagnersche Univ.-Buchhandlung, Innsbruck 1984. [4] Seeber, G.: Druckstollen und Druckschächte. Stuttgart: Enke, 1999. [5] Geoconsult AG: Baugeologischer und Hydrogeologischer Schlussbericht – Sondierstollen Längental. 2010. [6] Geoconsult AG: Erkundungsbericht Sondierstollen Längental. 2011. [7] Vögele, D.: Instandsetzung der TIWAG-Radialpresse, Bachelorarbeit 2, Innsbruck 30.05.2011.

Dominik Vögele, BSc Tiroler Wasserkraft AG Eduard-Wallnöfer-Platz 2 6020 Innsbruck Austria dominik.voegele@tiwag.at

Dr. Markus Mähr Internationale Rheinregulierung Parkstraße 12 9430 St. Margrethen Switzerland markus.maehr@rheinregulierung.org

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Baustatik

Topics Günther M. Volkmann Marco Reith Thomas Berner

DOI: 10.1002/geot.201200006

The AT - Casing System Das AT - Hüllrohrsystem Recent developments show that special measures like pipe umbrellas are being used more often in continuous tunnelling, and already have to be planned during the design phase. The AT Casing System, already in successful use for some decades in sequential tunnelling and in geotechnical engineering, has recently seen increasing use in TBM tunnelling. According to the type of pipe used, the system can be used to support the surrounding ground, for grouting measures or for drainage. An example calculation is intended to demonstrate the potential of advance support over a fault zone and point out some possible optimisations of the load-bearing capacity. Finally, the system is presented through the example of the New Kaiser Wilhelm Tunnel in Germany. On this project, the AT - Pipe Umbrella System was combined with the AT - GRP Injection System in order to gain the advantages of both.

Die letzten Entwicklungen zeigen, dass Sondermaßnahmen wie Rohrschirme im kontinuierlichen Vortrieb häufiger eingesetzt werden und bereits im Planungsstadium berücksichtigt werden. Das AT - Hüllrohrsystem wird bereits seit einigen Jahrzehnten im zyklischen Vortrieb und in der Geotechnik erfolgreich eingesetzt und in letzter Zeit auch vermehrt in Verbindung mit TVM. Je nach eingesetztem Rohrtyp kann es zum Stützen des Baugrunds, für Injektionsmaßnahmen oder für Dränagearbeiten eingesetzt werden. Ein Rechenbeispiel soll das Potenzial einer vorrauseilenden Stützung über eine Störungszone veranschaulichen und mögliche Optimierungen der Tragkraft aufzeigen. Zum Abschluss wird noch anhand des Projektbeispiels Neuer Kaiser Wilhelm Tunnel (Deutschland) eine exemplarische Anwendung dieses Systems erläutert. Bei diesem Projekt wurde das AT - Rohrschirmsystem mit dem AT - GFK-Injektionssystem kombiniert, um die jeweiligen Vorteile zu nutzen.

1 Introduction

1 Einleitung

Tunnelling conditions are often improved using additional measures, both in sequential and in continuous tunnelling. This enables sections of tunnels, which under normal conditions would be impossible or only possible with great difficulties, to be driven in a controlled manner. The AT - Casing System is an additional measure, which is flexible enough for use under difficult conditions with either tunnelling method. The system copes with advance structural support of the ground, advance, temporary or permanent drainage and also ground improvement by injecting cement suspension, foams or resins.

Die Vortriebsbedingungen werden sowohl im zyklischen als auch im kontinuierlichen Tunnelbau regelmäßig durch den Einsatz von Zusatzmaßnahmen verbessert. Dadurch können Tunnelbereiche, die unter normalen Vortriebsbedingungen nicht oder nur unter großen Erschwernissen zu durchörtern sind, kontrolliert aufgefahren werden. Das AT - Hüllrohrsystem gehört zu den Zusatzmaßnahmen, die aufgrund ihrer Flexibilität in beiden Vortriebsmethoden unter schwierigen Bedingungen eingesetzt werden können. Dieses System erlaubt sowohl die vorrauseilende statische Stützung des Gebirges, vorrauseilende, baubegleitende oder permanente Dränagen und auch die Verbesserung des Baugrunds durch Injektionen mit Zementsuspensionen, Schäumen oder Harzen.

2 AT - Casing System The AT casing system was originally developed for advance support in sequential tunnelling to create a pipe umbrella in difficult ground conditions (UCS < 1 MPa). In this application, the pipe umbrella supports the ground against rockfalls in the heading of the tunnel. One precondition in the development of the AT - Pipe Umbrella system was that installation should be possible by normal tunnel crew with machinery available on site. This feature has enabled pipe umbrellas, which at that time were regarded as special measures, to be used more often as a regular support measure. All AT - Casing System essentially consist of the same components (Figure 1):

2 AT - Hüllrohrsystem Das AT - Hüllrohrsystem wurde speziell für die vorrauseilende Sicherung im zyklischen Tunnelbau als so genannter Rohrschirm in schlechten Baugrundverhältnissen (UCS < 1 MPa) entwickelt. Bei dieser Anwendung stützt der Rohrschirm den Baugrund im unmittelbaren Vortriebsbereich gegen Nachbrüche. Eine Voraussetzung bei der Entwicklung des AT - Rohrschirmsystems war, dass die Installation mit der normalen Vortriebsmannschaft und den auf der Baustelle vorhanden Baustellengeräten bewältigt werden muss. Erst durch diese Möglichkeit wurden

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Rohrschirme, die zu diesem Zeitpunkt noch als Sondermaßnahme galten, immer öfter auch als Regelstützmittel eingesetzt. Alle AT - Hüllrohrsystem Typen bestehen im Wesentlichen aus denselben Komponenten (Bild 1): – Startereinheit mit einer verlorenen Bohrkrone, – Verlängerungsrohre, – Endrohr.

Bild 1. Systemkomponenten des AT - Rohrschirmsystems Fig. 1. System components of the AT - Casing System

– starter unit with a single-use drill bit, – extension tube, – casing tube. The drill bit adapter and the drilling rod, which are necessary for force transfer during installation, can be withdrawn after drilling and be reused. The casing pipes remain in the ground after drilling and are ready for use. The usual drilling depths with this system are up to 18 m, although the drilling of holes up to 30 m is possible. The maximum achievable depth does, however, always depend on the properties of the surrounding rock. For example, very abrasive rock can increase the wear on the drill bit and reduce the practical drilling depth.

2.1 Installation In continuous tunnelling, additional measures like casing systems were very seldom planned from the start of projects for many years. This meant, for example, that the drill hammer on the available booms had to be adapted before installation could start. The boom length did not correspond to those used in continuous tunnelling, so the length of the pipe sections had to be adapted and in some cases reduced to only 1 m. Recent developments, however, show an increased acceptance of pipe umbrellas in continuous tunnelling. When required by the conditions of the project, special measures like pipe umbrellas are already being taken into account during the design phase. This means that the machinery provided is already suitable for the expected drilling work and the pipes can be installed in standard lengths of 3 m, which accelerates installation because the manipulation time can be reduced. The holes are drilled with rotary hydraulic percussion, either through drilling channels in the shield or cutting wheel or also behind the cutterhead of open TBMs. Because of the size of the drilling channels, smaller pipe dimensions are typical in mechanised tunnelling, 76 or 89 mm, or in some cases 114 mm. The drilling of the holes can sometimes deviate in direction. One investigation [1] showed an average deviation of about ± 1 % from the theoretical location. Observations during excavation, however, show that the pipes are very often almost exactly in the planned position. The self-drilling installation of the AT - Casing System offers the following advantages: – This type of installation can also succeed in ground where the bore hole walls are unstable.

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Der Bohrkronenadapter und das Bohrgestänge, die für die Kraftübertragung bei der Installation notwendig sind, können nach dem Einbohren wieder gewonnen und weiter eingesetzt werden. Die verwendeten Rohre verbleiben nach dem Einbohren im Baugrund und sind zur Verwendung bereit. Übliche Einbohrtiefen für dieses System reichen bis 18 m; doch es können auch Einbohrtiefen bis 30 m realisiert werden. Die maximal erreichbare Bohrtiefe ist jedoch immer von den Eigenschaften des anstehenden Gesteins abhängig. Zum Beispiel kann sehr abrasives Gestein die Bohrkronenabnutzung erhöhen und dadurch die maximal erreichbare Bohrtiefe reduzieren.

2.1 Installation Im kontinuierlichen Tunnelbau waren zusätzliche Maßnahmen wie Hüllrohrsysteme über lange Zeit nur in den wenigsten Fällen von Projektbeginn an geplant. Deshalb mussten zum Beispiel Bohrhämmer von vorhandenen Lafetten adaptiert werden, bevor mit der Installation begonnen werden konnte. Die Länge der Lafetten entsprach auch nicht jenen, die im zyklischen Vortrieb üblich waren, weshalb die Längen der eingebauten Rohrschüsse angepasst und teilweise bis auf 1 m reduziert wurden. Letzte Entwicklungen zeigen allerdings eine weitaus höhere Akzeptanz von Rohrschirmen im kontinuierlichen Tunnelvortrieb. Wenn es die Projektbedingungen erfordern, werden Sondermaßnahmen wie Rohrschirme schon in der Planung berücksichtigt. Dadurch sind die vorhandenen Gerätschaften auf die zu erwartenden Bohrarbeiten ausgelegt, und der Einbau der Rohre kann mit Standardlängen von 3 m erfolgen. Dies beschleunigt die Installation, weil die Manipulationszeiten gesenkt werden können. Die Bohrungen werden drehschlagend entweder über Bohrgassen im Schild oder Schneidrad oder bei offenen TVM auch hinter dem Schneidrad eingebohrt. Aufgrund der Größe der Bohrgassen werden im maschinellen Vortrieb üblicherweise kleinere Rohrdimensionen mit einem Außendurchmesser von 76 oder 89 mm ggf. auch 114 mm eingesetzt. Beim Einbohren der Rohre kann es zu Abweichungen in der Bohrrichtung kommen. Eine Untersuchung ergab im Mittel eine Abweichung von der theoretischen Lage um ± 1 % [1]. Beobachtungen beim Ausbruch zeigen allerdings, dass die Rohre sehr oft nahezu in die planmäßige Position eingebohrt werden. Die selbstbohrende Einbringung des AT - Hüllrohrsystem bietet folgende Vorteile: – Diese Art der Installation ist in Baugrund mit nicht stabilen Bohrlochwandungen erfolgreich. – Im verformungsfreudigen Baugrund werden die Setzungen und Gebirgsentspannungen minimiert, da die Bohrlochwandung durch die Rohre gestützt wird [2].

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– In ground susceptible to deformation, settlements and ground relaxation are minimised because the bore hole walls are supported by the pipe [2]. – The firm connection of pipes and starter unit minimises directional deviation during drilling. – Self-drilling installation saves time because there are fewer working steps.

2.2 Types of pipe There are three basic pipe types in the AT - Casing System, which can be selected according to the required function (Figure 2). The AT - Casing System consists of steel pipes, which are mainly used for their structural strength. Loads from overloaded or loose zones in the ground are transferred along the pipes to less loaded or more competent zones [3]. In sequential tunnelling, this system is used as an additional support system for tunnelling through fault zones, fluvial deposits or slope debris. In continuous tunnelling, fault zones of limited length can be supported and the possible overbreak volume limited. The targeted injection of grout into the fault zone through the installed pipes enables the improvement of ground properties of the faulted rock or also precisely located waterproofing measures with double packer technology. Sizes AT - 89, AT - 114 and AT - 139 are used most often with the AT pipe umbrella system, but sizes AT - 76 and AT - 168 are also available. The latter is usually supplied in 2 m section lengths due to the weight. In the AT – GRP Injection System, the extension pipes consist of glass fibre-reinforced plastics. This enables the system to be used for grouting work in front of the cutterhead of a TBM, as the GRP pipes, in contrast to steel, can be cut through and by the cutterhead and be mugged. They are also used as the end pipes of grouted canopies of steel pipes installed through drilling channels in the shield. This saves the removal of the steel pipes, because the GRP pipes do not obstruct the next stroke. The AT – GRP Injection System is intended simply for the injection of grout without providing any structural strength along the pipes, since the connections between the individual sections cannot ensure the transfer of forces. As has already been described for the AT - Pipe Umbrella System, any grout can be used with the AT - GRP Injection System. The grouting system is generally installed with an external diameter of 76 mm (AT - 76/GFK), which provides sufficient space inside for the intended grouting. The AT - Drainage System consists of an internal steel pipe surrounded by a PVC drainage pipe. This system also has no structural strength and is used in tunnelling and in geotechnical engineering to drain the ground. The possible applications of the system range from jointed rock mass to soft ground. The system can be used temporarily, for example during the driving of a tunnel, or permanently, for example to drain a waterlogged slope. In mechanised tunnelling, this system can be used ahead of or parallel to the excavation, and can be applied to reduce water pressure in fault zones before driving through. The water can drain under gravity in most cases but a combination with vacuum pumps is also possible.

– Die stabile Lage der fest mit der Startereinheit verbundenen Rohre minimiert die Richtungs-Abweichungen beim Bohren. – Durch das selbstbohrende Versetzen des Bohrstrangs wird Zeit gespart, da Arbeitsschritte entfallen.

2.2 Rohrtypen Beim AT - Hüllrohrsystem gibt es drei verschiedene Rohrtypen die je nach erforderlicher Funktion gewählt werden können (Bild 2). Das AT - Rohrschirmsystem besteht aus Stahlrohren, die primär wegen der statischen Tragwirkung eingesetzt werden. Dabei werden Lasten von überbeanspruchten oder losen Gebirgsbereichen in Rohrlängsrichtung in weniger beanspruchte oder kompetentere Gebirgsbereiche umgelagert [3]. Im zyklischen Tunnelbau wird dieses System als zusätzliches Stützsystem bei der Durchörterung von Störungszonen, fluvialen Ablagerungen und Hangschutt verwendet. Im kontinuierlichen Tunnelbau können in der Längserstreckung begrenzte Störungszonen gestützt werden und das mögliche Nachbruchvolumen limitiert werden. Durch den gezielten Eintrag von Injektionsstoffen durch die versetzten Rohrschirmrohre in den Störungsbereich können die Eigenschaften des Störungsmaterials verbessert werden oder auch Abdichtungsmaßnahmen lagegenau mit Doppelpackertechnik vorgenommen werden. Die Dimensionen AT - 89, AT - 114 und AT - 139 werden beim AT – Rohrschirmsystem am häufigsten verwendet. Daneben gibt es noch die Dimensionen AT - 76 und AT - 168. Die Letztere wird aufgrund des Gewichtes üblicherweise nur noch mit Rohrschüssen von 2 m eingebaut. Beim AT - GFK-Injektionssystem bestehen die Verlängerungsrohre aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Deshalb kann dieses System vor dem Schneidrad einer TVM für Injektionsmaßnahmen eingesetzt werden, da die GFKRohre im Gegensatz zu den Stahlrohren vom Schneidrad einer TVM zerkleinert und geschuttert werden können. Sie kommen auch als Endrohre von durch Bohrgassen im Schild versetzte Injektionsschirme aus Stahlrohren zum Einsatz. Dadurch entfällt der Rückbau der Stahlrohre, weil die GFK-Rohre den nächsten Hub nicht behindern. Das AT - GFK-Injektionssystem ist ein reines Injektions-

Bild 2. Die drei Varianten des AT - Hüllrohrsystems: AT - Rohrschirmsystem, AT - Drainagesystem und AT - Injektionssystem (von links nach rechts) Fig. 2. The three types of the AT - Casing System; the AT - Pipe Umbrella System, the AT -Drainage System and the AT - GRP-Injection System (from left to right)

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Drainage pipes are available in two sizes: external diameter 76 mm (AT - 76/DR) or 118 mm (AT - 118/DR). In order to avoid flushing out material, the opening width of the drainage slots in the PVC pipes can be altered from 0.5 to 1.5 mm. According to the reasonable requirements on an individual project, it can be reasonable to combine the systems with each other, with the various types of pipes normally being installed in separated drillings. It is also, however, possible and reasonable in some special cases to combine different pipe types in one installation.

2.3 Flushing system Flushing water is pumped through the drill steel to the drill bit. The collected cuttings are flushed into the inside of the extension pipe and transported out of the hole (Figure 3). This enables the gap between ground and extension pipe to be kept small with the associated advantages of directional stability and drilling speed. In soft ground, this also minimises any settlement and the negative effect of the flushing water on the ground properties.

2.4 Drill bits and starter units The drill bits are very important for the drilling speed and therefore have to be suitable for the properties of the surrounding ground. One special case is loose or flowing ground. Under these conditions, the backflow of the material has to be controlled. This requires a special version of the starter unit, in which the backflow does not flow into the pipe directly behind the drill bit but under control at the back of the starter unit. Groundwater under pressure can lead to serious problems when extending the pipe with a normal starter unit, as the installed length can act as a drainage pipe and the groundwater can pour out of the pipe into the TBM

system, das keine statische Tragfähigkeit in Längsrichtung aufweist, da die Verbindungen der Einzelrohre die erforderliche Kraftübertragung nicht gewährleisten. Wie beim vorher beschriebenen AT - Rohrschirmsystem können auch beim AT - GFK-Injektionssystem alle Injektionsmedien eingesetzt werden. Das Injektionssystem wird generell mit einem Außendurchmesser von 76 mm (AT - 76/GFK) versetzt. Somit bietet der Innenraum genügend Platz, um die gewünschten Injektionsarbeiten auszuführen. Das AT - Drainagesystem besteht aus einem innenliegenden Stahlrohr, das von einem PVC-Drainagerohr umhüllt wird. Dieses System hat ebenfalls keine statische Tragfähigkeit und wird sowohl im Tunnelbau als auch in der Geotechnik zur Entwässerung des Baugrunds eingesetzt. Der Einsatzbereich des Systems geht dabei von klüftigem Gebirge bis hin zu weichem Baugrund. Der Einsatz des Systems kann sowohl temporär, z.B. vortriebsbegleitend im Tunnelbau, oder stationär, z.B. bei der Entwässerung eines durchnässten Hangs, sein. Beim maschinellen Vortrieb wird dieses System als vorrauseilende oder baubegleitende Maßnahme eingesetzt. Es kann allerdings auch gezielt zum Abbau des Wasserdrucks in Störungszonen vor dem Durchörtern eingesetzt werden. Dabei kann die Dränage wie in den meisten Fällen gravitativ erfolgen, aber auch in Kombination mit Vakuumpumen durchgeführt werden. Bei den Drainagerohren kann zwischen zwei Dimensionen gewählt werden: Außendurchmesser 76 mm (AT - 76/DR) oder 118 mm (AT - 118/DR). Damit es nicht zum Ausspülen von Material kommt, ist die Öffnungsweite der Dränageschlitze in den PVC-Rohren von 0,5 bis 1,5 mm veränderbar. Je nach Projektanforderungen kann es sinnvoll sein, die verschiedenen Systeme miteinander zu kombinieren. Üblicherweise werden dabei verschiedenartige Rohrstränge örtlich voneinander versetzt eingebaut. Es ist allerdings in Sonderfällen auch möglich und sinnvoll, verschiedene Rohrtypen in einem Rohrstrang einzusetzen.

2.3 Spülsystem Die Spülflüssigkeit wird durch das Bohrgestänge zur Bohrkrone gefördert. Das dort aufgenommene Bohrklein gelangt noch an der Bohrkrone wieder ins Innere der Verlängerungsrohre und wird auf diesem Weg aus dem Bohrloch transportiert (Bild 3). Dadurch kann der Ringraum zwischen Baugrund und Verlängerungsrohr klein gehalten werden, was Vorteile für die Richtungsstabilität und die Bohrgeschwindigkeit in sich birgt. Im weichen Baugrund werden dadurch mögliche Setzungen und der negative Einfluss des Spülwassers auf die Baugrundeigenschaften minimiert.

2.4 Bohrkronen und Startereinheiten

Bild 3. Einbohren eines Dränagerohrs mit innenliegender Spülung Fig. 3. Installation of a drainage pipe with backflow inside the pipe

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Die Bohrkronen sind sehr entscheidend für den Bohrfortschritt und müssen deshalb an die Eigenschaften des anstehenden Baugrunds angepasst werden. Ein Sonderfall besteht bei rolligem oder fließendem Gebirge. Unter diesen Bedingungen muss der Rückstrom des Materials kontrolliert abgeführt werden. Dies wird durch eine beson-

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unless special measures are taken. The holes in this case are normally drilled using a preventer suitable for the needs of the individual project (Figure 4). In order that the pipe can be extended without trouble and not hindered by water inflow, it has to be possible to seal the entire length of the pipe while an extension is fitted so that the hole can be drilled to the required depth.

3 Calculation example The following example is intended to provide an idea of the structural load-bearing capacity of a pipe umbrella in mechanised tunnelling. The purpose is to determine the maximum length, which can be bridged, to support a zone of faulted rock. The length of the zone to be bridged should be well investigated with probe drillings. The maximum loading from the ground can on the other hand only be estimated with difficulty. Assuming there is no arching effect in the longitudinal direction, an area of the fault zone to be stabilised (height, width, length) is normally estimated. This load acts (uniformly distributed gravitational load) on the pipe umbrella support. In this example, supported heights of 3 m and 6 m are considered in the calculation. For the calculation of the loading, a pipe spacing of 40 cm and a specific weight of 2.5 t/m3 are assumed. The structural system for this calculation is shown in Figure 5 [4]. The bending curves and the bearing reactions are calculated iteratively. In this calculation, the bearing reaction formulation of Oreste and Peila [5] is used, which can be applied for both the ground and the support. For simplification, a symmetrical system with stiff bearings is assumed in the example. As a pipe umbrella cannot be assumed to provide any load-bearing effect perpendicular to the tunnel axis, even after grouting, each pipe in the umbrella transfers loads individually down to the bearing, so it is sufficient to calculate the load-bearing effect of one pipe. As there are various possibilities available for the selection of the pipes and connections, three types of pipes are compared from now on. As a pipe in an umbrella cannot be drilled in one piece from a TBM, (threaded) connections have to provide force transfer between the sections. The most commonly used threaded connections are simply cut into the ends of the pipe sections, called here Variant 1. Since this type of connection weakens the cross-sectional area and reduces the load-bearing capacity through notching [2], a stiffer and stronger connection has been developed, which is called nipple connection and is listed as Variant 2. Because only slight curvature of the umbrella pipes results from the small-scale load transfer processes in sequential tunnelling, steel pipes of grade S355 are used and assumed here for Variants 1 and 2. In contrast to this, when a fault zone has to be bridged over a larger span, larger displacements and curvatures can occur respectively. The use of higher grade (S700) steel pipes can therefore be appropriate. Also in this case, which is calculated as Variant 3, special connections are required as with Variant 2 in order that the increased loading can be transferred between the individual pipe sections. As can be seen from the results shown in Figure 5, the differences between the three variants are considerable.

Bild 4. Installation eines AT - GFK-Injektionsrohrs durch einen an der Bohrgasse befestigten Preventer Fig. 4. Installation of an AT - GRP-Injection Pipe through a preventer mounted on a drilling channel

dere Ausführung der Startereinheit ermöglicht, bei der die Rückspülung nicht direkt bei der Bohrkrone sondern im hinteren Bereich der Startereinheit kontrolliert ins Rohrinnere geführt wird. Unter Druck anstehendes Bergwasser kann bei Verwendung einer normalen Startereinheit zu gravierenden Problemen beim Verlängern des Bohrstrangs führen, da der Rohrstrang wie eine Entwässerungsbohrung wirken würde und das Bergwasser ohne besondere Vorkehrungen unkontrolliert über das Rohr und den Ringraum ins Innere der TVM eindringen könnte. Solche Bohrungen werden normalerweise durch einen den Projektanforderungen angepassten Preventer ausgeführt (Bild 4). Damit das Verlängern des Bohrstrangs reibungslos funktioniert und nicht durch Bergwasserzufluss behindert wird, muss es jedoch möglich sein, den gesamten Bohrstrang für den Zeitraum des Verlängerns abzudichten, damit die Bohrung bis zur geplanten Länge abgeteuft werden kann.

3 Berechnungsbeispiel Das folgende Beispiel soll eine Vorstellung für die statische Tragfähigkeit eines Rohrschirms im maschinellen Vortrieb geben. Dabei ist es das Ziel, die maximal zu überbrückende Länge zum Sichern einer Zone mit Störungsgestein zu ermitteln. Die Länge der zu überbrückenden Zone ist durch Vorausbohrungen gut zu erkunden. Die maximale Belastung durch den Baugrund hingegen ist meist nur schwierig abzuschätzen. Unter der Annahme, dass sich in Längsrichtung keine Gewölbewirkung ausbildet, wird in der Regel ein zu stabilisierender Bereich (Höhe, Breite, Länge) in der Störungszone abgeschätzt. Dieser wirkt dann als Belastung (gravitative Gleichlast) auf die Rohrschirmstützung. In diesem Beispiel werden zu stützende Höhen von 3 m beziehungsweise 6 m für die Berechnung herangezogen. Zur Berechnung der Belastungen wurden ein Rohrachsabstand von 40 cm und eine spezifisches Gewicht von 2,5 t/m3 angenommen.

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Bild 5. Statisches System und Berechnungsergebnisse Fig. 5. Static system and results of the calculation

The higher steel grade and the better connections deliver the strongest combination, which can bridge over the material to be supported over a length of over 4 m with a height of 3 m. This value could also be increased without great extra expense by installing a second layer of umbrella. A further factor that has not yet been considered is the effect of grouting works to stabilise the ground, which could be installed at the required location with the appropriate drilling pattern and could considerably improve both the load-bearing capacity of the pipe umbrella and of the ground.

4 Project example, New Kaiser Wilhelm Tunnel In order to improve the safety level in the event of an accident, a new second bore with eight connection structures is being constructed parallel to the existing Kaiser-Wilhelm Tunnel, which was originally built between 1875 and 1878 and opened on 15 May 1879. The old tunnel passes through a spur – called the Cochemer Krampen – which projects far to the east on the left bank of the River Mosel between Cochem and Eller. The tunnel has a length of 4,205 m and a clear opening section of about 50 m2. The maximum overburden is 255 m. The new tunnel bore runs between the stations at Cochem and Ediger-Eller, approximately parallel to the east of the existing tunnel with an axis spacing of about 26m. The tunnel length, measured from portal foot to portal foot is 4,242 m. A length of 4,183.6 m of the New Kaiser Wilhelm Tunnel is being driven underground using a tunnel boring machine: – Segment internal diameter: 9.0 m, – Segment external diameter: 9.8 m, – Excavation diameter: 10.12 m.

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Das statische System, das bei dieser Berechnung zugrunde gelegt wird, ist in Bild 5 angegeben. Dieses System wurde in Volkmann und Schubert [4] vorgestellt. Dabei werden iterativ die Biegelinie und die daraus folgenden Auflagerreaktionen berechnet. In dieser Berechnung werden die Auflagerformulierungen von Oreste und Peila [5] verwendet, die sowohl für Baugrund als auch Ausbau angewendet werden können. Zur Vereinfachung wird in diesem Beispiel ein symmetrisches System mit ident steifen Auflagern verwendet. Da bei einem Rohrschirm auch nach erfolgter Injektion keine Tragwirkung normal zur Tunnelvortriebsachse garantiert werden kann, trägt jedes Rohrschirmrohr einzeln die Lasten in Längsrichtung in die Auflager ab. Aus diesem Grund reicht es aus, die Tragwirkung eines Rohrs zu berechnen. Da es verschiedene Möglichkeiten für die Auswahl der verwendeten Rohre und Verbindungen gibt, werden im Folgenden drei ausgewählte Rohr-Varianten verglichen. Da in einer TVM ein Rohrschirmrohr nicht in einem Stück eingebohrt werden kann, müssen (Gewinde-) Verbindungen die Kraftübertragung zwischen den einzelnen Rohrstücken gewährleisten. Die am häufigsten verwendeten Gewindeverbindungen werden einfach in die Enden der Rohre geschnitten. Diese Verbindungsart stellt Variante 1 dar. Da bei dieser Verbindungsart die Querschnittsfläche geschwächt wird und zusätzliche Kerbstellen die Tragwirkung verringern [2], wurden steifere und stärkere Verbindungsarten entwickelt. Diese so genannte Nippelverbindung wird in Variante 2 berücksichtigt. Weil aus den kleinräumigen Lastumlagerungsprozessen beim zyklischen Vortrieb nur geringe Krümmungen der Rohrschirmrohre resultieren, werden Stahlrohre der Güte S355 verwendet und hier für Variante 1 und 2 angenommen. Im Vergleich dazu können bei der weiträumigeren Stützung einer zu überbrückenden Störungszone größere Verschiebungsbeträge beziehungsweise Krümmungen auftreten. Deshalb kann die Verwendung von Rohren mit höherer Stahlgüte (S700) sinnvoll sein. Auch für diesen Fall, der als Variante 3 berechnet wird, sind spezielle Verbindungen wie bei Variante 2 notwendig, damit die erhöhten Traglasten zwischen den einzelnen Rohrstücken übertragen werden können. Wie die in Bild 5 dargestellten Ergebnisse zeigen, sind die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der drei Varianten gravierend. Die höhere Stahlgüte und die besseren Verbindungen ergeben die stärkste Kombination, die bei 3 m hohem, zu stützendem Material eine Länge von über 4 m überspannen kann. Diese Werte können durch das Einbringen eines zweiten Rohrschirmniveaus noch ohne großen Aufwand erhöht werden. Ein weiterer Faktor der hier noch nicht berücksichtigt wurde, ist die Wirkung von baugrundstabilisierenden Injektionsmaßnahmen, die durch entsprechende Bohrraster gezielt an die richtige Stelle gesetzt werden und sowohl das Tragverhalten des Rohrschirms als auch das des Baugrunds erheblich verbessern können.

4 Projektbeispiel Neuer Kaiser Wilhelm Tunnel Parallel zum bestehenden Kaiser-Wilhelm-Tunnel, der in den Jahren 1875 bis 1878 erbaut und am 15. Mai 1879 in Betrieb genommen wurde, wird zur Verbesserung des mo-

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The surrounding ground is part of the Rheinisches Schiefergebirge, which mostly consists of Lower Devonian sedimentary beds (slate, fine sandstone). The project area lies on the northwest flank of the so-called Moselmulde, which has been highly affected tectonically with the strata being tipped over. The stratification is cut through by numerous faults parallel to the strata or the cleavage, which are flat to steeply standing. Because of the prevailing geological conditions, the tunnelling machine was planned to operate in two modes for “open” or “closed” tunnelling, with most of the drive being in rock and therefore in open mode without face support. It was also specified in the contract that various auxiliary measures or probing or underground improvement had to be available. During the tunnel drive, there were repeated rockfalls and failures of the face due to encountered small to extensive fault zones. At about TM 1050, there were rockfalls and failures of the face over many metres, so that various measures for the overcoming of the fault zone had to be discussed with the client straight away. According to a proposal by the contracting consortium NKWT, it was agreed that the measures should include a pipe umbrella using the AT - Casing System with an external diameter of 76 mm to strengthen the ground locally in the crown and improve the load-bearing capacity. This was to be a combined pipe umbrella of GRP and steel pipes, as the GRP pipes were to be installed near the TBM shield to prevent jamming of the machine. This was done by drilling 17 m long pipes through twelve drilling channels in the crown of the TBM with an average spacing of 10° and an inclination of 10° into the surrounding ground (Fig. 6). The holes were drilled from the drill carriage already mounted on the erector of the TBM. Each hole contained a starter pipe with integrated drill bit, three steel extension pipes each 3 m long, a special transition sleeve in the steel pipe for connecting the GRP pipes and three GRP pipes each 2 m long. The GRP pipes were installed particularly in the shield area, as it was not possible to ensure the successful dismantling of the pipes above the shield skin in the drilling channel of the TBM. GRP pipes were accordingly provided at the end of each pipe length and the hole was drilled deep enough to ensure that all steel parts of the pipe umbrella would be outside the shield skin so the work of the TBM could be continued without interruption after the installation of the pipe umbrella. As the connection of the steel pipes to the GRP pipes was solved by a simple steel push-in sleeve, the GRP pipes also had to be secured against unintended pulling out when the drill rod was removed. After the pipe umbrella had been completely drilled, the pipes were fitted with manchette packers at the individual valves and grouted with very fine cement grout.

5 Conclusions In recent decades, numerous tunnels have been completed successfully with the aid of pipe umbrella systems. Ever-improving investigation ahead of mechanised drives detects fault zones more efficiently and makes it possible to plan and implement suitable measures to ensure safe

Bild 6. Bohrschema Rohrschirm Fig. 6. Drilling-scheme for pipe umbrella

mentanen Sicherheitsniveaus im Katastrophenfall eine neue zweite Röhre mit acht Verbindungsbauwerken zum bestehenden Tunnel hergestellt. Der alte Tunnel durchquert einen zwischen Cochem und Eller auf der linken Moselseite einen sich weit nach Osten hin vorschiebenden Gebirgsvorsprung – den so genannten Cochemer Krampen – in einer Länge von 4.205 m und einem lichten Querschnitt von ca. 50 m2. Die größte Überdeckung beträgt 255 m. Die neue Tunnelröhre verläuft zwischen den Bahnhöfen Cochem und EdigerEller etwa parallel zum bestehenden Tunnel in östlicher Lage mit einem Achsabstand von etwa 26m. Die Tunnellänge, gemessen von Portalfuß bis Portalfuß, beträgt 4.242 m. Auf einer Länge von 4.183,6 m wird der Neue Kaiser Wilhelm Tunnel bergmännisch unter Verwendung einer Tunnelvortriebsmaschine aufgefahren: – Tübbinginnendurchmesser: 9,0 m, – Tübbingaußendurchmesser: 9,8 m, – Ausbruchsdurchmesser: 10,12 m. Das anstehende Gebirge ist Teil des Rheinischen Schiefergebirges, das überwiegend aus unterdevonischen sedimentären Schichten (Tonschiefer, Feinsandsteine) aufgebaut ist. Das Projektgebiet liegt an der Nordwest-Flanke der so genannten Moselmulde, die tektonisch stark beansprucht wurde und in der die Schichten überkippt sind. Die Schichtenfolge wird von zahlreichen schicht- bzw. schieferungsparallelen Störungen durchzogen, die flach bis steilstehend sind. Aufgrund der vorhandenen geologischen Bedingungen war eine Vortriebsanlage im Dual-Mode für einen „offenen“ und „geschlossenen“ Vortrieb vorgesehen, wobei der größte Teil des Vortriebs im Fels und somit im offenen Modus, ohne Ortsbruststützung vorgesehen war. Ebenso war es eine vertragliche Forderung, dass verschiedene Zusatzmaßnahmen zur Gebirgserkundung oder untertätigen Gebirgsverbesserung umgesetzt werden können. Während des Vortriebs kam es infolge des Antreffens lokaler bis großräumiger Störzonen wiederholt zu Nachund Vorausbrüchen an der Ortsbrust. Bei ca. TM 1050 kam es zu Nach- und Vorausbrüchen von mehreren Metern, sodass kurzfristig mit dem Bauherrn verschiedene Maßnahmen zur Bewältigung der Störzone besprochen

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and rapid tunnelling from an early stage. The rapid and uncomplicated installation of pipe umbrella systems combined with the wide scope of application offer uncomplicated solutions in many difficult cases. This will result in the increasing use of pipe umbrellas in the future, both as an additional support measure and combined with grouting for ground improvement, as has already been shown by recent developments. References [1] Mager, W. & Mocivnik, J.: Modern Casing Technology Sets a Milestone in Drilling and Ground Anchoring. Felsbau 18 (2000) No. 6, S. 43–49. [2] Volkmann, G.M. & Schubert, W.: Tender Document Specifications for Pipe Umbrella Installation Methods. In Proceedings of the ITA-AITES World Tunneling Congress 2008, Volume 1. Central Board of Irrigation & Power, Agra, India, 2008. [3] Volkmann, G.M. & Schubert, W.: Geotechnical Model for Pipe Roof Supports in Tunneling. In Proc. of the 33rd ITAAITES World Tunneling Congress, Underground Space – the 4th Dimension of Metropolises, Volume 1, pp. 755–760. Taylor & Francis Group, 2007. [4] Volkmann, G.M. & Schubert, W.: A load and load transfer model for pipe umbrella support. In Proc. of EUROCK 2010. Lausanne, Switzerland, 2010. [5] Oreste, P.P. & Peila, D.: 1998. A New Theory for Steel Pipe Umbrella Design in Tunnelling. Proc. of the 24th ITA-AITES World Tunnelling Congress, Tunnels and Metropolises. pp. 1033–1039. Rotterdam: Balkema, 1998.

wurden. Auf Vorschlag der bauausführenden Arbeitsgemeinschaft NKWT wurde vereinbart, dass unter anderem ein Rohrschirm mittels AT - Hüllrohrsystem mit Außendurchmesser 76 mm eingesetzt wird, um das anstehende Gebirge lokal im Firstbereich zu verfestigen und das Tragverhalten zu verbessern. Hierbei handelt es sich um einen kombinierten Rohrschirm aus GFK- und Stahlrohren, da die GFK-Rohre im Nahbereich des TVM-Schilds eingesetzt werden mussten, um ein Festklemmen zu verhindern. Hierzu wurde durch zwölf Bohrkanäle im Firstbereich der TVM mit einer durchschnittlichen Teilung von 10° und einer Neigung von ebenfalls 10° je 17 m lange Rohre in den anstehenden Baugrund abgeteuft (Bild 6). Als Bohrausrüstung diente die auf der TVM vorhandene, an den Erektor zu montierende Bohrlafette. Eine Bohrung bestand aus einem Anfängerrohr mit integrierter Bohrkrone, drei Verlängerungsrohren aus Stahl mit je 3 m Länge, einer speziellen Übergangsmuffe im Stahlrohr für den Übergang auf die GFK-Rohre sowie drei GFK-Rohre zu je 2 m. Die GFK-Rohre wurden speziell im Schildbereich eingesetzt, da eine Demontage der Rohre im Bohrkanal der TVM bis über den Schildmantel hinaus nicht sicherzustellen war. Entsprechend wurden die GFK-Rohre am Ende des Bohrstrangs angeordnet und die Bohrung entsprechend tief abgeteuft, sodass sichergestellt war, dass sich sämtliche Stahlteile des Rohrschirms außerhalb des Schildmantels befanden und der weitere Vortrieb mit der TVM nach dem Herstellen des Rohrschirms störungsfrei fortgeführt werden konnte. Da die Verbindung der Stahlrohre zu den GFK-Rohren über eine einfache Steckmuffe gelöst wurde, mussten die GFK-Rohre beim Ausbau des Innengestänges zusätzlich gegen unbeabsichtigtes Herausziehen gesichert werden. Nachdem vollständigen Abteufen des Rohrschirms wurden die Rohre an den einzelnen Ventilen mit einem Manschettenrohrpacker gezielt angefahren und mit Feinstzement verpresst.

5 Schlussfolgerungen Dipl.-Ing. Günther M. Volkmann Dywidag-Systems International GmbH Alfred-Wagner-Straße 1 4061 Pasching Austria guenther.volkmann@dywidag-systems.at

Ing. Marco Reith Alpine BeMo Tunnelling GmbH Bernhard-Höfel-Straße 11 6020 Innsbruck Austria marco.reith@alpine.at

Dipl. Ing. Thomas Berner Alpine Untertagebau GmbH Fürholzener Straße 12 85386 Eching Germany thomas.berner@alpine-bau.de

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In den letzten Jahrzehnten sind viele Tunnelabschnitte mit der Unterstützung von Rohrschirmsystemen erfolgreich aufgefahren worden. Durch die immer bessere Vorauserkundung bei kontinuierlichen Vortrieben werden Störungszonen effizienter erkannt und geeignete Maßnahmen, die ein sicheres und schnelles durchörtern ermöglichen, können frühzeitig geplant und eingeleitet werden. Die schnelle und unkomplizierte Installation von Rohrschirmsystemen gepaart mit der vielseitigen Anwendbarkeit bietet bei vielen schwierigen Situationen eine unkomplizierte Lösung an. Deshalb werden, so wie die letzten Entwicklungen zeigen, zukünftig vermehrt Rohrschirme als zusätzliche Stützmittel und in Kombination mit Injektionen als gebirgsverbessernde Maßnahme eingesetzt werden.

Topics Karl-Gunnar Holter Hans-Olav Hognestad

DOI: 10.1002/geot.201200001

Modern pre-injection in underground construction with rapid-setting microcements and colloidal silica – applications in conventional and TBM-tunnelling The pre-injection method of injection ahead of the excavation face in underground construction can offer significant advantages in many situations. This is particularly the case in difficult ground conditions with water ingress or in mechanically poor ground or soil, in which pre-injection can help avoid problems and serious delays. Modern cost-effective methods and material technology for pre-injection in underground construction aim to achieve the desired result as fast as possible, hence reducing downtime during the excavation as much as possible. This paper reports a successfully resolved difficult case in which pre-injection with rapid-setting microcement was employed in combination with colloidal silica. The recent further improvement of the technical performance and versatility of rapid-setting microcements through the use of controlled and precise addition of accelerators is also reported. Moderne Vorausinjektionen im Untertagebau mit schnell abbindenden Mikrozementen und kolloidaler Kieselsäure – Anwendungen im konventionellen und maschinellen Tunnelbau Die Vorausinjektionsmethode oder Injektionen vor der Ortsbrust im Untertagebau bieten in vielen Situationen wesentliche Vorteile. Dies ist insbesondere der Fall bei schwierigen Baugrundverhältnissen wie dem Eindringen von Wasser oder Boden mit schlechten mechanischen Eigenschaften, in denen mittels Vorausinjektion Probleme und erhebliche Verzögerungen vermieden werden können. Moderne kostengünstige Methoden und Material-Technologie für Vorausinjektionen im Untertagebau sollen das gewünschte Ergebnis möglichst schnell erzielen, um die Ausfallzeiten während des Vortriebs soweit wie möglich zu reduzieren. Dieser Beitrag berichtet über ein erfolgreich gelöstes Fallbeispiel, bei der die Vorausinjektion mit schnell abbindenden Mikrozementen in Kombination mit kolloidaler Kieselsäure angewandt wurde. Weiterhin wird über die aktuelle Verbesserung der technischen Leistungsfähigkeit und der Vielseitigkeit der schnell abbindenden Mikrozemente durch die kontrollierte, präzise Zugabe von Beschleunigern berichtet.

1 Introduction 1.1 Background Collapses of the tunnel face or unexpected high water inflows are not an uncommon experience when tunnelling in geologically difficult ground like fault zones in Alpine terrain, or in shallow tunnels influenced by weathering or low rock stresses. Tunnelling in urban areas often involves shallow tunnels, proximity to existing underground struc-

tures, as well as establishing connections between underground structures. The consequences of groundwater lowering or deformations in the ground caused by instabilities are unacceptable due to the possible impact on buildings with sensitive foundations. This paper addresses the issue of how pre-injection in shallow tunnels can greatly reduce the risk of problems. The state-of-the art technology within rapid-setting microcements and liquid colloidal silica is particularly emphasized. This technology can significantly improve the costeffectiveness and technical feasibility of tunnelling in a sensitive environment in difficult ground. The recent improvement of pre-injection technology, which employs controlled-acceleration setting of microcements, opens new possibilities for the use of cementituous injection technology. The main practical example examined in this paper used the drill and blast method; however a shorter reference also looks at the application of colloidal silica in TBM tunnelling.

1.2 The pre-injection method The basic idea of pre-injection is to treat the ground prior to excavation by injecting a grout into the ground. The grout is introduced into the ground through drillholes or pipes and by pumping under pressure. Pre-injection consists of the following main steps: – drilling of holes or pipes for the injection, – injection until the termination criteria are reached, – evaluation or control of the injection result: decision whether to repeat the injection or to commence excavation through the treated ground. In addition to these three main steps in the actual injection cycle, there is a preparatory process of determining the main scope and location of the injection works. This includes the following important issues: – exploratory drillings to determine the initial state of the ground to be treated, – exact location to establish the drillings for the injection, – injection method, main features, – grout types, grout mix designs. It is important to understand a pre-injection scheme in tunnelling as a sequence of decisions actively made at sev-

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eral stages in the injection cycle. Management of the injection works is therefore a crucial factor in order to achieve cost-effectiveness.

1.3 What can be achieved by pre-injection? Pre-injection can have two main goals: – reduce the permeability of the ground and thus reduce the flow of water into the tunnel after excavation, – improve the mechanical properties of the ground and thus provide improved stability of the ground during the excavation and support of the tunnel. In the case reported in this paper, the chosen injection method addressed the issue of achieving the best possible penetration of the grout into the ground. This is a process, which aims to optimise the drilling pattern in combination with the use of pipes for injection and the specification of the appropriate characteristics for the grout. If the intention is permeability reduction, the main goal is to fill the water-bearing discontinuities with a stable grout that seals off the water flow. If the intention is mechanical improvement of the ground properties, the grout needs to achieve a certain final mechanical strength. In many cases, a combination of both effects is desirable.

1.4 Method considerations Before the technical details of a pre-injection scheme are designed, the overall method should be considered. The layout of the method comprises decisions at a strategic level for the pre-injection works including the fundamental approach to achieving the desired result. The basic framework of the operations in the injection cycle is laid out in this process. This planning process needs to give the necessary information for the specification of equipment such as the depth of holes to be drilled and any drilling equipment to be installed on TBMs (Figure 1).

Fig. 1. Drilling ahead of the tunnel face for pre-injection using a conventional drilling jumbo for hard rock drill-andblast excavation Bild 1. Bohrungen für Vorausinjektionen in einem Sprengvortrieb, erstellt mit dem Tunnelbohrwagen

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The main issues to consider in this planning process are the following: – ground properties and their suitability for drilling, – method of drilling the holes or pipe installation, – packer system to suit the chosen hole diameter or pipe, – grout mix designs to suit the required penetration, early strength and long-term material properties, – considerations regarding injection pressures, – termination criteria for the injection process, – simple control measures to verify that the injection result meets the requirements. It is important to understand an injection operation as a complete process. All the above-mentioned issues should always be considered during the planning process. A frequently misunderstood feature is the grouting pressure. Very often, maximum permitted grouting pressures are specified at far too low a level. The main reason frequently stated is that a higher grouting pressure might produce a global pressure build-up in the ground, and hence lead to a risk of hydrofracturing or undesired penetration of grout far away from the location of the injection. However, there may be good reasons for low pressure thresholds in low-cover urban tunnel situations. Barton and Quadros [3] demonstrate that injection pressures measured at the injection lance (at the collar of the drillhole) do not correspond to the pressure of the grout in the actual ground in most cases. As long as there is a flow of grout, there is a significant drop of pressure in the immediate vicinity of the drillhole into the ground. Another important issue is to always bear in mind that an injection operation is a cycle in which decisions are made with regard to specific criteria (pre-defined or subject to adjustment). These decisions are made at each step of the injection cycle. Therefore pre-injection is a type of work, which requires experienced hands-on management on a continuous basis during the works.

2 Modern cementitious and mineral grouts for penetration into soils and fine-jointed rock 2.1 Characteristics of the grout Injection in difficult ground requires the complete method to be specially adapted in order to achieve the desired penetration into the ground. A very essential detail in this context is the choice and design of the proper grout characteristics with special emphasis on penetrability. The penetrability of a grout is difficult to measure or verify directly. Penetrability describes the ability of a grout to enter into a medium such as a granular soil or fine joints in a rock mass under a certain injection pressure. The penetrability of a grout for injection purposes in underground construction is mainly influenced by three measurable material properties (Figure 2). The grain size is decisive for penetrability into fine joints as well as permeating between the grains in a soil. Figure 3 illustrates the importance of grain size for the penetrability in joints in rock. The viscosity is important, as it will directly influence the shear stresses in a grout when it is flowing through joints or between the grains in a soil.

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Fig. 2. Penetrability of grout principally depends on three factors Bild 2. Die Eindringfähigkeit des Injektionsguts ist von drei Faktoren abhängig Fig. 4. Simplified graphical representation of four main types of penetration of a grout (dark grey) in a soil: A – replacement (jet-grouting), B – compaction, C – hydrofracturing or “clackage”, shown between or out from holes or pipes, D – permeation, shown starting from holes or pipes [1] Bild 4. Vereinfachte Darstellung der vier Haupteindringarten von Injektionsgut (dunkelgrau) im Boden: A – Ersatz (DSV), B – Verdichtung, C – Hydrofracking zwischen oder ausgehend von Bohrlöchern oder Rohren, D – Durchdringung ausgehend von Borhlöchern oder Rohren [1]

Table 1. Main technical properties of liquid colloidal silica (Meyco MP320) for injection in rock and soil Tabelle 1. Technische Eigenschaften von flüssigen kolloidalen Kieselgel (Meyco MP320) für Injektionen in Fels und Boden Fig. 3. Graphical representation to scale of grain sizes of cement grouts with respect to a relevant joint aperture in rock for penetration (0.02 mm) Bild 3. Maßstabsgerechte Darstellung der Korngröße von verschiedenen Injektionsmitteln in Bezug auf eine injektionsrelevante Kluftweite im Gebirge (0,02 mm)

The lower the viscosity, the lower the shear stresses in the grout and hence, the lower the injection pressure which is required to sustain the flow of the grout into the ground. The stability of the grout is important, as it will directly influence the capability of the cement in the grout to penetrate into fine discontinuities. Bleeding, in which the cement grains separate from the grout mix and clog the entrances to the fine joints, does not occur with a stable grout mix. For soil injection purposes, one must carefully consider which intended improvement effect and penetration mechanism to plan when designing the grout mixes and the method. Four examples of soil improvement mechanisms are shown in Figure 4.

2.2 Rapid-setting microcements These cements were originally designed as tunnel injection cements with the main emphasis on cost-effectiveness

Property

Range or value

Typical grain size

0.016 μm

Viscosity of grout

5 to 6 m · Pa · s

Setting time

10 min to 2 hrs (controllable)

Final strength, pure resin

≈ 0.2 MPa

Final strength, resin & sand*

≈ 1 MPa

Final strength, resin & sand**

0.4 to 0.7 MPa

** Sand with gradation 0.2 to 0.5 mm injected in laboratory ** Example from an in-situ injected loose sand in a tunnel

in tunnelling. They are available in the grain size range typical for microcements down to the ultra-fine microcement range. These cements offer particular advantages in tunnelling. The main advantages are: – small grain size, – excellent stability and low viscosity even at relatively low water/cement ratios ( e.g. 1.0 ), – excellent penetrability due to the grain size distribution, stability and viscosity characteristics, – setting within 1.5 to 2 hours (w/c ratio 1:1, 20 °C), almost all waiting time for setting eliminated, – rapid-setting characteristics, even in cold groundwater conditions.

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

K.-G. Holter/H.-O. Hognestad · Modern pre-injection in underground construction with rapid-setting microcements and colloidal silica – applications in conventional and TBM-tunnelling

2.3 Liquid colloidal silica This grout type consists of silica grains (SiO2) in the nanometric scale in a colloidal solution in water. The typical grain size is 0.016 μm. Its viscosity is 5 to 6 m · Pa · s, which is slightly higher than water. These technical properties offer a unique performance in a number of injection situations. Colloidal silica, in contrast to silicates and acrylates, is a completely non-toxic product, which makes it unique in terms of environmental friendliness and health and safety. Colloidal silica is a mineral grout and designed for permanent long-term purposes, whereas silicates only can have a temporary function (Table 1). The penetrability of colloidal silica in jointed rock and soils is graphically illustrated in Figure 4. The simplicity of application, which uses the same equipment as for cementitious grouting, makes this system very suitable as a supplement to cementitious grouting.

3 Case example: Maneri Bhali hydropower scheme, difficult pre-injection in a fault zone 3.1 The problem The headrace tunnel for the Maneri Bhali hydroelectric power project phase 2 (Uttaranchal Province, India) passes under a valley with low rock cover. The tunnel was excavated by drill-and-blast and supported by steel sets and lagging with concrete backfill. The situation with valley underpass and the main geological formations is shown in Figure 5. The valley corresponds to a regional weakness zone, which intersected approximately 300 m length of the tunnel. The weakness zone exhibited densely jointed and partially crushed mica-quartzite schist. The entire weakness zone was highly permeable; hence high water inflows were encountered. The valley had been passed under with serious difficulty during a construction attempt several years earlier. No pre-injection was carried out at this stage. The highly jointed and crushed rock, combined with the low overburden of only 20 to 25 m (of which only

about 5 m rock) at the shallowest, imposed a critical point in the headrace tunnel. The maximum water pressure in the tunnel during the operation of the power plant would be 10 bar. This would create a potential risk of hydrofracturing and leakages out of the headrace tunnel. There would also be a risk of pressurising the water in the surrounding ground, resulting in a danger of landslides.

3.2 Technical solution Previously, pre-injection with locally manufactured Ordinary Portland Cement had been attempted, but with very limited penetration into the ground. In order to address the difficult ground conditions, a two-stage pre-injection scheme with two different grout types was undertaken. The main goals of this pre-injection scheme were: – water ingress reduction and stabilisation of the ground in the weak zone to facilitate the establishment of a sufficient rock support as well as the structural and waterproofing lining of the tunnel, – to facilitate safe conditions for excavation and immediate support of the tunnel as well as making it possible to construct the final lining. The main feature of the injection method was injection through grouted steel pipes with a length of 2.5 m. The high degree of jointing and crushing of the rock mass severely limited the drilling operation. Each of the steel pipes was therefore used for repeated drilling and injection. The first drilling and injection step through the steel pipes reached 6 m in front of the tunnel face. The second step reached 8 to 11 m, and the third and final step reached 13 m in front of the tunnel face. The first stage consisted of injection of rapid-setting microfine cement. The rapid setting of this cement allowed continuous operation (no waiting time) with drilling, injection and subsequent re-drilling to greater depth through the same steel pipes without damage to the previously injected volume. The second main stage was the injection of liquid colloidal silica featuring extremely low viscosity and grain size in the nanometric scale. The finest joints as well as joints with fillings were grouted, and a very satisfactory result in terms of water ingress reduction and ground improvement was achieved. The second stage was geometrically laid out in a way that it would be enveloped by the grouted rock mass from the first stage. In this way the injection of the low-viscosity grout would entirely take place where the microfine cement had already been injected.

3.3 Technical result

Fig. 5. Headrace tunnel of the Maneri Bhali hydropower project; longitudinal section of the difficult zone [5] Bild 5. Triebwasserstollen des Wasserkraftprojekts Maneri Bhali; Längsschnitt der schwierigen Zone [5]

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The first stage injection with rapid-setting microcement showed a relatively limited grout take of only 100 to 150 kg per m drillhole when the termination pressure of 60 bar was reached. Bearing in mind the seepage encountered in the drillholes, one would expect a higher grout take. The reason for the relatively low grout take was joint fillings consisting of silt and clay particles, which in turn limited the penetration of the grout created by filtration.

K.-G. Holter/H.-O. Hognestad · Modern pre-injection in underground construction with rapid-setting microcements and colloidal silica – applications in conventional and TBM-tunnelling

Fig. 6. Principal layout of the equipment needed for the pre-injection method with accelerated microcement grouts Bild 6. Grundsätzliche Anordnung der benötigten Geräte für die Vorausinjektion mit beschleunigten Mikrozementmörteln

The first stage injection fan with microcement was always completed around the full circumference of the tunnel before the secondary fan was attempted. The reason for this was that the first stage injection provided penetration of grout into the joints with the largest apertures. The second injection stage with low-viscosity grout could therefore be targeted for the finer joints and the joints, which were partially filled with clay and silt. The secondary fan was injected with a termination pressure of 25 bar, or approximately 100 kg grout per m drillhole. Injection beyond a pressure of 25 bar with liquid colloidal silica usually showed signs of hydrofracturing. The result was a literally dry and stable tunnel contour. No excessive breakouts of rock or cave-ins occurred during excavation through the weakness zone.

faults. Some extremely poor ground was encountered, with static groundwater head of up to 20 bar (300 psi), making conditions very difficult. The use of colloidal silica allowed permeation into the unstable flowing ground where ultrafine cement could not penetrate adequately, thus completing the grouting coverage and preventing local blowouts. The successful driving of the tunnel through such adverse conditions is not only attributed to the use of colloidal silica, but also to the custom-designed TBM that allowed the drilling of a sufficient number of bore holes to adequately cover the tunnel periphery with positions for probing and pre-excavation grouting.

5 Pre-injection with microcements with controlledacceleration setting 5.1 Background

3.4 Main experience, pre-injection Maneri Bhali The proactive approach demonstrated in this case that pre-injection of difficult ground resulted in safe, cost-effective and predictable construction conditions. The effects of the pre-injection works could be directly compared to the poor conditions and heavy water flows observed in the adjacent tunnel where pre-injection was not used. A direct comparison of the effectiveness of microfine cements and liquid colloidal silica grout compared with Ordinary Portland Cement was also clearly evident. The experience at Maneri Bhali shows that a proactive approach to drilling and grouting with a clearly defined method statement and the use of materials with the correct penetration, viscosity and rapid-setting characteristics can significantly reduce the construction time through such highly faulted, water-bearing and unstable zones (6 months in the by-pass tunnel against 18 months in the original tunnel). The low cost of pre-injection compared to post-injection techniques can also be clearly seen.

This method was introduced during the construction of the Asker-Jong (Oslo, Norway) rail tunnel in 2003-4. For

4 Case example: Pre-injection with colloidal silica in TBM tunnelling The Arrowhead tunnel in California, USA, was a 13 km tunnelling project located at the base of the San Bernardino Mountains, which are crossed by several significant

Fig. 7. Grouting plant for cementitious grouting with the integrated dosage to the lower right (courtesy: Häny AG) Bild 7. Injektionsanlage für Zementinjektionen mit integrierter Dosiereinheit (Hämy AG)

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Table 2. Comparison of setting times of different cementitious grouts using alkali-free accelerator; grout mix temperature 2 °C Tabelle 2. Vergleich von Abbindezeiten verschiedener zementgebundener Mörtel mit alkalifreien Beschleuniger, Mörteltemperatur 2 °C Cement

Water/Cement ratio Accelerator dosage [%] Initial setting time [min]

Kraftsement*

0.8

> 60

Portlandsement*

0.8

> 60

Rheocem 650

0.8

Rheocem 650

0.8

Rheocem 650

0.8

* Iceland

Table 3. Comparison of setting times of different cementitious grouts using alkali-free accelerator; grout mix temperature 10 °C. Grout poured onto concrete plate with temperature 2 °C Tabelle 3. Vergleich von Abbindezeiten verschiedener zementgebundener Mörtel mit alkalifreien Beschleuniger, Mörteltemperatur 10 °C, gegossen auf einer Betonplatte mit einer Temperatur von 2 °C Cement

Water/Cement ratio Accelerator dosage [%] Initial setting time [min]

Portlandsement*

0.8

> 120

Rheocem 650

0.8

Rheocem 650

0.8

Rheocem 650

0.8

* Kyrgyzstan

this project, sensitive water-saturated soils with foundations necessitated a thorough reduction of the permeability of the rock mass around the tunnel, which was achieved by systematic pre-injection. In order to achieve the required technical result more quickly and with less grout consumption, and with less risk of grout travelling far away or to undesired locations (grout outflow into cellars and at the surface), a technical solution with controlledacceleration setting was used [4]. An exceptionally good technical result was achieved with this method.

Rheocem micro-cements in combination with alkalifree sprayed concrete accelerators MEYCO SA162 have proven to give outstanding performance. Tables 2 and 3 show a summary of laboratory testing of different Ordinary Portland Cements and Rheocem 650 accelerated with the alkali-free accelerator MEYCO SA162 at low temperatures. These figures show that by using the proper cement, one can achieve precise and controllable accelerated setting even in very cold conditions. At higher groundwater temperatures, accelerator dosages are significantly lower.

5.2 Description of the method 5.3 Implications for tunnelling This method essentially utilizes an alkali-free sprayed concrete accelerator in order to produce early controlled setting of the micro-cement grout. One of the important details with this method is to dose the accelerator precisely and in a controlled manner. The dosage pump needs to be interfaced to the main grout pump in a way that it runs with a constant speed ratio at a given setting (dosage input in %). In this way, the accelerator dosage will remain constant even when the speed of the main grout pump changes. A diagram of the layout of such a pump is shown in Figure 6, and a prototype pump is shown in Figure 7. The other important detail is to use a combination of cement and accelerator, which gives the desired setting. Only very few combinations of cement and accelerator have been found to work in a satisfactory way.

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The controlled-acceleration cementitious pre-grouting method offers the possibility of using a cementitious system for water seepage reduction and ground improvement at much lower total cost and time consumption than is commonly experienced with cement-based injection. The result of the grouting works can be controlled to a very precise extent. This permits a significant reduction of the risk of environmental impact to be achieved. This technology can also replace costly and less environmentally friendly polyurethane injection in a number of situations. References [1] Holter, K. G., Dahl-Johansen, E. D. & Hegrenæs, A.: Tunnelling through a sandzone. Ground treatment experiences

K.-G. Holter/H.-O. Hognestad · Modern pre-injection in underground construction with rapid-setting microcements and colloidal silica – applications in conventional and TBM-tunnelling

[6] Fulcher, B.; Bednarski, J.; Bell, M.; Tzobery, S. & Burger, W.: Piercing the mountain and overcoming difficult ground and water conditions with two hybrid hard rock TBMs. Rapid Excavation and Tunnelling Conference Proceedings – 2007, Chapter 2.

Karl-Gunnar Holter BASF CC Europe AG Vulkanstraße 110 8048 Zürich Switzerland karl-gunnar.holter@basf.com Hans-Olav Hognestad BASF AS Granerud, Industriomrade Postboks 13 2120 Sagstua Norway hans-olav.hognestad@basf.com

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from The Bjorøy subsea road tunnel. In Ozdemir (ed.): North American Tunnelling ’96. Proc. World Tunnel Congress, Washington D.C. Rotterdam: Balkema, 1996. [2] Garshol, K.: Pre-injection in tunnelling – a useful measure (in German). In Riedmüller, Schubert, Semprich (eds.): Injektionen im Boden und Fels. Proc. 17. Christian Veder Kolloquium. Gruppe Geotechnik Graz, 2002. [3] Barton, N. & Quadros, E.: Improved understanding of highpressure grouting effects for tunnels in hard rock. In ISRM 2003, Technology Road Map for Rock Mechanics, South African Institute for Metallurgy and Mining 2003. [4] Hognestad, H. O. & Frogner, E.: State-of-the-art microcement pre-injection for the Asker-Jong rail tunnel, Norway. In Erdem, Solak (eds.): Underground Space Use, Analysis of the Past and Lessons for the Future. Proc. World Tunnel Congress, Istanbul. Leiden: Balkema, 2005. [5] Bahadur. A. K., Holter, K. G. & Pengelly, A.: Cost-effective pre-injection with rapid-setting microcement and colloidal silica for water ingress reduction and stabilisation of adverse conditions in a headrace tunnel. In Barták, Hrdina, Romancov, Zlamal (eds): Underground Space – The 4th Dimension of Metropolises, proc. World Tunnel Congress, Prague. London: Taylor & Francis Group, 2007.

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Geotechnische Nachweise nach EC7 und DIN 1054

Topics André Heim

DOI: 10.1002/geot.201200002

Equipment for advance probing and for advance treatment of the ground from the TBM Einrichtungen zur Vorauserkundung und vorauseilenden Gebirgsbehandlung auf einer TBM In the planning phase of a tunnel project, site investigations are carried out, geotechnical data is collected and analyses produced. A favourable and practical tunnel alignment is determined and the geological units to be bored through are described, classified and the risks for tunnelling are estimated. Nonetheless, the ground passed through will always have surprises in store, in mechanised as in conventional tunnelling, in hard rock and in loose ground. Rock type, hardness and strength, degree of jointing, occurrence and formation of fault zones and karst features, formation water ingress etc. can all deviate from the forecast information. This article is concerned with the subject of mechanised tunnel driving in hard rock, in particular with the equipment for advance probing integrated into the machine and methods of advance treatment of geologically conditioned disruptions and deviations to ensure that mechanised boring can continue in safety. This includes details of the advance probing methods used from drilling, through radar technology, to seismic applications and their possible combinations. The advance treatment of the ground that follows or is directly linked to the investigation is described through concepts and practical examples (e.g. grouting, advance drilling and pipe screens).

In der Planfeststellungsphase eines Tunnelbauprojekts werden Vorerkundungen durchgeführt, geotechnische Daten gesammelt und Analysen erstellt. Eine günstige und durchführbare Tunneltrasse wird festgelegt und die zu durchörternden geologischen Einheiten beschrieben, klassifiziert und auf tunnelvortriebsrelevante Risiken eingeschätzt. Dennoch hält der Baugrund für den maschinellen wie auch den konventionellen Tunnelbau sowohl im Hart- als auch im Lockergestein immer wieder Überraschungen bereit. Gesteinstyp, -härte und -festigkeit, Klüftungsgrad, Auftreten und Ausbildung von Störzonen und Karstvorkommen, Bergwasserzutritt u. ä. können von den prognostizierten Werten und Erkenntnissen abweichen. Der Beitrag befasst sich mit der Thematik des maschinellen Tunnelvortriebs im Hartgestein, insbesondere mit den maschinenintegrierten Einrichtungen zur Vorauserkundung sowie mit den Möglichkeiten, das Gebirge im geologisch bedingten Stör- oder Abweichungsfall soweit vorauszubehandeln, damit der maschinelle Vortrieb gesichert fortgeführt werden kann. Dabei werden die genutzten Vorauserkundungsmethoden von konventionell bohrend über Radartechnologie bis hin zu seismischen Anwendungen und möglichen Kombinationen der Methoden erörtert. Die an die Vorauserkundung anschließende oder auch mit ihr direkt verknüpfte Vorausbehandlung des Gebirges wird anhand von Konzepten und Praxisbeispielen (z.B. Injektionen, Vorausbohrungen und Rohrschirme) dargestellt.

1 General

1 Allgemeines

Herrenknecht AG develops, manufactures and delivers not only tunnel boring machines (TBM), but also highly specialised systems for both the advance investigation of the tunnel alignment and ground improvement and the maintenance of the tunnel drive when anomalies are discovered with relevance for tunnel boring. Tenders are also increasingly demanding the prospecting of the ground. For this purpose, Herrenknecht AG offers highly specialised systems for advance probing and treatment in hard rock. In addition to safety, the advance rate of a TBM is a priority in tunnelling. Delays or even stoppages of the TBM to carry out advance probing can only last a short time. If the requirements of probing demand drilling in front of the TBM associated with a longer stoppage of the machine, then this step is often combined with advance treatment and improvement of the ground.

Die Herrenknecht AG entwickelt, fertig und liefert neben den Tunnelbohrmaschinen (TBM) hochspezialisierte Systeme, die zum einen eine Vorauserkundung des Baugrunds im Trassenverlauf und zum andern bei Erkennen von vortriebsrelevanten Anomalien die Baugrundertüchtigung bzw. Aufrechterhaltung des TBM-Vortriebes ermöglichen. Zudem fordern Ausschreibungen immer häufiger die Prospektion des Baugrunds während des Vortriebs. Hierfür bietet die Herrenknecht AG hochspezialisierte Systeme zur Vorauserkundung und -behandlung im Hartgestein an. Neben der Sicherheit hat die Vortriebsleistung einer TBM Priorität beim Tunnelbau. Verzögerungen oder gar Stillstände der TBM zu Vorauserkundungszwecken sind nur in geringem zeitlichem Umfang möglich. Werden zum Zweck der Vorauserkundung Bohrungen vor der TBM und damit ein längerer Stillstand notwendig, so wird dieser Arbeitsschritt oft mit der Vorausbehandlung und Ertüchtigung des Baugrunds verknüpft.

A. Heim · Equipment for advance probing and for advance treatment of the ground from the TBM

2 Equipment for advance probing on a TBM 2.1 Integrated Seismic Imaging System (ISIS)

2 Einrichtungen zur Vorauserkundung auf einer TBM 2.1 Integrated Seismic Imaging System (ISIS)

In collaboration with the GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), Herrenknecht AG has developed the advance probing system ISIS for advance investigation in hard rock during tunnel drives. It essentially consists of three assemblies: − Sources, − Receivers with data loggers, − Computer unit with control, checking and evaluation software.

In Zusammenarbeit mit dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) entwickelte die Herrenknecht AG das für die vortriebsbegleitende Vorauserkundung im Hartgestein konzipierte Vorauserkundungssystem ISIS. Es besteht im Wesentlichen aus drei Baugruppen: − Quellen, − Empfänger mit Datenloggern, − Rechnereinheit mit Steuerungs-, Kontroll- und Aus-

The special features of ISIS are that it can also be retrofitted to a TBM, can investigate at long range and can thus be used as an early warning system for the TBM drive. Geological anomalies can be approached rapidly and verified and investigated in more detail with conventional investigation methods like core drilling shortly before being reached. Systematic advance drilling required according to the geological section can thus be omitted, saving the associated stoppage of the machine and extra construction costs.

Die Besonderheit von ISIS besteht darin, dass es auch nachträglich auf einer TBM installiert werden kann, eine hohe Erkundungsreichweite besitzt und somit als Frühwarnsystem für den TBM-Betrieb genutzt werden kann. Geologische Anomalien können so zügig angefahren und kurz vor Erreichen der Anomalie nochmals mit konventionellen Vorauserkundungsmethoden wie Kernbohrungen verifiziert und näher untersucht werden. Somit entfallen die je nach geologischem Abschnitt geforderte permanente Vorausbohrungen, die Stillstandszeiten der TBM und Kosten für den Bauausführenden nach sich ziehen.

werte-Software.

2.1.1 Measurement principle 2.1.1 Messprinzip The excitation of the tunnel wall with an impact source generates both pressure and surface waves (Rayleigh waves). These run along the tunnel wall towards the face, where conversion to a S-wave (shear wave, transverse pressure wave) occurs, among other effects. If the S-wave encounters an obstruction in the ground, it is partially reflected. The decisive physical quantity in this process is the seismic impedance (also called the sonic resistance or wave resistance), the result of the product of the density of the medium the sound passes through and the S-wave velocity in the ground body passed through. This means that a reflection of the S-wave depends on a sufficient impedance contrast, which is to be expected in strongly jointed and fractured rock (faults) or through water-filled joints or cavities. The reflected S-wave runs back to the face as an Swave. There it is again partially converted into a Rayleigh wave, which runs back along the tunnel surface and can be detected with cemented geophones. This type of wave is called an RSSR-wave. The wave travel times are measured, and the data is processed according to the relevant geometry and methodology to produce a migration (a process of assigning seismic signals to the location of origin from known wave velocities and measured times) and thus an interpretation.

2.1.2 Sources Two pneumatically operated impact hammers are used as the seismic source to input energy into the rock (Fig. 1). In order to ensure access to the undisturbed rock, the impact hammers are either installed on the grippers of an open hard rock machine or on a mounting bracket in the shield of a TBM, in which case a contact has to be created to the rock behind the shield.

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

Durch die Anregung der Tunnelwand mittels einer Schlagquelle werden sowohl Raum- als auch Oberflächenwellen (Rayleigh-Wellen) generiert. Diese laufen entlang der Tunnelwand in Richtung Ortsbrust. Dort findet unter Anderem eine Konversion zu einer S-Welle (Scherwelle; transversale Raumwelle) statt. Trifft diese S-Welle im Gebirge auf ein Hindernis, wird sie teilweise reflektiert. Die maßgebliche physikalische Größe ist hierbei die seismische Impedanz (auch Schallhärte oder Wellenwiderstand genannt), die sich aus dem Produkt der Dichte des durchschallten Mediums und der S-Wellengeschwindigkeit im jeweils durchlaufenen Bodenkörper ergibt. Das heißt, eine Reflektion der S-Welle hängt von einem hinreichenden Impedanzkontrast ab, wie er in stark zerklüftetem und zerlegtem Fels (Störungen) bzw. durch wassergefüllte Klüfte oder Höhlen zu erwarten ist. Die reflektierte S-Welle läuft als S-Welle wieder zurück zur Ortsbrust. Dort wird sie wiederum teilweise in eine Rayleigh-Welle konvertiert, die erneut an der Tunneloberfläche entlang läuft, und anschließend von den in die Tunnelwand eingeklebten Geophonen registriert werden kann. Dieser Wellentyp wird als RSSR-Welle bezeichnet. Die Wellenlaufzeiten werden gemessen, und mithilfe einer auf die entsprechende Messgeometrie und Methodik auszulegende Verarbeitung der Daten können eine Migration (Verfahren, das bei bekannter Wellengeschwindigkeit den gemessenen Zeitpunkten der seismischen Signale den Ort ihrer Entstehung zuordnet) und somit eine Interpretation erstellt werden.

2.1.2 Quellen Zwei pneumatisch betriebene Schlaghämmer werden als seismische Quelle zum Energieeintrag in den Fels genutzt (Bild 1). Um eine Zugänglichkeit zum anstehenden Fels zu

A. Heim · Equipment for advance probing and for advance treatment of the ground from the TBM

Fig. 1. Left: impact hammer and access to the geology (hole in shield); right: measurement anchor with data logger Bild 1. Links: Schlaghammer und Zugang zur Geologie (Loch im Schild); rechts: Messanker mit Datenlogger

About every two metres of drive, according to the stroke length of the machine, the impact hammers are driven against the tunnel wall, pressed tight, prepared for an impact and activated. This is done during the pause when the cutting wheel is not turning, i.e. while the ring is assembled with a shielded TBM or shortly after regripping an open hard rock machine. The impact is repeated up to five times, which requires about two minutes altogether. No other standstill times of the machine are caused by the measurement. Fig. 2 shows the impact and detection geometry.

2.1.3 Receivers The seismic receivers consist of three-part geophones, which are placed at the ends of reusable measurement anchors. In order to ensure adequate bonding of these measurement anchors into the rock, holes are drilled into the rock with the anchor drilling drill installed on the machine. With gripper machines, 1 m long measurement anchors are used, and with shielded machines the anchors

Fig. 2. Perspective view of the tunnel with the planned distribution of recording points (blue) with geophones and the impact points (red) Bild 2. Perspektivische Ansicht des Tunnels mit der geplanten Verteilung der Aufzeichungspunkte (blau) mittels Geophonen und der Schlagpunkte (rot)

gewährleisten, werden die Schlaghämmer entweder auf den Grippern einer offenen Hartgesteinsmaschine oder auf einer Anbaukonsole im Schild einer TBM installiert. Hier muss zusätzlich eine Kontaktmöglichkeit zum Fels hinter dem Schild geschaffen werden. Etwa alle zwei Vortriebsmeter, je nach Hublänge der TBM, werden die Schlaghämmer gegen die Tunnelwand gefahren, angepresst, zum Schlag vorbereitet und schließlich ausgelöst. Dies geschieht während der Ruhephasen solange das Schneidrad nicht dreht, also während des Ringbaus bei einer geschildeten TBM oder kurz nach dem Umsetzen der Gripper bei einer offenen Hartgesteinsmaschine. Der Schlag wird an jedem Schlagpunkt bis zu fünf Mal wiederholt, was insgesamt ca. zwei Minuten in Anspruch nimmt. Zusätzliche Standzeit der TBM wird durch die Messungen nicht verursacht. Bild 2 zeigt die Schlagund Detektionsgeometrie.

2.1.3 Empfänger Die seismischen Empfänger bestehen aus Dreikomponenten-Geophonen, die in den Spitzen wiederverwendbarer Messanker platziert sind. Um eine ausreichende Anbindung dieser Messanker an den Fels zu gewährleisten, werden mit dem auf der Maschine installierten Ankerbohrgerät Löcher in den Fels gebohrt. Bei Grippermaschinen werden 1 m lange Messanker genutzt, bei geschildeten TBM haben die Anker aufgrund der Tübbingdicke und des Ringspalts eine Länge von 2 m. Als Aufnahme für den wiederverwendbaren Messanker dient ein Aluminiumrohr, das mit einem Zweikomponentenkleber fest im Gebirge verankert wird. In dieses Rohr wird der Messanker eingeschraubt und verklemmt. Anschließend wird er mit einem mobilen Datenlogger bestückt, der die registrierten Daten über eine WLAN-Verbindung zur Rechnereinheit senden. In die Felswand werden zwischen vier und acht Empfängersysteme eingesetzt, zwei bzw. vier auf jeder Seite im Kämpferbereich der Tunnelwölbung (10- und 2-Uhr-Position). Die Distanz zwischen den Empfängern beträgt zwischen 10 und 15 m. Die Empfängersysteme werden kurz vor Erreichen des Spritzbetonbereichs einer Gripper-TBM zur Wiederverwendung aus den Aluminiumrohren ge-

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have a length of 2 m due to the segment thickness and the annular gap. The fitting for the reusable measurement anchors is provided by an aluminium tube, which is fixed into the rock mass with two-part adhesive. The measurement anchor is screwed into the tube and clamped. It is then fitted with a mobile data logger, which transmits the data over a WLAN connection to the computer unit. Between four and eight receiver systems are installed in the rock wall, two or four on each side around the spring line area of the tunnel vault (10 and 2 o’clock positions). The distance between the receivers is between 10 and 15 m. The receiver systems are unscrewed out of the aluminium pipes for reuse shortly before reaching the shotcrete area of a gripper TBM. With a shielded machine, the measurement anchors are drilled into the rock through the already existing grouting holes in the segments. The aluminium pipes remain in the rock with both types of machine.

schraubt. Auf einer geschildeten Maschine werden die Messanker durch bereits vorhandene Verpresslöcher der Tübbingsegmente in den Fels gebohrt. Die Aluminiumrohre verbleiben bei beiden Maschinenarten im Fels.

2.1.4 Datenaufnahme und Rechnereinheit Die Datenaufnahme erfolgt über autarke, akkubetriebene Funkdatenlogger (UDL). Diese werden direkt auf die Anschlüsse an den Messankern aufgesteckt. Die akquirierten Daten werden dann an die Rechnereinheit gesendet und dort weiter verarbeitet. Die Rechnereinheit besteht aus einem Laptop, der die Navigationsdaten und den Maschinenstatus aus der SPS der TBM abfragt. Diese sind für die räumliche Definition des Gesamtmesssystems mit allen Komponenten, die Schlagfreigabe der Schlaghämmer und schließlich die anschließende korrekte Verarbeitung und Darstellung der Daten notwendig.

2.1.5 Leistungsvermögen 2.1.4 Data recording and computer unit The data is recorded by independent, battery-powered radio data loggers (UDL), which are plugged directly into the connections in the measurement anchors. The recorded data is then transmitted to a computer unit and processed further. The computer unit consists of a laptop, which queries the navigation data and the machine status from the PLC of the TBM. This is necessary for the spatial definition of the overall measurement system with all components, the release of the impact of the impact hammer and finally for the correct processing and display of the data.

2.1.5 Capabilities The investigation range is 50 to 100 m in the direction of boring under ideal conditions, but a maximum of 150 m in front of the face. An initial distance of about 50 m is required for data acquisition before the data is first processed in order to calibrate the system. The resolution or positional accuracy of the detected structures is 5 to 10 m. The system can detect cavities, whether full of water or air, and geological weaknesses/fault zones in the rock mass. As with all geophysical investigation methods, a combination of various methods is advantageous for the verification of the momentary suspicions and detections. Advance drilling does not, however, have to be performed permanently but only closely targeted after a detection. Either the borehole radar technology described below or if required a core can be drilled in order to directly investigate the geology.

2.1.6 References ISIS has so far been implemented for test purposes in the following tunnels or TBM projects: − Glendoe Hydro Scheme (UK), gripper TBM, − Blessberg Tunnel (DE), conventional tunnel drive, karst probing, − Fréjus Safety Gallery Lot 1 (FR), single shield TBM.

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Die Erkundungsreichweite liegt idealerweise bei 50 bis 100 m in Vortriebsrichtung, maximal aber 150 m vor der Ortsbrust. Dabei wird für die erste Datenverarbeitung eine Vorlaufstrecke für die Datenakquise von ca. 50 m benötigt, um das System zu kalibrieren. Die Auflösung bzw. Lagegenauigkeit der detektierten Strukturen liegt bei 5 bis 10 m. Das System kann Hohlräume, sowohl wasser- als auch luftgefüllt, und geologische Schwäche-/Störungszonen im Gebirge detektieren. Wie bei allen geophysikalischen Erkundungsmethoden so ist auch hier die Kombination verschiedener Messmethoden zur Verifizierung von Verdachtsmomenten und Detektionen empfehlenswert. Vorausbohrungen müssen jedoch nicht mehr permanent sondern nur im Detektionsfall sehr gezielt durchgeführt werden. Hier kann dann entweder zusätzlich die unten beschriebene Bohrloch-RadarTechnologie eingesetzt oder bei Bedarf eine Kernbohrung durchgeführt werden, bei der die Geologie direkt begutachtet werden kann.

2.1.6 Referenzen ISIS wurde bisher streckenweise zu Testzwecken an folgenden Tunnelbauwerken bzw. TBM-Projekten eingesetzt: − Glendoe Hydro Scheme (UK), Gripper-TBM, − Blessberg-Tunnel (DE), konventioneller Vortrieb, Karsterkundung, − Fréjus Safety Gallery Lot 1 (FR), Einfachschild-TBM. Verkauft ist ISIS für folgende Projekte: − Tel Aviv – Jerusalem Railway Tunnel n°3 – Mevo Horon (IL), Doppelschild-TBM, − Neelum Jhelum Hydropower Project (PK), GripperTBM.

2.2 Auf der TBM installierte Bohrgeräte Die konventionelle Vorauserkundung nutzt die auf der TBM vorhandenen Bohrausrüstungen, die je nach Erkundungsziel entsprechend angepasst werden. Die Erstellung von Vorauserkundungsbohrungen ist auch Grundvoraus-

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ISIS has been sold for the following projects: − Tel Aviv – Jerusalem Railway Tunnel N°3 – Mevo Horon (IL), double shield TBM, − Neelum Jhelum Hydropower Project (PK), gripper TBM.

2.2 Drills installed on the TBM Conventional advance probing makes use of the drilling equipment provided on the TBM, which is then adapted according to the aims of the investigation. The drilling of advance probe holes is a precondition for the geophysical investigation methods described below. Practical example: Gotthard Base Tunnel (CH) [1] In order to optimise probe drilling, the drilling equipment provided on the gripper TBMs was adapted: instead of the special drill carriage, a core drill equipped with preventer was used for the probing of the Pioramulde from the stationary TBM. The preventer was designed for 250 bar water pressure, corresponding to the theoretical free head of water from the overburden at this location. The core was drilled 300 m deep at the head of the machine over the finger shield (Fig. 3). The drilled hole was not subsequently filled. One further adaptation applied at the Gotthard was the use of two additionally developed drill carriages. These were mounted as additional carriages on the anchor drilling carriages already fixed to the ring beam. These horizontal drill carriages could then be used to drill and probe up to 20 m obliquely forwards in a canopy shape, starting behind the shield. The holes were finally filled with grout, which also achieved an improvement and support of the collapsed area.

2.3 MWD – Measurement While Drilling This system abbreviation refers to a data logging system developed by Herrenknecht AG, which can be connected to the hydraulic advance drilling equipment installed on the TBM. The MWD system can record the direct reaction of the drill to the geology encountered. Sensors regis-

setzung für die weiter unten beschriebenen geophysikalischen Vorauserkundungsmethoden. Praxisbeispiel Gotthard-Basistunnel (CH) [1] Um eine optimale Vorauserkundung zur ermöglichen, wurde die auf den Grippermaschinen bereits vorhandene Bohrausrüstung angepasst: Statt der Sondierbohrlafette wurde ein mit einem Preventer ausgerüstetes Kernbohrgerät für die Erkundung der Pioramulde von der stehenden TBM aus eingesetzt. Der Preventer war dabei auf 250 bar Wasserdruck ausgelegt, entsprechend der aufgrund der damaligen Gebirgsüberdeckung theoretisch anstehenden freien Wassersäule. Die Kernbohrung wurde auf 300 m Länge im Kopfbereich der Maschine über den Fingerschild hinweg abgeteuft (Bild 3). Eine anschließende Verfüllung des Bohrlochs fand nicht statt. Eine weitere am Gotthard angewandte Adaption war die Nutzung von zwei zusätzlich entwickelten Horizontalbohrlafetten. Diese wurden auf die beiden am Ringträger befestigten Ankerbohrlafetten als Aufsatzlafetten montiert. Mit diesen Horizontalbohrlafetten konnte dann schirmförmig, hinter dem Schild beginnend, bis zu 20 m schräg nach vorne gebohrt und erkundet werden. Die Bohrungen wurden anschließend mit Injektionsmaterial verfüllt, wodurch wiederum eine Ertüchtigung und Sicherung des Verbruchbereichs erreicht wurde.

2.3 MWD – Measurement While Drilling Hinter diesem Systemkürzel verbirgt sich ein von der Herrenknecht AG entwickeltes Datalogging-System, das an die auf der TBM installierten hydraulischen Vorausbohrgeräte angeschlossen werden kann. Mit dem MWD-System wird die direkte Reaktion des Bohrgeräts auf die angetroffene Geologie aufgezeichnet. Sensoren registrieren Vortriebsgeschwindigkeit, Penetrationsrate, Drehzahl und Vorschubkraft des Bohrgeräts. Die gewonnenen Daten werden bezüglich der Gesteinsfestigkeit verrechnet und auf einem Farbdiagramm mit unterlegter Tunnelabwicklung dargestellt (Bild 4). Ein Anwendungsbeispiel für dieses System sind die Tunnelvortriebe im Projekt Arrowhead (US). Zusätzlich zu den aufgezeichneten Daten können durch Inaugenscheinnahme Erkenntnisse aus dem Bohrgut und Bohrwasser sowie zum Vorhandensein von Hohlräumen bei drucklosem Vorschub der Bohreinrichtung getroffen werden.

2.4 Bohrloch-Radar-Technologie – Bo-Ra-tec

Fig. 3. Core drilling preventer in the crown (for orientation: the finger shield is at bottom left) Bild 3. Kernbohrpreventer im Firstbereich (zur Orientierung: links unten der Fingerschild)

Das grundlegende Prinzip für die Bohrloch-Radar-Technologie [2] [3] ist das Geo-Radar-Verfahren, das zu den Impuls-Reflexionsverfahren zählt. Über eine Sendeantenne werden kurze elektromagnetische Impulse abgestrahlt. Diese breiten sich im Gestein aus und werden an Schichtgrenzen, die sich in ihren dielektrischen Eigenschaften unterscheiden, teilweise reflektiert. Die Reflexionssignale werden von einer Empfängerantenne erfasst. Aus der gemessenen Laufzeit zwischen Sende- und Empfangssignal kann bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Untergrund nach entsprechender Signalbearbeitung auf die Teufenlage nachgewie-

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Fig. 4. Coloured display produced and calculated from MWD system data Bild 4. Farbdarstellung der mit dem MWD-System gewonnen und verrechneten Daten

ter advance rate, penetration rate, revolution speed and thrust force of the drill. The recorded data is processed regarding rock strength and displayed on a coloured diagram according to the position in the tunnel (Fig. 4). An example of the application of this system is the tunnel drives at the Arrowhead Project (US). In addition to the recorded data, the drill muck and water can be visually inspected and cavities can be detected from the advance of the drill without pressure.

2.4 Borehole Radar Technology – Bo-Ra-tec The basic principle of borehole radar technology [2] [3] is the geo-radar process, an impulse reflection process. Short electromagnetic impulses are transmitted from a transmitter antenna. These propagate through the rock and are partially reflected at strata interfaces, which have contrasting electrical properties. The reflected signals are received by a receiver antenna. The presence of reflectors along the depth of the hole can be demonstrated, after appropriate processing of the signal, from the measured travel times between signal transmission and reception, since the propagation velocity of the electromagnetic waves in the medium is known. This process can be used on TBM drives for − the location of faulted and fissured zones, karst features and cavities in the unworked area, − the location of open cavities in the immediate area of the tunnel drive, − the characterisation of the bedding conditions underlying the tunnel tube. This measurement process can be used in active tunnel drives both in reflection mode and in the form of crosshole measurements or for tomographic images (Fig. 5).

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sener Reflektoren geschlossen werden. Dieses Verfahren dient im TBM-Vortrieb der − Ortung von Störungs- und Kluftzonen, Verkarstungen und Hohlräumen im unverritzten Vorfeld, − Ortung von offenen Hohlräumen im unmittelbaren Tunnelvortriebsbereich, − Charakterisierung der Bettungsbedingungen im Liegenden der Tunnelröhre. Dieses Messverfahren kann bei aktiven Tunnelvortrieben sowohl im Reflexionsmodus als auch in Form von Crosshole-Messungen beziehungsweise für tomographische Aufnahmen eingesetzt werden (Bild 5). Zur Anwendung der Bohrloch-Radar-Technologie müssen von der TBM aus Bohrungen leicht schräg durch im Schild vorgesehene Öffnungen abgeteuft werden. Die Bohrungen reichen maximal 30 m vor das Schneidrad. Generell gilt, je mehr Bohrlöcher desto variabler und genauer kann die Bohrloch-Radar-Technologie eingesetzt werden. Bei einem Bohrloch ist nur eine Reflexionsmessung möglich, bei zwei Bohrlöchern kann eine CrossholeMessung sowie mit erhöhtem Messaufwand eine Tomographie-Messung durchgeführt werden. Sofern ein drittes Bohrloch abgeteuft wird, können statt der zeitintensiveren Tomographiemessung weitere günstigere Crosshole-Messungen erfolgen. Die Detektionsauflösung liegt im Zentimeterbereich, die Erkundungsreichweite kann in Abhängigkeit der Gesteinseigenschaften bis mehrere Dekameter um die Tunnelröhre betragen. Zudem können quantitative Abschätzungen der Kluft- und Karststrukturen sowie Aussagen zur Karstfüllung getroffen werden. Das Bohrloch-Radar wurde beim Katzenbergtunnel (DE) erfolgreich zur vortriebsbegleitenden Karsterkun-

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Fig. 5. Measurement principles of the borehole radar system; a) reflection measurement, b) crosshole or through-radiation principle, c) tomographical measurement Bild 5. Messprinzipien von Bohlroch-Radar-Messungen; a) Reflexionsmessung, b) Crosshole- oder Durchstrahlungsmessung, c) Tomographische Messung

In order to use borehole radar technology, holes have to be drilled from the TBM at a slight angle through the openings provided in the shield. The holes extend max. 30 m in front of the cutting wheel. In general, the more holes are drilled, the more variable and precise are the results of borehole radar technology. If there is only one hole, only one reflection measurement is possible, while two holes enable crosshole measurement and, with more measurement work, a tomographic image can be produced. If a third hole is drilled, further cheaper crosshole measurement can be carried out instead of the more time-intensive tomographic measurements. The detection resolution is of the magnitude of centimetres and the probing range can be many decametres around the tunnel tube, depending on the rock properties. In addition, quantitative estimations of the fissure and karst structures and statements about karst filling can be made. Borehole radar has been used successfully in the Katzenberg Tunnel (DE) for the probing of karst struc-

dung eingesetzt. Dabei wurden Crosshole-Messungen durchgeführt.

3 Einrichtungen zur Gebirgsvorausbehandlung auf einer TBM 3.1 Vorausbohrungen Vorausbohrungen dienen nicht nur der Vorerkundung sondern auch der vorlaufenden Gebirgsvergütung zur Sicherstellung eines ungestörten Vortriebs. Das Praxisbeispiel zeigt ein an die bautechnischen Erfordernisse angepasstes Bohrschema. Praxisbeispiel Arrowhead (US) [4] Beim Projekt Arrowhead mussten besondere geologisch/hydrologische Herausforderungen bewältigt werden. Bereichsweise stand in der Ortsbrust vollflächig entfestigtes, körniges Material an. Gleichzeitig mussten Wasserzutritte von bis zu 32 l/s bei einem Wasserdruck von 10 bar beherrscht werden. Hierzu kam ein spezielles Vorausbohr- und Injektionsschema zur Anwendung, bei dem

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tures during the drive. In this case, crosshole measurements were used.

3 Equipment for advance ground treatment on a TBM 3.1 Advance drilling Advance drilling serves not only for probing but also for advance ground improvement to ensure an undisrupted advance. The practical example shows a drilling pattern adapted to suit the constructional requirements. Practical example: Arrowhead (US) [4] On the Arrowhead Project, particular geological/hydrological challenges had to be overcome. In some sections, the full face consisted of softened, grained material. At the same time, water inflows of up to 32 l/s at a pressure of 10 bar had to be coped with. A special advance drilling and grouting scheme was used, with the drilling of 15 holes at 1.5° and 19 holes at an angle of 4° in a canopy pattern into the face (Fig. 6). The overlapping of the drilled canopies was intended to be at least 6.5 m in order to ensure a permanent grouted plug in front of the TBM.

3.2 Grouting Grouting serves to strengthen and waterproof the rock mass. In addition to drills for the drilling of the grouting boreholes, this requires tanks for the grout, mixing plant and pumps. Advance probe boreholes are also grouted in order to close the bypass routes provided.

15 Bohrungen mit 1,5° und 19 Bohrungen mit 4° Neigung jeweils schirmförmig in die Ortsbrust abgeteuft wurden (Bild 6). Die Überlappung der Bohrschirme sollte mindestens 6,5 m betragen, um einen permanenten vorlaufenden Injektionspfropfen vor der TBM zu gewährleisten.

3.2 Gebirgsinjektionen Gebirgsinjektionen dienen der Verfestigung und Abdichtung des Gebirges. Neben den Bohrgeräten zur Erstellung der Injektionsbohrlöcher sind Vorratsbehälter für das Injektionsmaterial, Mischanlagen und Pumpen notwendig. Vorauserkundungsbohrungen werden ebenfalls mit Injektionsmaterial verfüllt, um die geschaffenen Wegigkeiten zu verschließen. Praxisbeispiel Hallandsas (SE) [5] Ein intensives Injektionsprogramm war hier notwendig. Es wurden je nach Bedarf 10 bis 15 Bohrungen mit Längen bis zu 40 m durch das Schneidrad in die Ortsbrust abgeteuft. Durch diese wurde das Injektionsmaterial, bisher 3.000 m3 Rheocem 650, mit einem Druck von bis zu 30 bar injiziert, um den Gebirgswasserdruck zu überwinden und Risse und Klüfte im Fels zu verschließen. Sofern es die geologischen Umstände erforderten, wurde ein fächerförmiges Bohrmuster um das Tunnelprofil zu anschließenden Injektionszwecken abgebohrt.

Practical example: Hallandsas (SE) [5] An intensive grouting programme was necessary on this project. 10 to 15 holes were drilled into the face as required with lengths of up to 40 m in front of the cutting wheel. Through these, the grout, so far 3,000 m3 of Rheocem 650, is injected at a pressure of up to 30 bar in order to overcome the formation water pressure and fill cracks and fissures in the rock. When demanded by the geological conditions, a fan-shaped drilling pattern was drilled around the tunnel profile for additional grouting.

Praxisbeispiel Arrowhead (US) In diesem bereits beschriebenen Projekt wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Injektionszemente und -mörtel mit jeweils sehr unterschiedlichen Anwendungszwecken eingesetzt. So kam mikrofeiner Zement zur Eindämmung des Wasserzutritts und strukturellen Ertüchtigung des Gebirges zur Verwendung. Für die Verpressung im Anschluss an die Injektion mit mikrofeinem Zement wurde Typ II- und Typ III-Zement verwendet. Kolloidale Silikamörtel und Polyurethanharze kamen zur Kontrolle und Verminderung des Wasserzutritts sowie chemische Mörtel zur Verfestigung von losem, brekziösem Gestein und zur Wasserzutrittskontrolle zum Einsatz.

Fig. 6. Arrangement of the advance drilling and grouting scheme Bild 6. Anordnung des Vorausbohr- und Injektionsschemas

Fig. 7. Part of the pipe arch with grouting openings Bild 7. Teil des Rohrschirms mit Injektionsöffnung

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Practical example: Arrowhead (US) On this already described project, a range of different cement and mortar grouts was used for sometimes very different purposes. For example, micro-fine cement was used to reduce water ingress and structurally improve the rock mass. For the subsequent grouting after grouting with micro-fine cement, type II and type III cements were used. Colloidal silica mortar and polyurethane resins were used for control and reduction of water ingress and chemical mortar for the strengthening of loose, brecciate rock and to control water ingress.

3.3 Pipe arch A further method of advance ground treatment is the pipe arch. In order to bore through a fault zone, for example with a blocky rock mass, the relevant area (crown, invert or even a full perimeter screen) is drilled and pipes installed at a flat angle from the tunnel alignment and grouted with suitable material as required (Fig. 7). The pipes alone act as a load-bearing and stabilising component of the rock support and can, as they are outside the tunnel profile, remain in the rock mass. This can ensure the continuation of a safe TBM advance.

4 Final comments The methods presented here represent a cross-section of the available ways of advance ground probing and treatment from the TBM. When the problems described in the article become apparent during a tunnel drive, different solutions are often sought and found. No tunnel drive is like another; every geological anomaly has its special features and requires a detailed and specifically adapted and discussed procedure. The most successful solutions are often combinations of both probing methods and treatment methods of the rock mass.

3.3 Rohrschirme Eine weitere Variante der vorauseilenden Gebirgsbehandlung ist der Rohrschirm. Hierbei wird bei der Durchfahrung einer Störzone mit z.B. blockigem Gebirge der beeinträchtigte Bereich (Firste, Sohle oder sogar ein vollständiger umlaufender Schirm) mit flach aus der Tunneltrasse laufenden Rohren abgebohrt und bei Bedarf mit geeigneten Verpressmaterialien injiziert (Bild 7). Die Verrohrung an sich wirkt dabei bereits als ein tragender und stabilisierender Bestandteil der Felssicherung und kann, da sie außerhalb der Bohrtrasse der TBM liegen, im Gebirge verbleiben. Somit ist die Fortsetzung des sicheren TBM-Vortriebs gewährleistet.

4 Schlussbemerkung Die hier vorgestellten Methoden stellen einen Querschnitt der Möglichkeiten zur Baugrundvorauserkundung und -behandlung von einer TBM aus dar. Häufig werden beim Auftreten der geschilderten Probleme während eines Vortriebs von diesen Methoden abweichende Lösungswege gesucht und gefunden. Kein Vortrieb ist wie der andere, jede geologische Anomalie hat ihre Besonderheiten und bedarf einer eingehenden und speziell angepassten und abgestimmten Handlungsweise. Am erfolgversprechendsten sind häufig Kombinationen sowohl der Vorgehensweisen zur Vorauserkundung als auch zur Vorausbehandlung des Gebirges.

References [1] Classen, J.: Bautechnische Bewältigung geologischer Problemzonen mittels TBM am Gotthard-Basistunnel (Lucomagno/Piora/Tenelin). STUVA-Tagung 2011. [2] Richter, T.: Geophysikalische Vorauserkundung von Störungszonen und Verkarstungen durch Einsatz der BohrlochRadar-Technologie. geotechnik 31, (2008), No. 2, pp. 150–154. [3] Richter, T., Boll, S., Weh, M.: Geophysikalische Vorauserkundung von Verkarstungs- und Störungszonen bei der TVM-Auffahrung des Katzenbergtunnels. Geomechanik und Tunnelbau 1 (2008), No. 5, pp. 450–459. [4] Fulcher, B., Bednarski, J., Bell, M., Tzobery, S., Burger, W.: Piercing the Mountain and Overcoming Difficult Ground and Water Conditions with Two Hybrid Hard Rock TBMs. RETC, 2007. [5] Jones, M.: Hallandsas first drive approaches end. Tunnels & Tunnelling International, 5/2010, pp. 28–31.

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Topics Andreas Walter Carlos Guimarães Reinhold Gerstner

DOI: 10.1002/geot.201200007

Palomino HRT – Exploration drillings in two geological formations The Palomino HPP, with an installed capacity of 80 MW, is under construction in the Central Mountains of the Dominican Republic. The geological investigations for the 13.53 km long headrace tunnel were highly restricted due to difficult access in the mountain areas, high tunnel overburden as well as precautionary environmental protections in the National Park José del Carmen Ramirez. With respect to the approximately 12.4 km long TBM drive an exploration programme was carried out during excavation, to detect fractured zones as well as the presence of pressurised groundwater in advance. Palomino HRT – Erkundungsbohrungen in zwei geologischen Gebirgsarten Im zentralen Bergland der Dominikanischen Republik wird das Wasserkraftwerk Palomino mit einer Nennleistung von 80 MW errichtet. Aufgrund der schwierigen Zugänglichkeit, der hohen Überlagerungen und der naturschutzbedingen Einschränkungen im Nationalpark José del Carmen Ramirez war die geologische Erkundung entlang des 13,53 km langen Druckstollens stark eingeschränkt. Für den etwa 12,4 km langen TBM-Abschnitt wurde, um Störzonen oder das Antreffen druckhafter Gebirgswässer im Vortrieb vorab zu erkennen, ein ausführliches Vorauserkundungsprogram konzipiert.

1 Introduction In the Dominican Republic, renewable energy offered by hydroelectric power has become more and more important to cover the requirements of a comprehensive network on the energy market. One of the initial projects, the Palomino Hydroelectric Power Plant, was awarded to the Brazilian contractor C.N. Odebrecht as a drill-andblast project and is in the final stage of construction. It will start generating electric power by mid 2012. The scheme comprises a 60 m high and 145 m wide concrete dam, more than 18 km of challenging tunnel works, a 360 m deep vertical shaft including surge tank, as well as a powerhouse cavern with a total volume of approximately 20,000 m³ and net installed capacity of 80 MW. This paper deals with the 12.4 km long headrace tunnel (HRT), driven by a hard rock TBM. The installed drilling unit of the TBM and the concept of detection of fractured zones as well as of the presence of pressurised groundwater in advance are highlighted in the following paragraphs.

Fig. 1. DS-TBM (left) and segmental lining (right) Bild 1. Doppelschildmaschine (links) und Tübbingauskleidung (rechts)

A. Walter/C. Guimarães/R. Gerstner · Palomino HRT – Exploration drillings in two geological formations

2 Double shield TBM and segmental lining system The mechanised drive was bored by a Herrenknecht hard rock double shield TBM (Figure 1, left) with a specified excavation diameter of 4.6 m. The heading unit including backup system amounts to a length of about 265 m. The TBM tunnel has an internal diameter of 3.96 m and is lined with a precast segmental lining (Figure 1, right). The 20 cm thick segments are designed to cover the predicted external loadings including external water head, TBM thrust, grouting loads as well as loading during handling and transport. The final design of the lining provides an unsealed, parallel ring system composed of an invert segment, two similar sidewall segments and a roof segment acting as a keystone. Thus the TBM backup system demands a double track system to separate backup and rolling stock, the invert segment was designed with a centrally located flat invert and fitted precast sleepers as well as two lateral consoles for rail support. After the completion of excavation, the sleepers were removed to offer optimised hydraulic conditions in the headrace tunnel. In principle, the lining is designed for straight-line application. To manage the curve characteristic of the alignment with a minimum radius of 600 m and to cope with slight deflections of the TBM excavation, timber spacers are placed in the circumferential joints. The bedding of the lining is provided by filling the annular gap with pea gravel, followed by contact grouting. Localised borehole grouting was carried for rock mass treatment and sealing where required.

3 Geology of the headrace tunnel Along the headrace tunnel, three main geological formations are present (Figure 2): The Ventura Formation, the Tireo Formation and the Granodiorite del Rio Yaque del Sur. The rock cover of the 12.43 km long TBM tunnel is generally in the range of 100 to 500 m. The first approximately 6,500 m were excavated in the sedimentary Ventura Formation of Eocene age, which mainly consists of siltstone with intercalated layers of sandstone and marl. The rock strength (UCS) does not exceed 60 MPa in general. The permeability of the rock mass is low; therefore the groundwater inflows to the tunnel have been restricted to small inflows. The rock mass has been classified mainly in RMC III and IV. From chainage ∼6+500 to chainage ∼12+000, the tunnel was driven in the Tireo Formation of Upper Cretaceous age. The Tireo Formation comprises volcanic and vulcano-sedimentary rocks: andesitic and basaltic lava, pyroclastica, ignimbrite, volcanic tuffs and volcanic breccias. The values of the rock strength (UCS) range from 80

Fig. 2. Geological longitudinal section Bild 2. Geologischer Längenschnitt

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to 240 MPa. The permeability of the rock mass is low to medium, during excavation a number of moderate groundwater inflows have been encountered and at places higher inflows happened, especially in jointed zones and at the contact of Ventura Formation to Tireo Formation. The rock mass has been classified mainly in RMC II and III, in the fault zones mainly in RMC IV. The last part of the tunnel at the upstream end with a length of 480 m was excavated in the Granodiorite del Rio Yaque del Sur, which forms a big batholith of Palaeocene age. This granodiorite is a strong and abrasive rock, the rock strength (UCS) is in the range of 100 to 250 MPa, the quartz content amounts to 30 to 40 %. The permeability of the rock mass is low to medium in general. Due to the difficult access to the mountainous areas and the overburden up to 500 m, the geological investigations were limited, especially the number of core drillings. Some geological hazards were predicted, as there are faults, high external water head and squeezing potential within weak rock zones, so the heading had to be prepared to react accordingly when faced with critical conditions. As a consequence, the TBM concept included methods of investigation during excavation in order to identify critical zones in advance.

4 Specific specifications of the TBM To cope with the predicted hazards, additional specifications for the TBM drive were defined. In case squeezing rock was encountered, an increased TBM thrust of 24,000 kN, the possibility of adjustable over-excavation up to 62 mm as well as the installation of lubrication nozzles at the shield were considered in order to minimize the risk of getting jammed. The opening of the telescopic shield by up to 800 mm offers a broad accessibility for any activities at the tunnel wall. In order to handle pressurised groundwater, the machine was equipped to use polyurethane or silica foam for sealing measures. For systematic probing in advance, a movable and rotating drilling rig was installed behind the erector (Figure 3, left). The 25 kW powered Atlas Copco percussion drill could bore holes up to a depth of 120 m in the Ventura and Tireo Formations. For effective drilling procedures, rods with a length of 1.45 m and 32 mm in diameter could be handled on the drilling unit. 10 regularly partitioned drilling lines with an opening of 3.5′′ (≈ 89 mm) offer a broad exploration field in advance (Figure 3, right). For any rock mass improvements in advance, a grouted canopy could be ordered if required. As an additional measure to explore the geological conditions in advance, a sonic test device was installed. The test was carried out from chainage 5+000 to chainage

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Fig. 3. Drilling unit (left) and drilling lines (right) Bild 3. Bohrvorrichtung (links) und Bohrgassen (rechts)

5+400. The recording was compared with the results of the exploration drilling at chainage 5+100. A comparison table of both seismic measurements and exploration drillings was prepared, but without any useful results. Due to the fact that the recordings of the sonic test device show uncertain results regarding the geological conditions, especially in the presence of water, this method was not used for further explorations during the heading.

5 Probing in advance With respect to the predicted geological conditions derived from core drillings and field mapping, the exploration drillings on the TBM had been started before passing the first critical zones at chainage 5+100 for a first test. During the drilling process, some modifications were made to the drilling unit to be well prepared for the systematic probing. One of the adjustments belongs to the well known problem of controlled guiding of the drilling rods. Because of the small inclination of the drilling line of just 9° and the presence of inhomogeneous rock mass, especially in the Ventura Formation, a guiding device was needed suitable for a variable annular gap width between gripper shield and tunnel wall. As a final solution, a conically shaped steel wedge was placed between shield and tunnel wall (Figure 4). In addition, an L-shaped clamping device fixed the guiding wedge in position. Access for the installation of the guiding system was available from the telescopic shield after opening.

After the adaptation of the drilling unit and appropriate equipment, probing was carried out systematically starting from chainage 5+660 m. The last exploration drilling was ordered in the last tunnel section of Tireo Formation at chainage 11+650 m, where a fault zone was predicted. No probing was performed in the granodiorite section. Generally the exploration drilling was scheduled during the daily maintenance shift of 4 hours, in order not to interrupt the TBM advance. With respect to the drilling performance of 2 m/min in average, and considering an effective utilisation factor of 30 % (positioning of the drilling unit and removing, fitting the drilling rods, additional dead times), one exploration bore hole with a depth of approximately 110 m could be completed within the maintenance shift. In case of special events, such as high water ingress or highly fractured zones, additional exploration drillings were carried out during the stoppage of the machine. The drilling position was varied continuously (Figure 5) in order to cover a broad scope. As already mentioned ten drilling lines were available to explore the geological conditions in advance. The depth of the boreholes was adapted based on the advance rates, to ensure overlapping of the exploration drillings of 10 m minimum. For the entire tunnel length, 151 exploration drillings were carried out, with an average length of 50 m, which is more than one and a half days of production.

Fig. 4. Guiding wedge, drilling crown Bild 4. Führungskeil, Bohrkrone

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Fig. 5. Exploration drillings Bild 5. Erkundungsbohrungen

Based on the drilling parameters, the explored geological conditions were classified in six characteristic classes: – high resistance (hard rock), – medium resistance (fair rock), – low resistance (weak rock), – highly fractured zone, – fault zone, – presence of high water ingress.

6 Special events

significantly and a steady state flow of about 70 l/s remained. With respect to the specific requirements of the headrace tunnel, contact grouting was carried out systematically for the entire tunnel length. Locally borehole grouting was done for rock mass consolidation where required. During grouting procedures the amount of water inflow could be reduced to a minimum. In some tunnel stretches, drainage pipes were installed for to relieve pressure in the surrounding rock mass. Besides the challenge of passing zones with high water ingress, some critical zones with local rock mass disintegration were encountered. Instabilities of lining bedding and the occurrence of segment cracks had been urging the bolting of the segments to ensure stable conditions for preliminary rock support. In a further step, the contact grouting procedure as well as final consolidation grouting were carried out, to stabilize the lining and to improve the bedding in the long term.

After the transition of the contact from Ventura Formation to Tireo Formation at chainage ∼6+700, pressurized groundwater of the jointed basalt was discovered during probing. The water was clear, without the presence of fines (Figure 6). As a consequence, the decision was taken to drain the rock mass by drilling in advance, without any pre-treatment of the rock. During drilling, the water ingress increased continuously with the number of drillings. While the TBM was designed to manage a temporary high amount of water up to 500 l/s, the problems arose that the pea gravel of the bedding was washed out through the grouting holes. To keep the pea gravel in the annular gap, filter pipes were fitted into all penetrating holes. After stabilizing the rings the TBM heading could proceed. At chainage 6+880 another zone of pressurised water ingress was encountered. After passing this zone a water inflow up to 280 l/s was measured at the portal area. Within a short time (≈ five days) the amount of water decreased

Fig. 6. Water ingress Bild 6. Wasserzutritt

The classified rock according to the exploration was compared to the geological mappings. For the TBM drive, geological mapping consisted of a visual inspection of the tunnel face during the maintenance shift. In addition, the tunnel wall could be inspected at the open telescopic shield and in the bottom area of the tail shield (open tail shield).

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7 Review and site experience Reviewing the TBM drive, a successful drive with 27 m daily advance as well as the mastering of a number of highly challenging events, the 12.43 km long TBM tunnel celebrated the breakthrough on the 8th April 2011. Worth mentioning is the successful passing of the jointed basalt with the presence of high water ingress as well as the stabilisation of the lining bedding and final improvement managed by a step by step grouting concept to comply with the requirements of the headrace system. The exploration concept provided a broad view of the geological conditions in advance and offered safe heading conditions during the excavation works.

Dipl.-Ing. Andreas Walter Viglconsult ZT GmbH Batloggstraße 36 6780 Schruns Austria andreas.walter@viglconsult.at

Ing. Carlos Guimarães Proyecto Hidroeléctrico Palomino Calle Pedro Henrique Ureña # 152 Ensanche La Esperilla, Torre Diandy XIX Noveno Piso, Santo Domingo República Dominicana cguimaraes@odebrecht.com

Dipl.-Ing. Reinhold Gerstner Vorarlberger Illwerke AG Batloggstraße 36 6780 Schruns Austria reinhold.gerstner@illwerke.at

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Topics Günter Strappler Alois Vigl Rudolf Scheutz

DOI: 10.1002/geot.201200005

Two-layer lining for ÖBB railway tunnel projects with TBM Ein- und zweischalige Auskleidung bei Tunnelbauprojekten der ÖBB mit kontinuierlichem Vortrieb In the last 15 years, a number of transport tunnels for Austrian Railways ÖBB have been tendered for mechanised tunnelling by TBM and some have already been completed. The question whether to use one or two layers of lining was considered on practically all these projects. This either led to a decision which system to tender, or else the two alternatives were held to be equally suitable and the decision was left to market forces. These fundamental considerations about the lining system normally involved a systematic comparison and evaluation of the features of each system regarding the structural system (actions and resistance), serviceability (waterproofing, durability), the properties during and after a fire and operational and maintenance considerations. The article explains: − the essential system requirements concerning actions and resistance, serviceability and fire safety, with examples, − the basic requirements for the operation and maintenance of ÖBB tunnels, including discussion of previous experience with maintenance, − the basic features of single- or two-layer construction for continuously advanced tunnels, which are presented and briefly described, − the system matrix used to make system decisions and the evaluation procedure, − the economic considerations, mentioning the contrasting conditions in neighbouring European countries, including construction price and time considerations. The system decisions or recommendations are analysed and argued through the example of rail tunnels in Germany and Switzerland as well as ÖBB tunnel projects. This overall treatment is intended to clarify how system decisions or recommendations were reached on ÖBB projects and what assistance can be derived for future projects, also considering foreseeable technical developments.

1 Introduction The Wienerwald Tunnel, the significant sections of the Lower Inn Valley line and the three tunnels in the Perschling chain in Austria have all been driven continuously by tunnel boring machines (TBM) [1]. These railway tunnels were built under very different local conditions and different methods of lining were upplied. Contract KAT 2 of the Koralm Tunnel has now been started, and further tunnels on the Koralm line [2] and the Pummersdorfer Tunnel [3] have or will be tendered for TBM. A further number of tun-

In den letzten 15 Jahren wurde in Österreich eine Reihe von Verkehrstunneln der ÖBB für einen kontinuierlichen Vortrieb mittels TVM ausgeschrieben und zum Teil auch schon ausgeführt. Bei praktisch all diesen Projekten wurden Grundsatzüberlegungen zur Frage der Ein- oder Zweischaligkeit angestellt. Daraufhin wurden entsprechende Systementscheidungen getroffen oder unter Wahrung der Gleichwertigkeit die Systemwahl im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit dem Markt überlassen. Bei den Grundsatzüberlegungen zum Auskleidungssystem wurden in der Regel die Systemmerkmale hinsichtlich des statisch konstruktiven Systems (Einwirkung und Widerstand), der Gebrauchstauglichkeit (Dichtheit, Langlebigkeit), der Eigenschaften während und nach einem Brandereignis sowie die Eigenschaften im Bezug auf den Betrieb und die Erhaltung einander systematisch gegenübergestellt und bewertet. Im Beitrag sollen: − Die wesentlichen Systemanforderungen hinsichtlich Einwirkung und Widerstand, Gebrauchstauglichkeit und Brandsicherheit exemplarisch dargelegt werden, − Die Grundsatzanforderungen an Betrieb und Erhaltung bei ÖBB Tunneln beschrieben werden und es soll auf bisherige Erfahrungen bei der Erhaltung eingegangen werden, − Die grundsätzlichen Systemmerkmale der ein- oder zweischaligen Bauweise bei kontinuierlichen Vortrieben vorgestellt und kurz beschrieben werden, − Die bei den bisherigen Systementscheidungen verwendete Bewertungsmatrix und das angewendete Bewertungsverfahren vorgestellt werden, − Die wirtschaftlichen Überlegungen mit Hinweis auf unterschiedliche Bedingungen im Europäischen Umfeld unter Einbeziehung von Leistungsansätzen und Bauzeitüberlegungen erörtert werden. Die Systementscheidungen bzw. Systemempfehlungen werden an Hand von Eisenbahnprojekten aus Deutschland und der Schweiz sowie ÖBB-Tunnelprojekten grob nachvollzogen und argumentiert. Aus der gesamten Betrachtung soll hervorgehen, wie die bisherigen Systementscheidungen bzw. Systemempfehlungen bei ÖBB Projekten begründet waren und welche Entscheidungshilfen sich für weitere Projekte unter Einschätzung der technologischen Entwicklung ableiten lassen.

1 Einleitung In Österreich wurden in den letzten Jahren der Wienerwaldtunnel, die maßgeblichen Tunnelstrecken der Unterinntaltrasse sowie die drei Tunnel der Tunnelkette Persch-

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nels like the Semmering Base Tunnel, the Brenner Base Tunnel and the route around Seekirchen are planned for TBMs and are at various stages of design. The selection of a lining system is thus a currently significant theme, and influential system decisions have already been made. In total, about 255 km of TBM-driven tunnels are currently underway, about 16 % under construction, awarded (approx. 13 %) or in the design phase (approx. 70 %). This distance corresponds to nearly the width or half the length of Austria. The decisions which lining system to use were reached individually, with the essential evaluation factors being structural safety, fire safety, durability, construction costs, time and risk, as well as maintenance. Some of these evaluation factors represent measurable quantities like projected construction cost and time, some which cannot be easily quantified like risk costs, some which can only be approximately formulated like quality and recognised state of the technology, and quantities with various degrees of time-relevance like construction, financing and maintenance. On the one hand, dealing with very individual project-specific conditions and the very different nature of the evaluation factors rule out a “cooking recipe” for the decision-making process. On the other hand, a manner of “general concept” has developed in the course of the decision-making process, which has become established as a sort of “common denominator” for decisions. This article intends to describe and explain the decisions made using the selected decision-making aids, and specify the “general concept”. This does not of course alter the need to investigate each individual project in detail and base the selection of a lining system on this detailed investigation. If two solutions have equal technical value and the design team cannot make any definite recommendation based on the other evaluation factors and cost estimates, it can be sensible to complete the design work and tender both variants to leave the decision to market forces.

2 System features of single- and two-layer lining construction with continuous advance 2.1 Basic requirements The basic requirements for a lining system comprise: – secure support of the cavity during tunnelling work under the given local conditions of geology, geomechanics and hydrogeology (structural safety), – serviceability with regard to waterproofing requirements, durability, fire protection and geometric requirements, – the requirements of environmental impact considering the specific local conditions, – quality requirements regarding maintenance, operation and availability of the facilities, – the basics of optimised economics considering the costs resulting from financing, construction, maintenance, and risks from each sphere.

ling im kontinuierlichen Vortrieb mittels Tunnelvortriebsmaschinen (TVM) aufgefahren [1]. Diese Eisenbahntunnel wiesen sehr unterschiedliche Randbedingungen auf, und es wurden auch unterschiedliche Auskleidungssysteme angewandt. Das Baulos KAT 2 des Koralmtunnels wurde mittlerweile begonnen, und weitere Tunnel der Koralmstrecke [2] sowie der Pummersdorfer Tunnel [3] wurden bzw. werden für TVM ausgeschrieben. Eine ganze Reihe weiterer Tunnel wie der Semmering Basistunnel, der Brenner Basistunnel, die Umfahrung Seekirchen sind mit TVM angedacht und befinden sich in unterschiedlichen Planungsstadien. Dabei wurde die Entscheidung über das Auskleidungssystem eingehend thematisiert, und es wurden bereits weitreichende Systementscheidungen getroffen. In Summe geht es dabei um ca. 255 km TVM-Tunnelröhren von denen zurzeit ca. 16 % im Bau, in Ausführung (ca. 13 %) oder in Planung (ca. 70 %) sind. Dies entspricht immerhin beinahe der Breite bzw. der halben Länge Österreichs. Die Entscheidungen für das Auskleidungssystem werden individuell getroffen. Dabei werden im Wesentlichen die Tragsicherheit, der Brandschutz, die Dauerhaftigkeit, Baukosten, Bauzeit und Risiko sowie Erhaltung bewertet. Bei den Bewertungsgrößen geht es zum Teil um Einflussgrößen, die konkret in Zahlen zu fassen sind, wie projektierte Baukosten und Bauzeit, solche, die nur unscharf fassbar sind, wie Risikokosten, solche, die nur unscharf formulierbar sind, wie Qualität und erprobter Stand der Technik sowie um Größen mit unterschiedlicher zeitlicher Relevanz wie Errichtung, Finanzierung und Erhaltung. Der Umgang mit sehr individuellen Projektrandbedingungen einerseits und die sehr unterschiedlichen Natur der Evaluierungsgrößen andererseits schließen ein „Kochrezept“ bei der Entscheidungsfindung weitgehend aus. Andererseits hat sich im Zuge der Entscheidungsfindungen doch eine Art „Leitbild“ entwickelt, das sich als ein quasi „gemeinsamer Nenner“ bei den Entscheidungen etabliert hat. Der vorliegende Beitrag versucht die Entscheidungen anhand der gewählten Entscheidungshilfen verständlich und nachvollziehbar zu machen und das „Leitbild“ zu diskretisieren. Was jedoch auch in Zukunft bleiben wird, ist das Erfordernis sich individuell mit jedem Projekt auseinanderzusetzen und die Systementscheidung für das Auskleidungssystem von dieser Auseinandersetzung maßgeblich abhängig zu machen. Wenn sich für beide Lösungen eine technische Gleichwertigkeit ergibt und von Seiten der Planung keine eindeutige Empfehlung auf Basis der übrigen Bewertungsparameter und der Kostenschätzung gegeben werden kann, kann es sinnvoll sein, beide Varianten durchzuplanen und auszuschreiben und die Entscheidung dem Markt zu überlassen.

2 Systemmerkmale der einund zweischaligen Bauweise bei kontinuierlichem Vortrieb 2.1 Grundsatzanforderungen

2.2 Typical standard cross-sections Two-layer – Wienerwald Tunnel The approximately 11.5 km long Wienerwald Tunnel has two bores and was initially driven through molasse and

Die Grundsatzanforderungen an das Auskleidungssystem bestehen aus: – einer sicheren Hohlraumstützung während des Vortriebs unter den jeweils gegebenen Randbedingungen

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then mainly flysch with overburden depths of between 150 and 250 m. Despite the moderate level of primary stress, the poor rock mass properties expected in places meant that the lining had to be designed for not inconsiderable loading. The formation water pressure, with little actual inflow, was also expected to be high due to the generally low rock permeability and the high groundwater table, which required a pressure-relieved waterproofing system. The evaluation carried out for the lining system compared a single-layer lining against a two-layer system. Due to the wide range of possible external loading cases including water pressure, the decision was made to use a two-layer pressure-relieved system with an economic unsealed outer segmental lining and an unreinforced in-situ concrete inner lining with a pressure-relieved waterproofing membrane between (Figure 1). Single layer with fire protection lining – Lower Inn Valley line contract H3–4 Along the northern approach routes to the Brenner Base Tunnel, the main contract H3–4 has a two-track tunnel with a length of approx. 5.8 km mainly running through the alluvium under the water table in the Inn Valley. A hydroshield was used with a cutting wheel diameter of 13.03 m [4]. The cover above the crown was between 12 and 44 m with a groundwater table of 6 to 28 m. This resulted in a required support pressure of 0.8 to 3 bar and the specification of an immediately available, watertight and pressure-resistant lining. As part of the evaluation, a single-layer lining was compared with a two-layer solution and also a fire protection lining. A two-layer solution was selected, mainly due to the fire safety requirements. The outer layer provides a full-value, single-layer system meeting the structural and serviceability requirements, and the inner lining is thin and only designed to meet the fire protection requirements (Figure 2).

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aus Geologie, Geomechanik und Hydrogeologie (Tragsicherheit), der Gebrauchstauglichkeit im Hinblick auf die Abdichtungsansprüche, die Dauerhaftigkeit, den Brandschutz und die geometrischen Vorgaben, den Ansprüchen aus der Umweltverträglichkeit unter Berücksichtigung der jeweiligen projektspezifischen Randbedingungen, dem Qualitätsanspruch im Hinblick auf die Erhaltung, den Betrieb und die Anlagenverfügbarkeit dem Grundsatz der optimierten Ökonomie unter Beachtung der Kosten zufolge Finanzierung, Errichtung, Erhaltung und Risiko aus den jeweiligen Sphären.

2.2 Typische Regelquerschnitte Zweischalig – Wienerwaldtunnel Der ca. 11,5 km lange Wienerwaldtunnel hat mit zwei Röhren zunächst Molasse und dann in der Hauptsache Flyschgestein bei Überlagerungshöhen zwischen 150 und 250 m aufgefahren. Trotz des bescheidenen Primärspannungsniveaus war zufolge zum Teil erwarteter mäßiger Gebirgseigenschaften doch mit einer nicht unerheblichen Gebirgslast auf die Auskleidung zu rechnen. Auch der Bergwasserdruck war zufolge der überwiegend geringen Gebirgsdurchlässigkeit und hohem Bergwasserspiegel, bei geringen Wasserzutritten, eher hoch anzusetzen, was ein druckentlastetes Abdichtungssystem erforderte. Für das Auskleidungssystem wurde im Rahmen einer Evaluierung ein einschaliges Auskleidungssystem einer zweischaligen Auskleidung gegenübergestellt. Gewählt wurde aufgrund der großen Bandbreite möglicher äußerer Lasten einschließlich Bergwasserdruck, ein zweischaliges, druckentlastetes System mit einer kostengünstigen, nicht gedichteten Tübbing-Außenschale und einer unbewehrten Ortbeton-Innenschale mit dazwischen liegender, druckentlasteter Abdichtungsbahn (Bild 1).

Fig. 1. Typical section Wienerwald, two-layer, water pressure-relieved structure Bild 1. Regelquerschnitt Wienerwaldtunnel, zweischalig, druckentlastet

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Fig. 2. Typical section H3–4, singlelayer, watertight with fire retardant inner lining Bild 2. Regelquerschnitt H3–4; einschalig, druckhaltend mit Brandschutzgewölbe

Hybrid model, single/two-layer – Koralm Tunnel KAT 2: The central section of the Koralm Tunnel, contract KAT 2, provides two single-track bores, firstly passing through mica schist followed by shale gneiss with a length of approx. 7.9 km and overburden of up to 800 m, followed by a crystalline section through various gneisses with a length of approx. 9.8 km and overburden up to 1,225 m [2]. The primary stress level is impressive and considerable loading has to be expected in parts of the first section. In the second section, very good rock mass properties can generally be expected, so that high loading is only to be expected along the pronounced fault zones. Accordingly, a two-layer lining system with unreinforced concrete inner lining and pressure-relieved waterproofing membrane between the layers, similar to the Wienerwald Tunnel, was selected for the first section, and for the second section the option was left open to omit the inner lining and provide the waterproofing function in the form of an umbrella waterproofing with pressure-relieved single-layer segment construction. In fault zones, with corresponding loading, twolayer construction is also specified in the second section (Fig. 3).

Einschalig mit Brandschutzgewölbe – Unterinntaltrasse H3–4 Entlang der nördlichen Zulaufstrecke zum Brenner Basistunnel unterquert das Hauptbaulos H3–4 auf einer Länge von ca. 5,8 km mit einer zweigleisigen Röhre in der Hauptsache das Inntal in Alluvionen und unter dem Grundwasserspiegel. Eingesetzt wurde ein Hydroschild mit einem Schneidraddurchmesser von 13,03 m [4]. Die Firstüberlagerung lag bei 12 bis 44 m bei einem Grundwasserspiegel von 6 bis 28 m. Daraus ergab sich ein erforderlicher Stützdruck von 0,8 bis 3 bar und für die Auskleidung das Erfordernis nach einem sofort verfügbaren, dichten und druckhaltenden Ausbau. Im Rahmen einer Evaluierung wurde ein einschaliger Ausbau einem zweischaligen Ausbau und einem solchen mit Brandschutzgewölbe gegenübergestellt. Gewählt wurde, maßgeblich zufolge der Brandschutzanforderungen, ein zweischaliges System. Die Außenschale bietet dabei, im Sinne der Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit, ein vollwertiges, sofort verfügbares einschaliges System, während für den konstruktiven Brandschutz ein schlankes und nur für den Brandfall dimensioniertes Innengewölbe verfügbar ist (Bild 2).

Single layer – Pummersdorfer Tunnel The Pummersdorfer Tunnel was tendered for either conventional or continuous (TBM) tunnelling [3]. It passes through a molasse zone with a length of approx. 3.5 km in the so-called Miocene Schlier of the St.Pöltner Becken with a single tube two-track tunnel. The excavated diameter for TBM is 12.58 m. The overburden above the crown is mostly between 15 and 20 m, with a length of almost 2 km passing under shallow Quaternary gravels, which also represent a groundwater aquifer that is to be disturbed as little as possible by the tunnel construction. As with the Lower Inn Valley line, this requires an immediately effective waterproof lining, which can also meet the requirements of active sidewall support up to approx. 2.5 bar. In contrast to the Lower Inn Valley line, the danger potential here is slightly less onerous; the requirements for con-

Hybridmodell ein-/zweischalig – Koralmtunnel KAT 2: Der zentrale Bauabschnitt des Koralmtunnels, das Baulos KAT 2, durchörtert mit zwei eingleisigen Röhren zunächst Glimmerschiefer und Schiefergneis auf einer Länge von ca. 7.9 km bei Überlagerungshöhen bis 800 m und anschließend einen Kristallinabschnitt mit unterschiedlichen Gneisen auf eine Länge von ca. 9,8 km und bei Überlagerungshöhen bis 1.225 m [2]. Das Primärspannungsniveau ist beachtlich und entlang des ersten Abschnitts ist auch abschnittsweise mit erheblichen Beanspruchungen der Auskleidung zu rechnen. Im zweiten Abschnitt ist überwiegend von sehr guten Gebirgseigenschaften auszugehen, sodass eine erhebliche Beanspruchung nur entlang ausgeprägter Störungen zu erwarten ist. Entsprechend wurde für den ersten Abschnitt, ähnlich wie beim Wienerwaldtunnel, ein zweischaliges System mit unbewehrter

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Fig. 3. Typical section Koralm KAT 2, two-layer, water pressure-relieved structure, optionally without inner lining Bild 3. Regelquerschnitt KAT 2; zweischalig, druckentlastet, mit Option für Entfall der Innenschale

Fig. 4. Typical section Pummersdorf, single-layer, watertight with extra space for interventions Bild 4. Regelquerschnitt Pummersdorf; einschalig, druckhaltend mit Interventionsraum

structional fire protection are not as stringent and can be met by the addition of the appropriate quantity of polypropylene fibres to the segment concrete with singlelayer construction. In addition, the standard cross-section provides an intervention space, which would make it possible to install an additional inner lining in case of a fire (Figure 4). The Pummersdorfer Tunnel has now been awarded and according to the bids received will be constructed with conventional advance. Single layer – New Kaiser Wilhelm Tunnel near Cochem on the Mosel This tunnel is about 4 km long and was driven by an earth pressure balanced (EPB) machine. Due to the relatively dense ground and low water ingress, a solution was selected with a singlelayer pressure-resistant segment lining

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Ortbeton-Innenschale und dazwischen liegender druckentlasteter Abdichtungsbahn gewählt, während im zweiten Abschnitt die Option offen gelassen wurde, die Innenschale wegzulassen und die Abdichtungsfunktion im Sinne einer Regenschirmabdichtung mittels druckentlasteter, einschaliger Tübbingbauweise zu realisieren. In Störungszonen ist bei entsprechender Beanspruchung auch im zweiten Abschnitt eine zweischalige Bauweise vorgesehen (Bild 3). Einschalig – Pummersdorfer Tunnel Der Pummersdorfer Tunnel wurde für zyklischen und kontinuierlichen Vortrieb (TVM) ausgeschrieben [3]. Er durchörtert auf einer Länge von ca. 3,5 km eine Molassezone im so genannten Miozänschlier des St.Pöltner Beckens mit einer einzelnen Doppelspurröhre. Der Ausbruchsdurchmesser für TVM beträgt 12,58 m. Die Überla-

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Fig. 5. Typical section NKWT (New Kaiser Wilhelm Tunnel); single-layer, watertight (up to 3 bar) with extra space for interventions Bild 5. Regelquerschnitt NKWT (Neuer Kaiser-Wilhelm-Tunnel); einschalig, druckhaltend (bis 3 bar) mit bautechnischem Nutzraum

designed for only 3 bar with the pressure being relieved in sections with a particularly high groundwater table by draining the small quantities of water through the segments into a separate drainage pipe in the carriageway [5] (Figure 5).

3 Basics of system evaluation 3.1 Flow diagram The procedure shown diagrammatically in Table 1 has proved successful for the comparison of lining systems. In case the construction time is significant for the comparison of single and two-layer linings, this can be taken into account in a similar way to the cost and cost risks.

3.2 Cost and time influences In order to be able to reliably evaluate the effects of cost and time, it is essential to determine the costs of the standard measures as base costs with equivalent detailing per running metre of tunnel for all systems. Firstly, a realistic standard section is derived for each system, which is then used to derive and price the quantities per item. For the realistic estimation of the construction time, a method of schedule determination with the display of critical and uncritical construction time has proved successful, with the time-related costs of the employer being considered in the listing of costs. The evaluation of the selected system is then performed with regard to the initially mentioned basic requirements. The evaluation can be qualitative or quantitative according to the processing depth.

4 Experience with existing railway tunnels in Austria 4.1 The condition of existing tunnels and recommendations for new construction Due to the development of the New Austrian Tunnelling Method (NATM) and the aim of working with a temporary support system as slender and adaptable as possible,

gerung über Firste erreicht maximal ca. 22 m und liegt meist zwischen 15 und 20 m wobei über eine Länge von beinahe 2 km quartäre Kiese den Tunnel seicht überlagern und zugleich einen Grundwasserkörper darstellen, der durch den Vortrieb möglichst nicht gestört werden sollte. Wie bei der Unterinntaltrasse erfordert dies einen sofort wirksamen, dichten Ausbau, der sich gleichzeitig auch aus dem Erfordernis nach aktiver Leibungsstützung bis zu ca. 2,5 bar ergibt. Anders als bei der Unterinntaltrasse liegen hier aufgrund eines geringeren Gefährdungspotenzials etwas geringere Anforderungen an den baulichen Brandschutz vor, die sich durch entsprechende Zugabe von Polypropylenfasern zum Tübbingbeton auch kostengünstig mit einer einschaligen Bauweise erfüllen lassen. Zusätzlich wird im Regelquerschnitt ein Interventionsraum vorgehalten, der es nach einem Brandereignis erlauben würde, im Rahmen der Instandsetzung ein zusätzliches Innengewölbe einzubauen (Bild 4). Der Pummersdorfer Tunnel wurde zwischenzeitlich vergeben und wird zufolge der Angebotslage im zyklischen Vortrieb ausgeführt. Einschalig – Neuer Kaiser-Wilhelm-Tunnel bei Cochem an der Mosel Bei diesem rund 4 km langen Tunnel, der mit einer Erddruckschildmaschine aufgefahren wurde, wird aufgrund des relativ dichten Gebirges und geringer Wasserzutritte die Lösung ausgeführt, die einschalige druckhaltende Tübbingschale nur auf 3 bar Wasserdruck auszulegen und in Bereichen mit höherem Bergwasserspiegel den Druck zu entlasten und die geringen Wassermengen durch die Tübbinge durchzuleiten und in einer separaten Leitung in der Fahrbahn abzuführen [5] (Bild 5).

3 Grundsätze der Systemevaluierung 3.1 Ablaufschema Als Vorgangsweise für den Vergleich von Auskleidungssystemen hat sich das in Tabelle 1 dargestellte Ablaufschema

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Table 1. Flow chart for the selection of lining systems Tabelle 1. Ablaufschema zur Evaluierung der Auskleidungssysteme Determination of the project-specific factors and constraints Ermittlung der projektspezifischen Einflussfaktoren resp. Randbedingungen

Definition of the requirements for the tunnel structure (Specification from operation plan) Definition der Anforderungen an das Tunnelbauwerk (Vorgaben aus Nutzungsplan)

䉲

Coarse evaluation of single- and two-layer systems (exclusion of clearly unsuitable systems) Grobevaluation der einund zweischaligen Systeme (Ausscheiden offensichtlich nicht geeigneter Systeme

䉲

Design and preliminary sizing of the standard profiles of the remaining systems (bored diameter, thickness of segments/ inner lining, space required due to vibration, noise protection, aerodynamics and rail technology) Entwurf und Vordimensionierung der Regelprofile der verbleibenden Systeme (Bohrdurchmesser, Dicke Tübbing/Innenbeton, Platzbedarf aufgrund Erschütterung, Lärmschutz, Aerodynamik und Bahntechnik)

䉲

Definition of the regular measures and events leading to special measures for each system Definition der Regelmaßnahmen und der Ereignisse mit Sondermaßnahmen pro System

䉲

Estimation of the costs for regular measures and for each event leading to special measures Ermittlung der Kosten für die Regelmaßnahmen und für jedes Ereignis mit Sondermaßnahmen

䉲

Determination of the frequency of each event leading to special measures Festlegen der Ereignishäufigkeit für jedes Ereignis mit Sondermaßnahmen

䉲

Compilation of the costs (of regular measures) and risk costs (of special measures) for each system Zusammenstellen der Kosten (aus den Regelmaßnahmen) und Risikokosten (aus den Sondermaßnahmen) pro System

䉲 Evaluation and description of the suitable systems, or exclusion of systems due to the of costs and risk costs in the compilation Compilation of the remaining suitable systems Beurteilung und Bezeichnung der geeigneten Systeme, respektive Ausschluss von Systemen aufgrund der Zusammenstellung der Kosten und Kostenrisiken Zusammenstellung der verbleibenden Systeme

Austrian railway tunnels in recent times have been excavated conventionally and constructed with two layers consisting of conventional temporary support, full-surface waterproofing and unreinforced concrete inner lining. Railway tunnels constructed like this have to be mountained all over Austria, along the Westbahn line and also on other important routes. Some tunnels are currently being travelled at a maximum speed of vmax = 200 km/h, although most tunnels are designed for a lower speed. On the route of the Westbahn line, some test runs have been carried out at vmax = 250 km/h. The cracking patterns experienced in unreinforced concrete inner linings generally show longitudinal cracks in the crown and in some cases, under challenging geological conditions, also at the sides or near the spring line. Crack widths have been documented from the character of hair cracks (0.2 mm) up to the millimetre range. Steps at the edge of cracks are seldom and spalling has never been detected so far. Years of observation and measurement of the crack widths have not found any serious deterioration in most tunnels. The same applies to radial and inclined cracks, which are encountered from very fine up to the millimetre range. Minimal, slight steps between individual

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bewährt. Falls die Bauzeit für den Vergleich des einund zweischaligen Ausbaus von Bedeutung ist, kann diese analog zu den Kosten und Kostenrisiken berücksichtigt werden.

3.2 Kosten- und Zeiteinflüsse Für die zutreffende Erfassung der Kosten- und Zeiteinflüsse ist es unerlässlich, die Kosten der Regelmaßnahmen als Basiskosten mit einer für alle Systeme gleichwertigen Detaillierung je Laufmeter Tunnel zu erfassen. Basis dazu ist die Herleitung eines realistischen Regelquerschnitts für jedes System und darauf aufbauend die Herleitung und Auspreisung der Massen je Position. Zur realitätsnahen Erfassung der Bauzeit hat sich eine Bauzeitermittlung mit Darstellung einer kritischen und unkritischen Bauzeit bewehrt, wobei die zeitgebundenen Kosten des Auftragnehmers einschließlich der zeitgebundenen Kosten des Auftraggebers in der Kostenaufstellung berücksichtigt werden. Die Evaluierung der ausgewählten Systeme erfolgt dann unter Bezug auf die eingangs erwähnten Grundsatzanforderungen. Die Bewertung kann je nach Bearbeitungstiefe qualitativ oder quantitativ erfolgen.

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concrete elements are possible, but not common. In some places, inclined cracks are detected at the corner of niches, which have to be interpreted as stress cracking. Shell-shaped, sickle-shaped cracks have been observed at the ends of block joints, and these can also range up to millimetres. These were probably caused by the hydraulic pressing of the formwork onto the last block to be concreted. These formwork cracks sometimes also show a slight step, but no loosening of the concrete has yet been observed

4.2 Drainage pipes in newer tunnels Drainage pipes are an anxiety for tunnel maintenance personnel when the necessary flushing cannot be carried out regularly due to the lack of track closures and maintenance windows. This has the consequence for basic tunnel design decisions that a sustainably functioning drainage system is one of the most important preconditions for a durable railway tunnel. If the regular drainage of formation water and groundwater does not function or cannot be ensured in the long term, then water build-up can result in additional attack on the unreinforced concrete inner lining with associated secondary damage.

4.3 Tunnel availability There are currently no doubts about the fitness of Austrian railway tunnels for operation due to crack formation in unreinforced concrete inner linings, but incidents connected with drainage systems (blockages of the side drains) have already led to disruptions and flooding of tunnels.

5 System decisions in the neighbouring European countries The situation in nearby countries is mainly determined by geology and the relevant requirements of the rail operators. If Switzerland and Germany are considered, the immediate neighbours of Austria, then many railway tunnels in Switzerland and most in Germany are situated in the Alpine foreland from the molasse to the Quaternary. Switzerland and Austria also share the central Alps, where the large Alpine crossings are located. Table 2 shows a selection of rail tunnel projects, which are under construction or have been completed in Switzerland or Austria.

5.1 Design tradition Considering Table 2, it is noticeable that two-layer linings are predominant in Switzerland. In Germany, single-layer linings with waterproofed segments have been growing in popularity in recent years. Investigation of the relevant national codes for the design and construction of railway tunnels (SIA 197/2004 “Design of tunnels – Basic principles” (chap. 8.4) [6] for Switzerland and guideline 853 “Design, construction and maintenance of railway tunnels” (modules 853.4004 and 853.4005) [7] for Germany) shows that single-layer construction with waterproof segments and two-layer construction with unreinforced or reinforced inner lining and with or without waterproofing are all dealt with as permissible methods of construction.

4 Erfahrung mit bestehenden Eisenbahntunneln in Österreich 4.1 Zustand bestehender Tunnel und Empfehlungen für die Bauphase Aufgrund der Entwicklung der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise (NÖT) und dem Ziel, mit einer möglichst schlanken und anpassungsfähigen Erstsicherung zu agieren, wurden die österreichischen Eisenbahntunnel der Neuzeit zyklisch aufgefahren und zweischalig mit konventioneller Vorauskleidung, flächenhafter Abdichtung und unbewehrter Tunnelinnenschale ausgeführt. Verteilt auf das österreichische Bundesgebiet sind sowohl entlang der Westbahn als auch auf anderen wichtigen Durchzugsstrecken diese Bauweisen zu betreuen. Zurzeit werden einige Tunnelbauwerke mit einer Höchstgeschwindigkeit von vmax = 200 km/h befahren, die meisten Tunnel sind aber für eine niedrigere Streckengeschwindigkeit konzipiert. Entlang der Westbahn wurden vereinzelt Versuchsfahrten mit vmax = 250 km/h durchgeführt. Angetroffen werden bei den unbewehrten Innenschalen die allgemein bekannten Rissbilder, die hauptsächlich in der Firste Längsrisse zeigen und fallweise bei anspruchsvollen Gebirgsverhältnissen auch seitlich an den Ulmen oder im Kämpferbereich Längsrisse aufweisen. Rissweiten mit Haarrisscharakter (0,2 mm) bis in den Millimeterbereich sind dokumentiert. Versätze an den Rissufern wurden kaum, Abplatzungen eigentlich bis dato gar nicht vorgefunden. Nach jahrelangen Beobachtungen und Messungen der Rissbreiten wurden in den meisten Tunnels keine gravierenden Verschlechterungen festgestellt. Gleiches gilt auch für Radial- und Schrägrisse, die von ganz fein bis in den Millimeterbereich angetroffen wurden. Minimale, geringe Versätze einzelner Betonteile sind möglich, aber nicht die Regel. Vereinzelt sind Schrägrisse an den Nischenecken festzustellen, die als Spannungsrisse gedeutet werden müssen. Schalenförmige, sichelförmige Risse sind an den Enden der Blockfugen zu beobachten, die ebenfalls in den Millimeterbereich reichen können. Wahrscheinlich sind sie durch das hydraulische Anpressen des Schalwagens an den zuletzt betonierten Block entstanden. Diese Schalenrisse weisen manchmal auch einen leichten Versatz auf, aber Ablösungen des Betons wurden bis dato nicht beobachtet

4.2 Entwässerungsleitungen neuer Tunnelbauwerke Sorge bereiten den Tunnelerhaltern Entwässerungsleitungen, wenn die notwendigen Spülungen durch fehlende Gleissperren und Wartungsfenster nicht regelmäßig durchgeführt werden können. Dies bedeutet bereits für Grundsatzentscheidungen der Planung, dass eine nachhaltig funktionierende Entwässerungslösung zu den wichtigsten Grundvoraussetzungen eines langlebigen Eisenbahntunnels gehört. Ist eine ordnungsgemäße Ableitung der Bergu. Grundwässer nicht gegeben oder auf Dauer nicht gesichert, so kann es durch Wasseraufstau zu zusätzlichen Belastungen der unbewehrten Tunnelinnenschale mit entsprechenden Folgeschäden kommen.

4.3 Tunnelverfügbarkeit An der Betriebstauglichkeit der österreichischen Eisenbahntunnel wegen Rissbildung der unbewehrten Innen-

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Table 2. Selection of rail tunnels in Germany and Switzerland Tabelle 2. Auswahl von Eisenbahntunnels in Deutschland und der Schweiz Tunnel Tunnel

Tracking Vortrieb

Lining system Ausbausystem Switzerland/Schweiz

Zurich Thalwil, Zurich sidfe

Rock, hard rock, TBM Loose ground hydroshield Fels: Hartgesteins TVM; Lockergestein: Hydroschild

Two-layer, pressure resistant, bolted with gaskets; rock bolted without gaskets Zweischalig, druckhaltend; Lockergestein: verschraubt gedichtet; Fels: verschraubt ohne Dichtung

Zürich Thalwil, Thalwil side

Hard rock TBM-S

Zürich Thalwil, Seite Thalwil

Hartgesteins TBM-S

Two-layer crown, invert single-layer, open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane Zweischalig oben, Sohle einschalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Oenzenberg Tunnel

Hard rock TBM-S Loose ground: hydroshield Fels: Hartgesteins TVM; Lockergestein: Hydroschild

Two-layer, pressure-resistant, open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane Zweischalig, druckhaltend; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Murgenthal Tunnel

Hard rock TBM-S

Tunnel Murgenthal

Hartgesteins TBM-S

Zürichberg Tunnel

Hard rock TBM-S

Zürichbergtunnel

Hartgesteins TBM-S

Grauholz Tunnel

Hard rock TBM-S

Grauholztunnel

Hartgesteins TBM-S

Gubrist Tunnel

Hard rock TBM-S

Gubristtunnel

Hartgesteins TBM-S

dÀrrissoules Tunnel

Hard rock TBM-S

Tunnel dÀrrissoules

Hartgesteins TBM-S

Sachseln Tunnel

Hard rock TBM-S

Tunnel Sachseln

Hartgesteins TBM-S

Lötschberg Base Tunnel

Open hard rock TBM

Lötschberg Basistunnel

Hartgesteins TBM-offen

Gotthard Base Tunnel

Open hard rock TBM

Gotthard Basistunnel

Hartgesteins TBM-offen

Basle Basel

EPB shield EPB-Schild

Zürich Thalwil, Seite Zürich

Oenzenbergtunnel

Two-layer open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane Zweischalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn Single-layer, pressure-resistant (pressureless); loose ground and rock – bolted with gaskets Einschalig, druckhaltend (drucklos); Lockergestein und Fels verschraubt gedichtet Two-layer crown, invert single-layer, open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane Zweischalig oben, Sohle einschalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn Two-layer open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane Zweischalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn Two-layer open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane Zweischalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn Two-layer; conventional temporary support, pressure-relieved waterproofing with membrane Zweischalig; konventionelle Vorauskleidung, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn Two-layer; conventional temporary support, pressure-relieved waterproofing with membrane Zweischalig; konventionelle Vorauskleidung, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn Single-layer, pressure-resistant, bolted with gaskets Einschalig, druckhaltend verschraubt gedichtet

Germany/Deutschland Elbe Tunnel Elbe Tunnel

Hydroshield Hydroschild

Single-layer, pressure-resistant, bolted with gaskets Einschalig, druckhaltend verschraubt gedichtet

Katzenberg Tunnel Katzenbergtunnel

EPB shield EPB-Schild

Single-layer, pressure-resistant, bolted with gaskets Einschalig, druckhaltend verschraubt gedichtet

Schlüchtener Tunnel Schlüchtener Tunnel

EPB shield EPB-Schild

Single-layer, pressure-resistant, bolted with gaskets Einschalig, druckhaltend verschraubt gedichtet

New Kaiser Wilhelm Tunnel Neuer Kaiser Wilhelm Tunnel

EPB shield EPB-Schild

Single-layer, pressure-resistant (up to 3 bar), bolted with gaskets Einschalig, druckhaltend (bis 3 bar) verschraubt gedichtet

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Regulations in Switzerland In the code SIA 197/2004 [6], single-layer and two-layer linings are defined and recommendations are made for the application of each method under the appropriate conditions. Two-layer lining systems were selected for many of the tunnels in the Alps due to the deep overburden. The long Trans-Alpine tunnels at Lötschberg and Gotthard were driven either convertionally or with open TBMs, which ruled out single-layer lining from the start. The widely prevalent presence of formation water capable of attacking concrete resulted, after bad experience and costly redesign and rebuilding work, in the planned use of a two-layer lining system at the Bözberg Tunnel [8]. The possibility of installing a relatively cheap unreinforced in-situ concrete inner lining also appears to make the decision easier in Switzerland to construct tunnels with two layers of lining, particularly when formation water has to be drained in any case due to high water pressures. Regulations in Germany In Germany, the use of single-layer construction with waterproof segments developed in urban underground railway construction, where groundwater pressure relief or lowering was not possible due to the risk to buildings. Mechanised tunnelling with waterproof segment lining and the use of a earth pressure or hydroshield represents an alternative to sequential tunnelling under compressed air. Relevant experience has been available since the construction of the Munich underground in 1974. As the years passed, the method was developed further to cope with the larger diameters of other traffic tunnels. The guideline RiL 853 “Design, construction and maintenance of railway tunnels” [7] has been developed as the relevant guideline for railway tunnels. Due to the decision of German Railways DB to stop using unreinforced concrete inner linings for railway tunnels, cost arguments for single-layer lining and the omission of the inner lining are of more significance than in Austria or Switzerland, where the inner linings of two-layer tunnels have generally been unreinforced except for some special applications. As many railway tunnels in Germany lie in ground formations with only shallow overburden compared to Alpine tunnels, it is possible to use single-layer construction to meet the technical requirements and also save construction costs, time and maintenance costs, yet still meet the requirements of RiL 853 without pressure limitation systems (Ril 853, module 853.4101). Technical developments in recent years seem to make it possible to construct a pressure-tight lining even under formation water pressures up to 10 bar. The scarcely 10 km long twin-bore Katzenberg Tunnel in the line from Karlsruhe to Basel in Germany, for example, has already been designed for single-layer lining under 8 bar water pressure, and the waterproofing had to be demonstrated by the contractor under twice that pressure. It is not currently possible to finally judge the extent to which such solutions will become more common in the future. On many current tunnel projects with single-layer construction, contractual discussions are still underway

schale ist zum momentanen Zeitpunkt nicht zu zweifeln. Ereignisse mit den Entwässerungsanlagen (Verstopfungen der Ulmendränagen) haben aber bereits zu Störungen und Flutungen der Tunnelröhre geführt.

5 Systementscheidungen im europäischen Umfeld Das europäische Umfeld ist im Wesentlichen durch die geologische Situation und die entsprechenden Vorgaben der Bahnbetreiber geprägt. Zieht man die Schweiz und Deutschland als unmittelbare Nachbarn Österreichs heran, so finden sich in der Schweiz viele sowie in Deutschland die meisten Eisenbahntunnel im Alpenvorland von der Molasse bis ins Quartär. Die Schweiz und Österreich haben zudem den zentralalpinen Raum gemeinsam, wo die großen Alpenquerungen positioniert sind. Tabelle 2 zeigt eine Reihe von Eisenbahn-Tunnelprojekten, die in der Schweiz und in Österreich ausgeführt wurden bzw. in der Endausfertigung stehen.

5.1 Planungstradition Bei Betrachtung der Tabelle 2 fällt auf, dass in der Schweiz zweischaliger Ausbau vorherrscht. In Deutschland ist in den letzten Jahren der einschalige Ausbau mit gedichtetem Tübbingsystem im Vormarsch. Eine Untersuchung der jeweiligen nationalen Richtlinien für die Planung und Ausführung von Tunnelbauwerken für die Eisenbahn (SIA 197/2004 „Projektierung Tunnel, Grundlagen“ (Kap. 8.4) [6] für die Schweiz und Richtlinie 853 „Eisenbahntunnel planen, bauen und instand halten“ (Module 853.4004 und 853.4005) [7] für Deutschland) ergibt, dass sowohl die einschalige Bauweise mit gedichteten Tübbingen als auch die zweischalige Bauweise mit unbewehrter oder bewehrter Innenschale und mit oder ohne Abdichtung als zulässige Bauweisen behandelt werden. Grundlagen in der Schweiz In der SIA 197/2004 [6] sind der einschalige sowie der zweischalige Ausbau definiert, und es werden Empfehlungen zur Anwendung der jeweiligen Bauweise unter entsprechenden Bedingungen gegeben. Bei vielen Tunneln in alpiner Lage wurden zufolge großer Überlagerung zweischalige Bauweisen gewählt. Die langen Tunnel der Alpenquerungen beim Lötschberg und Gotthard wurden entweder zyklisch oder mit offenen TVM aufgefahren, sodass eine einschalige Bauweise von vornherein ausschied. Auch das weit verbreitete Vorkommen von stark betonangreifendem Bergwasser führte nach den Erfahrungen und kostspieligen Umplanungs- und Umbauarbeiten beim Bözbergtunnel [8] zum planerischen Ansatz einer zweischaligen Bauweise. Die Möglichkeit, eine billige unbewehrte Ortbeton Innenschale einzubauen, machte in der Schweiz auch offensichtlich die Entscheidung leichter, zweischalig auszubauen, besonders wenn aufgrund hoher Wasserdrücke eine Bergwasserabfuhr jedenfalls erforderlich ist. Grundlagen in Deutschland In Deutschland hat sich die einschalige Bauweise mit gedichteten Tübbingen aus dem städtischen U-Bahnbau ent-

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Table 3. Austrian rail tunnels with continuous advance currently in the design phase or under construction Tabelle 3. Österreichische Eisenbahntunnel mit kontinuierlichem Vortrieb geplant und z.T. ausgeführt Project Projekt

Tunnel system Tunnel-System

Length Länge

Max. overburden max. Überlagerung

Lining system Auskleidung

Wienerwald-Tunnel

twin tube, monotrack Zwei Röhren, einspurig

11.5 km

250 m

double shell zweischalig

Tunnelkette Perschling

single tube-double track Einröhren-Doppelspursystem

7.4 km

60 m

double shell zweischalig

Brenner Zulaufstrecke Nord H3/4

single tube-double track

5.8 km

44 m

monoshell with inner fire protective shell einschalig mit Brandschutzgewölbe

5.4 km

250 m

double shell with 50 cm segment sealed, 20 cm reinforced inner fire protective shell zweischalig mit 50 cm Tübbing gedichtet, 20 cm Brandschutzgewölbe bewehrt

16.5/18 km

1.220 m

double shell; partialle mono shell zweischalig; zt. einschalig

3.5 km

22 m

monoshell with space for interventions einschalig mit Interventionsraum

Einröhren-Doppelspursystem Brenner Zulaufstrecke Nord H 7

single tube-double track

Einröhren-Doppelspursystem

Koralmtunnel KAT 2

twin tube-monotrack Zwei Röhren, einspurig

Pummersdorfer Tunnel

single tube-double track Einröhren-Doppelspursystem

Semmering Basistunnel

twin tube-monotrack Zwei Röhren, einspurig

27.9 km

870 m

double shell zweischalig

Koralmtunnel KAT 3-Neogen

twin tube-monotrack

4.5 km

200 m

monoshell with space for interventions einschalig mit Interventionsraum

8 km

1.200 m

monoshell with space for interventions einschalig mit Interventionsraum

Zwei Röhren, einspurig Koralmtunnel KAT 3-Kristallin

twin tube-monotrack Zwei Röhren, einspurig

Koralmbahn Tunnelkette Granitztal (Tunnel Deutsch Grutschen)

twin tube-monotrack Zwei Röhren, einspurig

2.5 km

140 m

double shell zweischalig

Brenner Basistunnel

twin tube-monotrack Zwei Röhren, einspurig

55 km

750 m

double shell zweischalig

Umfahrung Seekirchen (Varianten noch offen)

twin tube-monotrack Zwei Röhren, einspurig

13,1 km

120 m

double shell zweischalig

between employer and contractor, the results of which will influence the consideration of cost-effectiveness and will possibly lead to different results than at the start of the project.

5.2 Regulations and decisions so far in Austria In Austria, the following design guidelines have been produced with relevance to the lining system: – Design guideline for conventional tunnelling [9] – Inner lining guideline [10] – Guideline for concrete segmental systems [11]

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wickelt, bei dem eine Grundwasserentspannung oder -absenkung aufgrund der Gefährdung der darüberliegenden Bebauung nicht möglich war und der maschinelle Tunnelvortrieb mit gedichteten Tübbingen und Einsatz eines Erddruck- oder Hydroschildes eine Alternative zum zyklischen Vortrieb unter Druckluft darstellt. Entsprechende Erfahrungen liegen seit 1974 aus dem U-Bahnbau in München vor. Im Laufe der Jahre erfolgte die Weiterentwicklung auch für die größeren Querschnitte anderer Verkehrstunnel. Als einschlägiges Regelwerk für Eisenbahntunnel wurde die RiL 853 „Eisenbahntunnel planen, bauen und instand halten“ [7] erarbeitet.

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Table 4. Advantages and disadvantages of single- and two-layer solutions Advantages single-layer

Disadvantages single-layer

Advantages two-layer

Disadvantages two-layer

Construc- After the tunnel drive has tion time passed through and the segments are installed, the tunnel structure is complete except for the connection of side structures and any grouting required

Segments with gaskets have to be installed very carefully and this leads to longer installation times than for segments without gaskets

The segments in the outer layer can be thinner, which simplifies handling and installation. Segments without gaskets or bolting can be installed more quickly than sealed and bolted segments

After the tunnel drive has passed through and the outer layer of segments are installed, further activities are necessary: installation of full-surface waterproofing, formation water drainage and concreting of the inner lining

Construc- The outer lining also acts tion cost as inner lining and waterproofing system

Segments and ring installation have to be constructed of high-grade concrete and installed with a high degree of precision – requires expensive quality assurance

Less stringent requirements for the precision of segment production, ring installation and concrete quality

The following activities like the installation of full-area waterproofing, formation water drainage and concreting of the inner lining leads to higher time-related costs, if the inner lining is on the critical path of the overall schedule

Quality/ risk

If the level of water pressure makes pressure-resistant construction possible – omission of the formation water drainage and its maintenance costs

With pressure-tight construction, the segment thickness has to be designed to resist the pressure – which at pressures > 3 bar leads to very thick segments and difficult handling and installation. No long-term operational experience is available with the permanent waterproofing of rail tunnels with single-layer pressure-resistant linings of sealed segments. The pressure-tight connection of side structures is expensive and liable to defects

This construction has been tried and tested over many years. Experience with quality and construction defects to waterproofing and drainage has led to improvement of the valid regulations in German-speaking countries. In Austria, no cases are known of defects affecting the inner lining or waterproofing of rail tunnels in operation, which have resulted in the disruption of operations. Simple connection of side structures to the full-area waterproofing

Construction or quality defects affecting the waterproofing or drainage are detected late and can normally only be expensively or inadequately remedied

Maintenance

If the construction is High cost of sealing any pressure-tight, no formation - leaks, which are only detecwater drainage is required ted after opening for service, or are the result of operation. Later fixings of new equipment by drilling and plugging is difficult due to

In-situ inner linings are permanent and low-maintenance. Later fixings to unreinforced linings (A, CH) is simple to perform by drilling and plugging

The maintenance of formation water drainage is expensive over the lifetime of a tunnel and can only be performed with operational interruptions on heavily the density of reinforcement

The decisions reached in Austria, mostly through the application of the procedure described above, are collected in Table 3.

5.3 Objective aspects Table 4 is intended to show the advantages and disadvantages of single- and two-layer solutions for the final tunnel lining in tabular form.

5.4 Evaluation of the advantages and disadvantages Two-layer construction with cast in situ concrete inner lining is a proven system in Austria with high operational safety, as shown by the experience from the maintenance

Aufgrund der Entscheidung der Deutschen Bahn, unbewehrte Innenschalen für Eisenbahntunnel nicht mehr einzusetzen, werden die kostenseitigen Argumente für den einschaligen Ausbau und für den Verzicht auf die Innenschale bei Eisenbahntunneln gewichtiger als in Österreich oder in der Schweiz, wo Tunnelinnschalen bei zweischaliger Bauweise bis auf Sonderbereiche generell unbewehrt ausgeführt werden. Da viele Eisenbahntunnel in Deutschland in Geländeformationen liegen, bei denen im Verhältnis zu alpinen Lagen nur eine geringe Überdeckung vorliegt, ist es möglich, mit einschaligen Bauweisen einerseits die technischen Anforderungen zu beherrschen und andererseits Baukosten, Bauzeit und Unterhaltskosten zu sparen und die Forderungen der RiL 853 ohne Druckbegrenzungssysteme (Ril 853, Modul 853.4101) zu erfüllen.

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Tabelle 4. Vor- und Nachteile der ein- bzw. 2-schaligen Lösung Vorteile einschalig

Nachteile einschalig

Vorteile zweischalig

Nachteile zweischalig

Nach Vortriebsdurchgang und Einbau der Tübbinge ist die Tunnelröhre bis auf die Anschüsse von seitlichen Bauwerken und abgesehen von allfällig erforderlichen Injektionen im Rohbau fertig

Versetzen gedichteter Tübbinge muss mit besonderer Sorgfalt erfolgen und führt zu längeren Versetzzeiten als bei nicht gedichteten Tübbingen

Tübbinge der Außenschale können schlanker ausgeführt werden und erleichtern das Handling beim Transport und beim Versetzen. Versetzen von nicht gedichteten und nicht verschraubten Tübbingen geht schneller von statten als bei gedichteten Tübbingsystemen

Nach Vortriebsdurchgang und dem Versetzen der Tübbinge der Außenschale sind weitere Arbeitsvorgänge wie Einbau der flächenhaften Abdichtung, der Bergwassserdrainagen und der Ortbeton Innenschale erforderlich

Baukosten Außenschale ist zugleich die Innenschale und Abdichtungssystem

Tübbinge und Ringbau müssen mit hoher Betongüte und hohen Anforderungen an die geometrische Genauigkeit hergestellt werden – erfordert kostenintensive Qualitätssicherung

Geringere Anforderungen an die Genauigkeit bei der Tübbingherstellung und den Ringbau sowie an die Betonqualität

Die weiteren Arbeitsvorgänge wie Einbau der flächenhaften Abdichtung, der Bergwasserdrainagen und der Ortbeton Innenschale führen zu höheren zeitgebundenen Kosten, sofern die Innenschale auf dem kritischen Weg der Gesamtbauzeit liegt

Qualität/ Risiko

Wenn eine druckdichte Ausführung auf Grund der anstehenden Bergwasserdrücke möglich ist – Entfall der Bergwasserdrainage und deren Wartungskosten

Tübbingstärke muss bei druckdichter Ausführung auf den Wasserdruck ausgelegt werden – führt bei Wasserdrücken > 3 bar zu großen Tübbingstärken und erschwertem Handling bei Transport und Versetzen. Langjährige Betriebserfahrungen mit der dauerhaften Dichtigkeit von einschalig druckdicht mit gedichteten Tübbingen ausgebauten Eisenbahntunneln liegen nicht vor. Druckdichter Anschluss von seitlichen Bauwerken ist aufwändig und fehleranfällig

Die Ausführung stellt ein bewährtes System dar, für das langjährige Erfahrung vorliegt. Die Erfahrung mit Qualitäts- und Ausführungsmängeln an Abdichtung und Bergwasserdrainagen hat in den deutschsprachigen Ländern zu einer Verbesserung der einschlägigen Regelwerke geführt. In Österreich sind keine, den Betrieb störenden Mängel an Innenschale und Abdichtung der in Betrieb befindlichen Eisenbahntunnel bekannt. Einfacher Anschluss von seitlichen Bauwerken an die flächenhafte Abdichtung.

Ausführungs- oder Qualitätsmängel an Abdichtung oder Bergwasserdrainagen werden spät erkannt und können in der Regel nur aufwändig oder unvollständig behoben werden.

Wartung

Bei druckdichter Ausführung Hoher Aufwand bei der Entfall der BergwasserNachdichtung von ev. Leckdrainagen stellen, die erst nach der Inbetriebnahme bzw. durch den Betrieb auftreten. Nachträgliche Montage von Ausrüstungsteilen mit Dübeltechnik auf Grund des hohen Bewehrungsgrades der Tübbinge erschwert.

Ortbetoninnenschalen sind dauerhaft und pflegeleicht. Nachträgliche Montage von Anbauteilen mit Dübeltechnik bei unbewehrten Innenschalen (A, CH) problemlos möglich.

Die Wartung und Pflege von Bergwasserdrainagen auf die Lebensdauer des Tunnelbauwerks ist kostenintensiv und auf stark belasteten Eisenbahnstrecken ohne Betriebseinschränkungen nur schwer unterzubringen.

Bauzeit

of rail tunnels for Austrian railways ÖBB. The expense for the maintenance of formation water drainage systems is, however, enormous. When the formation water pressure does not exceed 3 bar, the use of waterproof segments as outer and simultaneously inner lining can be practical. To resist formation water pressures up to 10 bar does indeed seem to be technically possible, as demonstrated by current examples

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Die technischen Entwicklungen der letzten Jahre lassen es möglich erscheinen, auch beim Vorliegen von Bergwasserdrücken bis 10 bar druckdichten Ausbau auszuführen. Der knapp 10 km lange zweiröhrige Katzenbergtunnel auf der Strecke Karlsruhe-Basel in Deutschland wurde z.B. mit einschaligem Ausbau bereits auf 8 bar Wasserdruck ausgelegt und die Dichtheit musste von den Ausführenden mit dem doppelten Prüfdruck nachgewiesen werden.

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Table 5. Decision matrix for the use of single-layer linings in TBM tunnels with the emphasis on quality and maintenance, without construction; Evaluation points 1–5, with 5 being the most positive

Construction time

With evaluation of the construction time

Without evaluation of the construction time

Overburden > 30 m < 100 m

Overburden > 100 m geotechnically simple

Overburden > 100 m geotechnically challenging

Cost of remedying defects

Probability of defects

Cost of quality assurance

Maintenance

Overburden < 30 m

Formation water drainage

Connection of cross-passages

Result

Single-layer with waterproofed segments, pressure-tight up to 100 m overburden

Two-layer with unreinforced inner lining and formation water drainage Overburden < 30 m

151

Overburden > 30 < 100 m

151

Overburden > 100 m

151

Explanation of the factors in the table: Formation water drainage

This evaluates the necessity of installing formation water drainage or pressure relief systems. Pressure relief is always necessary under formation water pressure > 100 m

Maintenance cost

This evaluates the maintenance of formation water drainage or the resulting sealing of leaks after the end of the defects liability period.

Cost of quality assurance

This evaluates the cost of quality assurance (concrete quality, production precision, segments, segment gaskets etc.)

Probability of defects

This evaluates the probability of the occurrence of defects, concrete spalling, cracks etc.)

Cost of remedying defects

This evaluates the cost of remediation of the defects mentioned above, during and after the defects liability period

Connection of cross-passages

This evaluates the technical cost of the waterproofed connection of cross-passages

Construction time

This evaluates the slower advance with sealed segments for single-layer construction, or the additional time for the construction of an inner lining for two-layer construction

With evaluation of the construction time

Sum of the evaluation points with evaluation of the construction time

With evaluation of the construction time

Sum of the evaluation points without evaluation of the construction time under the assumption that the inner lining does not lie on the critical path

from Germany, but the required technical expense with thick segments, elaborate sealing systems and expensive remediation of leaks poses questions of cost-effectiveness. The question of the durability and maintenance intensity of segment gaskets, particularly when designed to resist high water pressures, cannot be finally judged for the railway tunnels currently being operated. It has to be considered that in single-track tunnels, a distance of 1,000 m from the portal counts as the area af-

Inwieweit solche Lösungen in der Zukunft vermehrt praktiziert werden und sich bewähren, kann aus heutiger Sicht noch nicht abschließend beurteilt werden. Bei vielen aktuellen Tunnelprojekten mit einschaliger Bauweise sind noch bauvertragliche Diskussionen zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber im Gang, deren Endergebnisse in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen einfließen müssen und möglicherweise zu anderen Ergebnissen führen als bei Projektstart.

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

G. Strappler/A. Vigl/R. Scheutz · Two-layer lining in tunnel construction projects for the ÖBB with continuous advance

Tabelle 5. Entscheidungsmatrix für den Einsatz einschaliger Tunnelausbauten im Falle von TVM-Vortrieben mit Schwerpunkt Qualität und Wartung, ohne Baukosten; Bewertungsfaktoren 1–5, wobei 5 die höchste positive Bewertung darstellt

Anschluss Querschläge

Bauzeit

mit Bewertung der Bauzeit

ohne Bewertung der Bauzeit

Überlagerung > 30 m < 100 m

Überlagerung > 100 m geotechnisch einfach

Überlagerung > 100 m geotechnisch anspruchsvoll

Fehlstellenwahrscheinlichkeit

Aufwand f. Qualitätssicherung

Wartung

Überlagerung < 30 m

Bergwasserabfuhr

Aufwand f. Fehlstellenbeseitigung

Ergebnis

Einschalig mit gedichteten Tübbingen, druckdicht bis 100 m Überlagerung

Zweischalig mit unbewehrter Innenschale und Bergwasserabfuhr Überlagerung < 30 m

151

Überlagerung > 30 < 100 m

151

Überlagerung > 100 m

151

Erläuterungen zur Tabelle: Bergwasserabfuhr

Gewertet wird die Notwendigkeit der Installation von Bergwasserdrainagen bzw. Druckentlastungssystemen. Druckentlastung bei Bergwasserdruck > 100 m jedenfalls erforderlich

Wartungskosten

Gewertet wird die Wartung der Bergwasserdrainagen bzw. die eventuell fällige Nachdichtung von Leckstellen nach Ende der Gewährleistung

Aufwand f. Qualitätssicherung

Gewertet wird der Aufwand für die Qualitätssicherung (Betonqualität, Herstellgenauigkeit Tübbinge, Tübbingdichtungen etc.)

Fehlstellenwahrscheinlichkeit

Gewertet wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlstellen (Undichtigkeiten, Betonabplatzungen, Rissen, etc.)

Aufwand f. Fehlstellenbeseitigung

Gewertet wird der Aufwand für die Beseitigung o. g. Fehlstellen innerhalb und außerhalb der Gewährleistungsfrist

Anschluss Querschläge

Gewertet wird der technische Aufwand für den dichten Anschluss von Querschlägen bzw.

Bauzeit

Gewertet wird bei der einschaligen Bauweise der langsamere Vortrieb mit gedichteten Tübbingen bzw. bei der zweischaligen Bauweise die zusätzliche Bauzeit für das Herstellen der Innenschale

Ergebnis mit Bewertung der Bauzeit

Summe der Bewertungen mit Bewertung der Bauzeit

Ergebnis ohne Bewertung der Bauzeit

Summe der Bewertungen ohne Bewertung der Bauzeit unter der Annahme, dass die Innenschale nicht auf dem kritischen Weg liegt

fected by frost and drips from the crown thus have to be ruled out to avoid ice formation. The time advantage resulting from single-layer construction resulting from the omission of the inner lining can sometimes be lost due to the longer advance time and the remediation of damage and subsequent sealing of leaks. The omission of formation water drainage is only technically possible and economically sensible up to a cer-

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

5.2 Grundlagen und bisherige Entscheidungen in Österreich In Österreich wurden nachfolgende Planungsrichtlinien erarbeitet, die besonders auf die Auskleidungssysteme eingehen: – Planungsrichtlinie für kontinuierlichen Vortrieb [9] – Innenschalen Richtlinie [10] – Richtlinie für Tübbingsysteme aus Beton [11]

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tain water pressure. Waterproof segment systems as part of an umbrella waterproofing system in combination with formation water drainage are only sensible for projects, on which the overall construction time is of decisive importance. On tunnel projects where pressure-tight construction has to be ruled out due to high formation water pressures and a longer construction time has to be accepted, a twolayer solution will be the answer. The limit, above which pressure-tight construction is no longer economically sensible, would lie between 3 and 10 bar. In order to precisely determine where this threshold lies, more experience is required with railway tunnels designed to resist formation water pressures of more than 3 bar. In Table 5, an attempt has been made from the subjective point of view of the authors to produce an evaluation of the advantages and disadvantages of single-or twolayer construction with a points scoring system between 1 and 5, with 5 being the best positive evaluation. The points score is particularly aimed at the risk of construction defects, the incidence of damage and the maintenance outlay. As is shown by the evaluation of single-layer segment linings under overburdens of more than 100 m, this has to be considered a borderline, where geologically difficult conditions would lead to the selection of a twolayer construction. The categorisation and weighting of the individual aspects has to be undertaken for each individual project according to the specific requirements of the client.

6 Summary None of the considerations discussed here can be regarded as static considering the rapid rate of technological developments, as the technological trend and experience with the maintenance of railway tunnels also have to be borne in mind. So far, two-layer lining systems have been tried and tested to a high degree, so the construction risk is relatively low. Two-layer systems are accordingly often used for longer, deeper tunnels with the resulting variability of loading. Single-layer, waterproof systems have so far been preferred for use in loose and soft ground, under shallow overburden and combined with the use of tunnelling machines providing active support. The technological trend for single-layer systems is in the direction of their universal use in solid rock and hard rock, even in combination with the use of tunnel boring machines without active support. There is certainly a deficit of experience here, which would pose a higher risk for an application. The market will, however, contribute to the steady elimination of this deficit. References [1] Bauer, F., Hödl, R., Koinig, J., Lemmerer, J.: Widening of the Westbahn line to four tracks: Experience in the selection of the tunnelling method/Ausbau der Westbahn zur Viergleisigkeit: Erfahrungen mit der Wahl der Tunnelbaumethode. Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 4, pp. 285– 294. [2] Moritz, B., Wagner, H., Mussger, K., Handke, D., Harer, G.: Criteria for the selection of tunnelling method through the

Unter maßgeblicher Anwendung der eingangs beschriebenen Vorgangsweisen wurden bisher in Österreich die in Tabelle 3 zusammengestellten Entscheidungen erarbeitet.

5.3 Objektive Aspekte In Tabelle 4 sollen Vor- und Nachteile der ein- bzw. zweischaligen Lösung für eine endgültige Tunnelauskleidung in Tabellenform dargestellt werden.

5.4 Wertung der Vor- und Nachteile Die zweischalige Bauweise mit Ortbeton-Innenschale ist ein in Österreich bewährtes System mit hoher Betriebssicherheit, wie die Erfahrungen aus dem Unterhalt der Bahntunnel der ÖBB zeigen. Der Aufwand für die Pflege der Bergwasserdränagen ist allerdings enorm. Bei Bergwasserdrücken bis zu 3 bar kann der Einsatz von gedichteten Tübbingen als Außen- und gleichzeitig Innenschale sinnvoll sein. Die Aufnahme von Bergwasserdrücken bis zu 10 bar erscheint zwar technisch möglich, wie aktuelle Beispiele aus Deutschland zeigen, der erforderliche Aufwand mit großen Tübbingstärken, den aufwändigen Dichtsystemen und der höchst kostenintensiven Beseitigung von Fehlstellen wirft allerdings die Frage der Wirtschaftlichkeit auf. Die Frage der Lebensdauer und der Wartungsintensität von Tübbingdichtungen, speziell bei Auslegung auf hohe Bergwasserdrücke, kann derzeit für in Betrieb befindliche Eisenbahntunnel noch nicht abschließend beurteilt werden. Es ist zu berücksichtigen, dass bei Einspurtunneln eine Länge von 1.000 m ab Portal als von Frosteinwirkung betroffener Bereich gilt und daher tropfende Feuchtstellen in der Firste zur Vermeidung von Eisbildung ausgeschlossen werden müssen. Der Zeitvorteil, der sich bei der einschaligen Bauweise durch den Entfall der Innenschale ergibt, kann unter Umständen durch die längere Vortriebsdauer und durch die nachträgliche Beseitigung von Fehlstellen und die nachträgliche Abdichtung von Leckstellen verloren gehen. Der Entfall von Bergwasserdränagen ist nur bis zu bestimmten Wasserdrücken technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll. Gedichtete Tübbingsysteme im Sinne einer Regenschirmabdichtung in Kombination mit Bergwasserdränagen sind nur bei Projekten sinnvoll, bei denen die Gesamtbauzeit eine entscheidende Rolle spielt. Bei Tunnelprojekten, bei denen eine druckdichte Ausführung aufgrund hoher Bergwasserdrücke ausscheidet und eine längere Gesamtbauzeit in Kauf genommen werden kann, wird eine zweischalige Lösung im Vordergrund stehen. Die Grenze, ab der ein druckdichter Ausbau wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll ist, wird zwischen 3 und 10 bar liegen. Um eindeutig festzustellen, in welchem Bereich dieser Grenzwert liegt, müssen die Erfahrungen mit dem Betrieb von Eisenbahntunneln, die auf Bergwasserdrücke über 3 bar ausgelegt wurden, abgewartet werden. In Tabelle 5 wird aus der subjektiven Sicht der Autoren beispielhaft der Versuch einer Wertung der Vor- und Nachteile der ein- oder zweischaligen Bauweise mit einer Punktebewertung zwischen 1 und 5 unternommen, wobei 5 die beste positive Bewertung darstellt. Die Punktebewer-

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G. Strappler/A. Vigl/R. Scheutz · Two-layer lining in tunnel construction projects for the ÖBB with continuous advance

example of the Koralm Tunnel/Kriterien zur Wahl der Vortriebsarten am Beispiel des Koralmtunnels. Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 4, pp. 305–316. [3] Bach, D., Hödl, R., Lemmerer, J., Vigl, A.: Risk analysis for the selection of a suitable method of tunnelling for the Pummersdorf Tunnel/Risikoanalyse zur Wahl der geeigneten Vortriebsmethode für den Tunnel Pummersdorf. Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 5, pp. 499–507. [4] Raderbauer, B.: Zulaufstrecke Nord zum Brenner Basistunnel, Hauptbaulos H3–4 Münster /Wiesing – Österreichs größter Hydroschildvortrieb. Porr-Nachrichten 157, 2010. [5] Tauch, B., Handke, D., Reith, M.: Kaiser Wilhelm Tunnel – mechanical tunnelling at the limits of experience/KaiserWilhelm-Tunnel – Maschinenvortrieb im Grenzbereich der Erfahrungen. Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 5, pp. 562–568. [6] SIA 197:2004 Bauwesen, Projektierung Tunnel, Grundlagen. [7] Richtlinie 853, railway tunnel planen, bauen und instandhalten, 1.6.2002. [8] Bözbergtunnel, aus Tunnelling Switzerland 2001, S. 188– 193. [9] RVS 9.251 (Merkblatt): Tunnel/Projektierungsrichtlinie/ Bautechnische und geotechnische Arbeiten – Kontinuierlicher Vortrieb von Straßentunnel. [10] Österreichische Vereinigung für Beton und Bautechnik (ÖVBB), Richtlinie „Innenschalenbeton“; Arbeitsstand 2011– 10–20 UAA Konstruktion. [11] Österreichische Vereinigung für Beton und Bautechnik (ÖVBB), Richtlinie Tübbingsysteme aus Beton, Mai 2009.

Dipl.-Ing. Günter Strappler ÖBB-Infrastruktur AG Praterstern 3 1020 Wien Austria

Dipl.-Ing. Dr.techn. Alois Vigl viglconsult ZT Batloggstraße 36 6780 Schruns Austria alois.vigl@viglconsult.at

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

tung zielt insbesondere auf das Risiko von Ausführungsmängeln, das Auftreten von Fehlstellen und den Wartungsaufwand ab. Wie die Wertung der einschaligen Tübbinginnenschale bei Überlagerungen über 100 m zeigt, bewegt man sich hier in einem Grenzbereich, der bei geotechnisch schwierigen Verhältnissen zur Wahl eines zweischaligen Ausbaus führen wird. Die Gliederung und Gewichtung der einzelnen Aspekte muss für jedes einzelne Projekt nach den besonderen Anforderungen der jeweiligen Bauherren vorgenommen werden.

6 Resümee Alle hier angestellten Betrachtungen dürfen angesichts der rasant fortschreitenden technologischen Entwicklungen keine statischen Betrachtungen sein, sondern müssen den technologischen Trend sowie die Erfahrungen mit dem Betrieb der Eisenbahntunnel im Auge behalten. Bisher sind zweischalige Systeme zu einem sehr hohen Grad ausgereift, sodass das Ausführungsrisiko entsprechend gering ausfällt. Zweischalige Systeme wurden entsprechend häufig bei langen, tiefliegenden Tunnelbauwerken mit entsprechender Variabilität der Beanspruchungen eingesetzt. Einschalige, gedichtete Systeme wurden bisher bevorzugt im Lockergestein und weichem Gestein, bei seichter Überlagerung und beim Einsatz von Vortriebsverfahren mit aktiver Stützung eingesetzt. Der technologische Trend geht bei einschaligen Systemen hin zu einem universelleren Einsatz im Festgestein sowie im Hartgestein und dort auch im Zusammenwirken mit Tunnelbohrmaschinen ohne aktive Stützung. Dort bestehen zweifelsohne noch Erfahrungsdefizite, welche die Anwendung unter ein entsprechend höheres Risiko stellen. Der Markt wird jedoch dazu beitragen, diese Defizite zunehmend zu eliminieren.

Dipl.-Ing. Rudolf Scheutz ÖBB-Infrastruktur AG Bahnhofstraße 3 4020 Linz Austria

Conference Report 1st Vienna Underground Railway Conference There are many cities with older and larger underground railway networks than Vienna, but Vienna has rapidly expanded its underground system to about 75 km, and further extension is underway. Specialist events in Austria and abroad have often heard reports of the work of the active specialists (clients, consultants, contractors, operators), but no local event has so far been dedicated to the Vienna underground. This deficit has now been remedied with the 1st Vienna Underground Railway Conference. About 160 participants were welcomed by the organisers on 3 November 2011 in the newly renovated events hall of the Austrian Association of Engineers and Architects (ÖIAV). The 1st Vienna Underground Railway Conference was initiated by the Institute for Interdisciplinary Construction Management of the TU Vienna and the Wiener Linien GmbH & Co KG, and was intended to provide an exchange of ideas between the academic and practical sides about the past and future of underground rail construction in Vienna. In ten specialist talks, the speakers gave a good overview of the questions and solutions, which arise in the design, construction and operation of the Vienna underground system. The first presentation discussed the significance of the underground for the city and its public transport, the financing of the underground, future traffic planning and the next phase of expansion. It was made clear that the underground not only makes a considerable contribution to inner-city mobility in Vienna, but also provides important impulses for the development of the city. The underground lines could be described as the lifelines of the city, and as the Viennese “love their U-Bahn” and make frequent use of it, the preparation of the fourth phase of

Fig.: 1st Vienna Vienna Underground Railway Conference in the newly renovated events hall of the Austrian Association of Engineers and Architects (photo: ibpm) Bild: 1. Wiener U-Bahn-Tagung im frisch renovierten Festsaal des Österreichischen Ingenieur- und Architektenvereins (Foto: ibpm)

expansion is being worked on intensively. This includes the extension of the U2 to Aspern, which is currently under construction and was the subject of the following talks. The architecture of this new elevated line was described, and also the construction in various sections. The extension of Line 2 demonstrates how the extension of the network is followed by city development; at the end of the line, the new Seestadt will become a complete new city district with flats, offices and commercial space. After some interesting explanations about operations technology, the final talks mainly had a geotechnical emphasis. A quick overview through 40 years of underground railway construction showed clearly how specialised civil engineering and tunnelling have developed

in this period. Inner-city underground construction will continue to demand innovative solutions in the future, and the coming extension of the U1 will already require to overcome new geotechnical challenges. An excursion to the Aspernstraße underground station and to construction sections of the U2 extension to the Seestadt on the next day supplemented the talks of the previous day. At the end, Professor Hans Georg Jodl could reflect on a successful conference, which found ready acceptance among practical and academic experts. The successful start has whetted the appetite, and the second Vienna Underground Railway Conference is already being planned for 2013. Helmut Richter

2011 im frisch renovierten Festsaal des Österreichischen Ingenieur- und Architektenvereins (ÖIAV) begrüßen. Die 1. Wiener U-Bahn-Tagung wurde vom Institut für interdisziplinäres Baumanagement der TU Wien und den Wiener Linien GmbH & Co KG initiiert und diente dem Gedankenaustausch zwischen Wissenschaft und Praxis über die Vergangenheit und die Zukunft des U-Bahnbaus in Wien. In zehn Fachvorträgen gaben die Vortragenden einen guten Überblick über Fragestellungen und Lösungen, die bei Planung, Bau und Betrieb des Wiener U-Bahnnetzes auftreten. In den

ersten Präsentationen wurden die Bedeutung der U-Bahn für die Stadt und den öffentlichen Personennahverkehr, die Finanzierung der U-Bahn, die zukünftigen Verkehrsplanungen und die nächste Ausbauphase behandelt. Dabei wurde deutlich, dass die U-Bahn in Wien nicht nur erheblich zur innerstädtischen Mobilität beiträgt, sondern auch für die Stadtentwicklung wichtige Impulse setzt. Die U-Bahnstrecken sind sozusagen die Lebensadern der Stadt. Und da die Wiener „ihre U-Bahn lieben“ und häufig nutzen, wird intensiv an der Umsetzung der vierten Ausbauphase gearbeitet. Hierzu gehört auch die in Bau

1. Wiener U-Bahn-Tagung Es gibt viele Städte, die über ältere und größere U-Bahnnetze als Wien verfügen. Wien hat jedoch in einer relativ kurzen Zeit das U-Bahnnetz zügig auf rund 75 km ausgeweitet, und der weitere Ausbau ist im Gang. Über die Leistungen der beteiligten Fachleute (Bauherr, Planer, Ausführende, Betreiber) wurde bei in- und ausländischen Fachveranstaltungen immer wieder berichtet. Eine eigene Veranstaltung mit dem Schwerpunktthema Wiener U-Bahn gab es jedoch bisher nicht. Diese Lücke wurde nach 43 Jahren mit der 1. Wiener U-Bahn-Tagung geschlossen. Rund 160 Teilnehmer konnten die Veranstalter am 3. November

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

Conference Report/Diary of Events befindliche Verlängerung der U2 nach Aspern, mit denen sich die anschließenden Vorträge befassten. So wurde über die Architektur der neuen als Hochbahn ausgeführten Strecke und die Bauausführung in verschiedenen Abschnitten berichtet. Bei der Verlängerung der Linie 2 wird sichtbar, dass der U-Bahnausbau die Stadtentwicklung nach sich zieht. Am künftigen Endpunkt der Linie entsteht mit der so genannten Seestadt ein komplett neues Stadtviertel mit Wohnungen, Büro- und Gewerbeflächen.

Nach interessanten Erläuterungen zur Betriebstechnik gab es mit den beiden letzten Vorträgen noch einen kleinen geotechnischen Schwerpunkt. Ein Schnelldurchgang durch 40 Jahre U-Bahnbau zeigte eindrucksvoll auf, wie sich die Verfahren des Spezialtiefbaus und des Tunnelbaus in dieser Zeit entwickelt haben. Aber auch in Zukunft wird der innerstädtische Tunnelbau innovative Lösungen erfordern, und schon bei der anstehenden Verlängerung der U1 werden neue geotechnische Herausforderungen zu meistern sein.

Eine Exkursion zur U-Bahnstation Aspernstraße sowie zu den Bauabschnitten der U2-Verlängerung in die Seestadt am Folgetag ergänzte die Vortragsveranstaltung. Am Ende konnte o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hans Georg Jodl auf eine erfolgreiche Tagung zurückblicken, die von Fachleuten aus Praxis und Wissenschaft gut angenommen wurde. Der gelungene Auftakt macht Lust auf mehr, und so wird bereits für 2013 die zweite Wiener U-Bahn-Tagung geplant. Helmut Richter

• Underground structures for storage energy, water supply and sewer • Construction methods and technologies, maintenance and rehabilitation • Fire protection, safety, equipment of underground structures • Contractual development and project preparation

EUROCK 2012

Diary of Events 19. Conference on Geotechnics 15 March 2012, Darmstadt, Germany Topics: • Renewable energies – earth, wind, water • Research, processing and innovation • International projects • Quo vadis engineering standards? • Rehability and legal questions in geotechnics Info: www.geotechnik.tu-darmstadt.de

6th Colloquium Rock Mechanics – Theory and Practice 22 and 23 March 2012, 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 Info: www.ig.tuwien.ac.at

27. Christian Veder Colloquium 12 and 13 April 2012, Graz, Austria Topics: • Planning and realization of sealing measures in geotechnics Info: www.cvk.tugraz.at

Under City 12 to 14 April 2012, Dubrovnic, Croatia Topics: • Planning, design and geological baseline

Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

Info: www.undercity2012.com

3. Munich Tunnelling Symposium 11. May 2012, Munich, Germany Topics: • Projects in City Centers • Methods and contracting models • Tunnel management

28 to 30 May 2012, Stockholm, Sweden Topics: • Site characterisation • Environmental aspects • Design methods • Material models • Laboratory testing • Rock excavation • Mining rock mechanics • Geohydrology & grouting • Rock support Info: www.eurock2012.com

Swiss Tunnel Colloquium and Congress 2012 13 to 15 June 2012, Lucerne, Switzerland

Info: www.unibw.de/geotechnik

World Tunnel Congress 2012 18 to 23 May 2012, Bangkok, Thailand Topics: • Tunnelling and underground excavation in urban area • Planning and management in underground projects • Soft ground tunnelling • Rock tunnelling • Tunnels and underground excavation for mining works • Risk management in tunnelling and underground excavation • Health and safety in underground works • Numerical & analytical innovations • Tunnel lining, support and shotcrete for underground construction • Training and education in tunnelling and underground works Info: www.wtc2012.com

Topics: • Structures for hydro-electric power plants (Colloquium) • Challenging construction projects in Switzerland and abroad • Technical papers on the Gotthard axis Info: www.swisstunnel.ch

61th Geomechanics Colloquium 2012 – Call for Papers 11 and 12 October 2012, Salzburg, Austria Topics: • Development of NATM • Rock mechanical aspects of hydro power plants • Models for penetration, stickiness, and tool wear • What are reasonable costs for safety measures? Info: www.oegg.at

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 are to be sent to the editorial staff. 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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Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

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Preview Rubriken

Geomechanics and Tunnelling 2/2012 Urban Tunneling – Focus on Italy Innerstädtischer Tunnelbau – Schwerpunkt Italien A. Fava, P. Galvanini, A. Socci, F. De Sanctis & F. Gamba Milano metro line 5 – design and construction of a tunnel above the railway link U-Bahnlinie 5 in Mailand – Planung und Ausführung eines Tunnels oberhalb einer Eisenbahnverbindung

F. Ciufegni, P. Cuppone, M. Ricchiardone & F. Sacchi Torino railway link – In situ seismic surveys for verification testing of jet grout plugs Eisenbahnverknüpfung Turin – Seismische Messungen zur Nachweisprüfung von Düsenstrahlkörpern

G. Barla & M. Barla Torino subsoil characterization by combining site investigations and numerical modelling Charakterisierung des Turiner Baugrunds durch eine Kombination von Baugrunduntersuchungen und numerischen Modellen

G. Barla, M. Barla & G. Gianoglio Torino metro line 1 South extension – Modelling and settlement monitoring during excavation Süderweiterung der U-Bahnlinie 1 in Turin – Modelle und Setzungsmessungen während des Vortriebs

S. Rampello, L. Callisto, G. Viggiani & F. Soccodato Evaluating the effects of tunnelling on historical buildings – the example of a new subway line in Rome Beurteilung der Einwirkungen auf historische Bauwerke infolge Tunnelbaus am Beispiel einer neuen U-Bahnlinie in Rom C. Viggiani Napoli subway line 1 – Design issues and related geotechnical studies U-Bahnlinine 1 in Neapel – Planungsaufgaben und zugehörige geotechnische Untersuchungen

F. Ciufegni, F. Sacchi & L. Utzeri The Bologna railway station – Retaining diaphragm walls and ground improvement methods Bahnhof Bologna – Schlitzwände und Bodenverbesserungsverfahren

Fax +49 (0)30 47031 240

Yes, we would like to order Geomechanics and Tunnelling. 6 issues / year We would like to order Geomechanics and Tunnelling beginning with the next issue for one year at first; six issues, containing at the cost of 125 EUR / 193 CHF / 187 USD per year. The subscription can be stopped three months before the reference period ends. If we do not cancel our subscription, please deliver for one additional year. Special price for students 58 EUR / 89 CHF/86 USD. Members of the Austrian Society for Geomechanics receive the journal for free. We would like to receive more information about individual membership of the ÖGG – Österreichische Gesellschaft für Geomechanik (The Austrian Society for Geomechanics) www.oegg.at Please send us one free sample copy / 1 issue of the following journal

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…und aktuell an anderer Stelle Heft 2/2012 Untersuchungen zum Einfluss der Klebstoffart auf den kapillaren Wassertransport in Holz parallel zur Faserrichtung

Messung der Nachhallzeiten in großen und/oder leeren Räumen

Untersuchungen zum Einfluss der Klebstoffart auf den Diffusionswiderstand von Holzverklebungen

Weitere Themen in Planung

Heft 3/2012 Designaspekte bei Gründungen für Offshore Windenergieanlagen

Berichte Geplante 50 MW Rinnenkraftwerke in Spanien

Tragverhalten von hohen Stahlbetontürmen für Aufwindkraftwerke

Drei Brücken, drei Techniken – Zeugen dreier Bauepochen in der Surselva

Solare Aufwindkraftwerke: Ein Beitrag der Bautechnik zur nachhaltigen und wirtschaftlichen Energieerzeugung

Die Scherzer-Rollklappenbrücke über die Peene in Anklam

Untersuchungen zur Effizienz von thermo-aktiven Abdichtungselementen zur thermischen Nutzung des Untergrunds

Heft 3/2012 Nachträgliche Verankerung von Querspanngliedern Stahlklemmkonstruktionen zum halbseitigen Rückbau der Deelbögebrücke

Integrale Großbrücken mit flexiblen Widerlagern Erfahrungen beim Bau der Rollbrücke Ost 1 am Frankfurter Flughafen

Ausführungsqualität von Stahlbeton- und Spannbetonbrücken an Bundesfernstraßen

Vorgespannte Fertigteile aus Ultrahochfestem Faserbeton (UHPFRC) – Segmentklappverfahren am Beispiel der Wildbrücke

Aktualisierte Vergleichstafeln für militärische Lastenklassen bei Straßenbrücken

Funktional–Skulptural–Integral Die Seitenhafenbrücke in Wien

Die Rollbrücken der neuen Landebahn Nordwest am Flughafen Frankfurt/ Main

Ein Beitrag zum Städtebau – der Neubau der Josef Eberle Brücke in Rottenburg am Neckar

Heft 1/2012 Druckfestigkeit von Ziegelmauerwerk – aktuelle Auswertungen zur Festlegung von charakteristischen Werten der Mauerwerkdruckfestigkeit in DIN EN 1996 Zukünftige Struktur der Normung im Mauerwerksbau

Lehm – Bisherige Ergebnisse der Bauteilversuche Wieviel Sicherheit braucht das Mauerwerk? Eigenschaften industrieller Lehmbauprodukte für den Mauerwerksbau und Verhalten von Lehmsteinmauerwerk

Auslaugverhalten von Putzen und Mörteln

Heft 3/2012 Zerstörungsfreie Prüfung nach EN 1090 unter Berücksichtigung der technischen Möglichkeiten und Verfahrensgrenzen Zähigkeitsdargebote kaltgefertigter Hohlprofile bei tiefen Temperaturen Einsatz von gebogenem Glas im Bauwesen Aktuelle Untersuchungen zum Verhalten von Verbundglas unter Schneelasteinwirkung

Risikoorientierte Bemessung von Tragstrukturen – Bedeutungsbeiwerte bei der Differenzierung der Zuverlässigkeit für unterschiedliche Schadens- bzw. Versagensfolgeklassen Prüfungen im großen Massstab Deformations- und Bruchdynamik von Sicherheitsglas Qualitätskontrolle von ESG und TVG – Einsatz der Spannungsoptik Der Bau eiserner Brücken im Südwesten Deutschlands 1844–1889, Teil 3: Vom Gitterträger zum Fachwerk

(Änderungen vorbehalten)

Whatever your challenges are Im Untertagbau bietet MEYCO® weit mehr als die Maschinen und die Bauchemie für den Spritzbeton. Unsere innovativen Lösungen umfassen auch Injektionen, sowie Produkte für den passiven Brandschutz, zur Wasserabdichtung und für den maschinellen Tunnelvortrieb. Selbstverständlich unterstützt Sie dabei unser weltweites Expertenteam.

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BASF Construction Chemicals Europe AG MEYCO Underground Construction Vulkanstrasse 110 CH-8048 Zürich Tel. +41 58 958 22 11 www.basf-admixtures.ch BASF Construction Polymers GmbH Geschäftsbereich Betonzusatzmittel Ernst-Thälmann-Str. 9 D-39240 Glöthe Tel. +49 39266 98 310 www.basf-cc.de BASF Performance Products GmbH Niederlassung Krieglach Roseggerstrasse 101 A-8670 Krieglach Tel. +43 3855 2371 0 www.basf-cc.at

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