geomechanics and tunnelling 01/2012 free sample copy

1Volume 5February 2012ISSN 1865-7362

- Contract models for TBM drives Vertragsmodelle für 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

Pregrouting in TBM tunnelling

Geomechanics andTunnellingGeomechanik

und Tunnelbau

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PROJEKTDATEN

S-547, EPB-SchildDurchmesser: 10.110 mmSchneidradleistung: 1.100 kWTunnellänge: 4.242 mGeologie: Tonschiefer, Sandstein, Quarzit, Schluffstein und Porphyrit

AUFTRAGGEBER

Alpine Untertagebau GmbH,Alpine Bau Deutsch-land AG, FCC Construccion S.A.

C O C H E M | D E U T S C H L A N D

ROSWITHA MACHT DIE BAHN FLOTT.

Vor 130 Jahren als der längste Tunnel Deutschlands gebaut, muss heute der Kaiser-Wilhem-

Tunnel 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 Band-

anlage 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-Wilhelm-

Tunnels dann der eingleisige Bahnbetrieb durch beide Röhren aufgenommen. Eine Investition

in die Zukunft einer leistungsfähigen Schieneninfrastruktur.

617Bautechnik 81 (2004), Heft 1

Content

Geomechanicsand Tunnelling1

For the planned Kühtai pumped storage station, the revised and automated radial press wassuccessfully used in early and summer 2011 at two measurement locations in the Längentalinvestigation heading. The radial press in its new form is being used increasingly on all thelarge design projects of the Tiroler Wasserkraft AG and will thus continue to contribute to theeconomic design of pressure tunnels and armouring (see page 31).

Für das geplante Speicherkraftwerk Kühtai kam die erneuerte und automatisierte Radialpresseim Frühjahr/Sommer 2011 an zwei Messstellen im Sondierstollen Längental erfolgreich zumEinsatz. Die Radialpresse wird in ihrer aktuellen Form bei allen großen Planungsvorhaben derTiroler Wasserkraft AG verstärkt in Einsatz gebracht und wird so wie bisher auch in Zukunft zueiner wirtschaftlichen Bemessung von Druckschächten und Panzerungen beitragen (sieheSeite 31).

Volume 5February 2012 • No 1ISSN 1865-7362 (print)ISSN 1865-7389 (online)

Wilhelm Ernst & SohnVerlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KGwww.ernst-und-sohn.de

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Editor

2 Editorial

Topics

17 Eckart Schneider, Markus SpieglContract models for TBM drives in hard rock – codes in Austria and Switzerlandand their practical implementationVertragsmodelle für TBM Vortriebe im Festgestein – Regelwerke in Österreichund der Schweiz und deren praktische Umsetzung

31 Frank Eibl, Markus Mähr, Dominik VögeleAutomated rock strain measurements for the planned pumped storage plantKühtai using the “TIWAG-Radial Press”Automatisierte Felsdehnungsmessungen mit der Tiwag-Radialpresse für dasgeplante Speicherkraftwerk Kühtai

41 Günther M. Volkmann, Marco Reith, Thomas BernerThe AT - Casing SystemDas AT - Hüllrohrsystem

49 Karl-Gunnar Holter, Hans-Olav HognestadModern pre-injection in underground construction with rapid-settingmicrocements and colloidal silica – applications in conventional and TBM-tunnellingModerne Vorausinjektionen im Untertagebau mit schnell abbindendenMikrozementen und kolloidaler Kieselsäure – Anwendungen im konventionellenund maschinellen Tunnelbau

57 André HeimEquipment for advance probing and for advance treatment of the ground from theTBMEinrichtungen zur Vorauserkundung und vorauseilenden Gebirgsbehandlung aufeiner TBM

67 Andreas Walter, Carlos Guimarães, Reinhold GerstnerPalomino HRT – Exploration drillings in two geological formationsPalomino HRT – Erkundungsbohrungen in zwei geologischen Gebirgsarten

Rubrics

5 News89 Conference Report90 Diary of Events

2 © 2012 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

The core theme of Geo -mechanics and Tunnellingfor the start of 2012 original-ly sounded like a request toFather Christmas: “how doyou investigate and improvethe ground in advance dur-ing a TBM drive in order tooptimally bore through itand line it?”. The articleshanded in by the relevant experts at the leading edge ofdevelopment then brought usback to reality. We know

what we want, we are working on practical solutions, butwe are faced with new geological challenges in every tun-nel. It is not simple to categorise such matters. In addition,TBM development is progressing rapidly away from spe-cialised machines to all-rounders. Universal solutions arecalled for, with modular construction. The concept shouldcover everything, from probing, through ground improve-ment, excavation, support, geotechnical verification of thelining to the final lining. To come back to reality, we are al-ways confronted by the details, and it is well known thatthe details provide the practical test.

The articles in this issue thus offer a realistic mosaicof positions on the route to the intended goal. Schneiderand 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 repre-sentative determination of parameters as the basis for theappropriate description of the ground. Volkmann, Reithand Berner reflect the current state of technology fordrilling from the machine, and Holter and Hognestad report on the materials technology and properties of min-eral-bound grouts for ground treatment. Working on thisbasis, Heim describes the development and application ofprobing and ground treatment during TBM drives, andWalter, Guimarães and Gerstner explain how informationfrom systematic probe drilling was simply and successfullyapplied during a TBM drive on a project in the DominicanRepublic. To round up the issue, Strappler, Vigl andScheutz describe how under challenging geotechnical con-ditions, a fall-back solution to permit subsequent adapta-tion can even be decisive for the decision between a single-or two-layer lining system.

Such an assessment of the current position is alwaysfascinating, even if the views of the optimists and the pes-simists can be seen in different ways. I personally join theoptimists with confidence, and not least because the TBMis rightly the focus of futuristic ideas and there are still verymany interesting detail problems to be solved until theseideas really work. May 2012 it be another successful yearfor TBM development – there are plenty of jobs waiting.

Alois Vigl

Das Kernthema der Geomechanics and Tunnelling zum Jah-resbeginn 2012 las sich ursprünglich wie eine optimistischeFrage ans Christkind: „Wie erkundet und ertüchtigt man beiTBM-Vortrieben vortriebsbegleitend das Gebirge, sodassman es optimal durchörtern und auskleiden kann?“. DieBeiträge der am Puls der Entwicklung wirkenden Fachleutezeigten dann einmal mehr den Boden der Realität auf. Wirwissen, was wir uns wünschen, wir arbeiten an praktikablenLösungen, aber wir haben mit jedem Gebirge eine neue Herausforderung vor uns. So was lässt sich nicht einfach ka-talogisieren. Zudem vollzieht sich die TBM-Entwicklung ra-sant weg von Spezialmaschinen hin zu Multitalenten. Ange-sagt sind universelle Lösungskonzepte mit modularem Auf-bau. Beginnend bei der Erkundung, über die Gebirgs -behandlung, den Ausbruch, die Stützung, die geotechnischeVerifizierung des Ausbaus bis hin zur Endauskleidung solltedas Konzept Alles abdecken. Zurück am Boden der Realitätist man jedoch letztlich immer wieder mit den Details kon-frontiert, in denen der praktische Prüfstein steckt.

So ergeben die Beiträge dieser Ausgabe ein realisti-sches Mosaik aus Standortbestimmungen auf dem Weg zumangepeilten Ziel. Schneider und Spiegl setzen bei den Ver-tragsmodellen an, welche die Grundlage von Bestellung,Durchführung, Anpassungsfähigkeit und Abrechnung aus-machen. Vögele, Mähr und Eibl gehen auf die Problematikeiner repräsentativen Kennwertebestimmung als Grundlageeiner zutreffenden Gebirgsbeschreibung ein. Volkmann,Reith und Berner reflektieren den aktuellen Stand vor-triebsbegleitender Bohrtechnik, und Holter und Hognestadreferieren über Materialtechnologie und Eigenschaften mi-neralisch gebundener Injektionsmittel zur Gebirgsbehand-lung. Aufbauend auf diesen Grund lagen zeigt Heim die Ent-wicklung und Anwendung von vortriebsbegleitender Erkun-dung und Gebirgsbehandlung bei TBM-Vortrieben auf, undWalter, Guimarães und Gerstner erläutern an einem Tun-nelprojekt in der Dominikanischen Republik, wie auf ein -fache Weise erfolgreich Informationen aus systematischenVorauserkundungsbohrungen bei einem TBM-Vortrieb um-gesetzt werden konnten. Zu guter Letzt stellen Strappler,Vigl und Scheutz dar, dass unter anspruchsvollen geotechni-schen Bedingungen, selbst bei der Wahl eines ein- oderzweischaligen Auskleidungssystems, noch eine Rückfall -ebene für nachträgliche Anpassungen ausschlaggebend seinkann.

So eine Standortbestimmung ist immer etwas Spannen-des, wenngleich sie von Optimisten und Pessimisten mit ei-nem unterschiedlichen Vorzeichen gesehen werden mag.Ich persönlich reihe mich getrost bei den Optimisten einund 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 Ideenwirklich funktionieren. Möge 2012 ein weiteres erfolgreichesJahr in der TBM-Entwicklung sein – es warten unzähligeAufgaben.

Alois Vigl

Editorial

Pregrouting in TBM tunnelling

Vorauseilende Injektionen bei TBM-Vortrieben

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5Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

News

Breakthrough in the Söderströms Tunnel in Stockholm

southern rock tunnel at the Söder Mälarbeach. The immersed tube tunnel underthe Söderström is considered the mostchallenging part of the Citybanan, a newunderground railway line in Stockholm.The three concrete segments of the im-mersed tube tunnel will be sunk in sum-mer 2013 and handed over to the clientTrafikverket in October 2014. The con-struction works for the entire Citybananproject should be completed by 2017and the line opened for services.

Construction work on the SöderströmsTunnel in Stockholm is progressing onschedule. In 2008, Züblin ScandinaviaAB together with their joint venturepartner E. Pihl & Søn A.S. were award-ed the design and build contract for theimmersed tube tunnel under the Söder-ström, an arm of Lake Mälaren, togetherwith all the connecting structures to thecontinuing rock tunnels on each bank.On 12 January 2012, the breakthroughtook place in the open excavation to the

Tunneldurchstich am Söderströmstunnel in Stockholm

lichen Felstunnel am Söder Mälarstrandstatt. Der Einschwimmtunnel unter demSöderström gilt als aufwendigster Teilder Citybanan, einer neuen unterirdi-schen Nahverkehrslinie Stockholms.Die drei Betonsegmente des Ein-schwimmtunnels werden im Sommer2013 versenkt und dem Bauherrn Trafik-verket im Oktober 2014 übergeben. 2017werden die Bauarbeiten für das gesamteCitybanan-Projekt fertiggestellt und dieStrecke für den Verkehr freigegeben.

Die Bauarbeiten am Söderströmstunnelin Stockholm schreiten planmäßig voran. Im Jahr 2008 erhielt Züblin Scan-dinavia AB zusammen mit ihrem Joint-Venture-Partner E. Pihl & Søn A.S. denDesign-and-Build-Auftrag für den Ein-schwimmtunnel unter dem Söderström,einem Arm des Mälarensees, samt An-schlussbauwerke an die weiterführendenFelstunnel an den jeweiligen Seeufern.Am 12. Januar 2012 fand der Durch-bruch in die offene Baugrube am süd -

Ceneri Base Tunnel: last detonation at Vigana

From 2012, only the drives from the intermediate starting point in Sigirinowill be underway at the Ceneri BaseTunnel.

At the Ceneri Base Tunnel, 16.8 kmof the total of 39.78 km or 42.4 % hadbeen excavated on 1 January 2012, andconcreting works are continuing in bothbores. Tunnelling work should be com-pleted in 2016, to be followed by the in-stallation of rail equipment. The com-mercial opening of the Ceneri Base Tun-nel is planned for December 2019.

Another important phase of the con-struction of the Ceneri Base Tunnels hasbeen completed. On 21 December 2011,the last detonation took place in thenorthern drive in Vigana. 670 m of the15.4 km long Ceneri Base Tunnel havebeen excavated from Vigana by drillingand blasting. Lining work will com-mence at the start of 2012. Excavationworks started at the north portal in Vigana in July 2009. In the last 2 1/2 years, numerous challenges havebeen successfully overcome, such as thedifficult section under the Autobahn A2.

Ceneri-Basistunnel: Letzte Sprengung bei Vigana

Autobahn A2. Ab 2012 werden am Ceneri-Basistunnel nur noch die Vor -triebe ab dem Zwischenangriff in Sigi -rino ausgeführt.

Beim Ceneri-Basistunnel waren am1. Januar 2012 von den insgesamt39,78 km 16,8 km oder 42,4 % ausge -brochen. Die Betonarbeiten laufen inbeiden Röhren weiter. Das Ende derVortriebsarbeiten ist für 2016 vorgese-hen. Danach erfolgt der Einbau derBahntechnik. Die kommerzielle Inbe-triebnahme des Ceneri-Basistunnels istfür Dezember 2019 geplant.

Beim Bau des Ceneri-Basistunnels ist eine weitere wichtige Phase zu Ende ge-gangen. Am 21. Dezember 2011 fandbeim Nordvortrieb in Vigana die letzteSprengung statt. 670 m des 15,4 km lan-gen Ceneri-Basistunnels wurden von Vigana her im Sprengvortrieb ausgebro-chen. Anfang 2012 werden die Innen-ausbauarbeiten in Angriff genommen.Die Ausbrucharbeiten am Nordportal inVigana starteten im Juli 2009. In denletzten 2 1/2 Jahren wurden zahlreicheHerausforderungen mit Erfolg bewältigt,z. B. die schwierige Unterquerung der

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6 Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

News

Durchschlag beim Olmos Tunnel in den Anden

gesamten Firstbereich befestigt werden.Diese Stahllamellen bilden somit einensicheren Schirm, der Mannschaft undGerät vor losem und instabilem Gesteinschützt. Die weiteren Umbauten umfass-ten Verstärkungen am Bohrkopf unddas Umsetzen der Arbeitsbühne und derFahrerkabine. Die Änderungen warenerfolgreich, und während der andauern-den Gebirgsschläge wurden keine

Nach vier Jahren Vortrieb durch Vul-kangestein mit hohen Überlagerungenist die maschinelle Auffahrung des Olmos Tunnels in den peruanischen Anden nun abgeschlossen. Der Durch-schlag der Robbins-Hartgesteinsmaschi-ne mit 5,3 m Durchmesser erfolgte am20. Dezember 2011 im Rahmen einerFeier. Der 12,5 km lange Abschnitt istTeil eines größeren Wasserverteilungs-systems, das Wasser aus dem Fluss Huancabamba auf der östlichen Seiteder Anden in von Dürre betroffene Ge-biete auf der Pazifikseite überleitet. Da-bei musste die Robbins-Maschine Über-lagerungen von bis zu 2.000 m unterque-ren. Die hohe Überlagerung führte zusehr hohen Gebirgsspannungen, diemehr als 16.000 Gebirgsschläge aus -lösten, von denen rund 17 % als schwereingestuft wurden.

Die extremen geologischen Bedin-gungen – Andesit, Dazit, Tuff, Schieferund pyroklastische Brekzien mit einach-sialen Druckfestigkeiten bis zu 250 MPa– waren unerwartet und erfordertenUmbauten an der TBM als die Gebirgs-schläge schwerer wurden. Das Finger-schild in der Firste wurde entfernt, umdirekt hinter dem Bohrkopf das McNal-ly-Ausbausystem einbringen zu können.Dabei handelt es sich um Verzugsele-mente aus einzelnen Stahllamellen, diedurch Stahlbogenausbau oder Anker im

ernsthaften Verletzungen verzeichnet;nicht zuletzt, weil das bauausführendeUnternehmen Odebrecht entsprechendeArbeitsschutzmaßnahmen für Voraus-bohrungen und Vortrieb getroffen hat.Während eines Hubs der TBM verlässtdie Mannschaft den Bereich direkt hin-ter dem Bohrkopf und zieht sich für ei-nen Zeitraum von 30 min rund 40 m zu-rück.

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 derTunnelfirste halten (Foto: Robbins)

Breakthrough of the Olmos Tunnel in the Andes

stresses, which caused more than 16,000rock burst events, of which about 17 %were classed as severe.

The extreme geological conditions –andesite, dacite, tuff, shale and pyro-clastisc breccia with UCS up to250 MPa – were unexpected and re-quired rebuilding of the TBM as therock bursting became worse. The fingershield in the crown was removed in or-der to be able to install a McNally sup-port system behind the cutterhead. Thisuses lagging elements of single steelslats, which are fixed around the entirecrown with steel arches or rock bolts.The steel slats then provide a safe

After four years of tunnelling through ig-neous rock with deep overburden, mech-anised boring of the Olmos Tunnel inthe Peruvian Andes has now been com-pleted. The Robbins hard rock machinewith a diameter of 5.3 m broke throughon the 20 December 2011 at a celebra-tion event. The 12.5 km long section ispart of a large water distribution system,which will transfer water from the Huan-cabamba River on the eastern side ofthe Andes to the areas at risk of droughton the Pacific side. This entailed theRobbins machine having to tunnel un-der overburden of up to 2,000 m. Thedeep overburden led to very high rock

canopy to protect the crew and the ma-chinery from loose or unstable rock.Other conversion measures were thestrengthening of the cutterhead and therelocation of the working platforms andthe driver’s cabin. The alterationsproved successful, and there were no se-rious injuries although the rock burstscontinued; not least because the con-tractor Odebrecht had taken appropri-ate precautionary protection measuresfor advance drilling and boring. Duringthe boring stroke of the TBM, the min-ers had to leave the area directly behindthe cutterhead. They retreated for a period of 30 min in a distance of 40 m.

Düsseldorf underground tunnel successfully completed

section of the project with the break-through into the target shaft, which wasonly partially full of water and thus en-abled an almost unrestricted view of thearriving machine. After the excavationhad been pumped out and the debris

The construction of the 3.4 km longDüsseldorf U-Bahn extension, the“Wehrhahn Line”, reached an importantmilestone on 14 December 2011. Thetunnel boring machine completed the955 m long second and last tunnel

from the wall had been removed, thelast four segment rings were installed.Then the approx. 10 m long shield waspushed into the target shaft and disman-tled. The backup will be pulled backthrough the tunnel and dismantled in

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 belowground.

News

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

the starting shaft. All parts of the ma-chine will finally be transported back tothe manufacturer’s works, where the ma-chine will be overhauled and preparedfor a new stage.

Many challenges had to be overcomein the second stage. The machine had tobore through the walls of the future stations at Schadowstraße and Jacobi -straße/Pempelforter Straße as well as anenormous grouted body, which served toprotect buildings. In addition, steel lin-ing segments had to be installed along astretch of 21 m. The steel segments witha thickness of 45 cm were required be-cause a bore of the so-called Kö-BogenTunnel is planned in the immediatevicinity. The steel segments can ensurethat there is no deformation of the tun-nel tube when this excavation is carriedout.

On its first stage, the tunnel boringmachine covered a distance of 1,298 m,and the second phase was over 955 mlong. The machine started in a short ver-sion; the limited size of the startingshaft only permitted complete assemblyafter the machine had already advanced.After the complete assembly, the ma-chine had a length of 65 m and a weight

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News

Vortrieb der Düsseldorfer U-Bahn erfolgreich abgeschlossen

en. Die Stahltübbinge mit einer Dickevon 45 cm wurden benötigt, weil dort inunmittelbarer Nachbarschaft später eineRöhre des so genannten Kö-Bogen-Tun-nels geplant ist. Die Stahltübbings bie-ten die Gewähr, dass es dann dort beimAushub des Erdreichs keine Verformun-gen in der Tunnelröhre gibt. Auf ihrerersten Etappe legte die Tunnel bohr ma -schine eine Strecke von 1.298 m zurück.Die zweite Etappe reichte über 955 m.

Beim Bau der 3,4 km langen Düssel -dorfer U-Bahnerweiterung „Wehrhahn-Linie“ wurde am 14. Dezember 2011 einwichtiges Etappenziel erreicht: Die Tun-nelbohrmaschine beendete den 955 mlangen zweiten und letzten Vortriebs -abschnitt in diesem Projekt mit demDurchbruch in den Zielschacht, der nurteilweise mit Wasser gefüllt war und soeinen fast freien Blick auf die ankom-mende Maschine ermöglichte. Nachdem Lenzen der Baugrube und dem Ab-räumen der Mauerreste werden die letz-ten vier Tübbingringe gesetzt. Anschlie-ßend wird der rund 10 m lange Schild indie Zielbaugrube geschoben und demon-tiert. Der Nachläufer wird durch denTunnel zum Corneliusplatz zurückgezo-gen und dann in der Startgrube ausei-nander gebaut. Alle Teile der Maschinewerden anschließend zurück ins Herstel-lerwerk transportiert. Dort wird die Ma-schine generalüberholt und für einenneuen Einsatz vorbereitet.

Bei der zweiten Etappe waren mehre-re Herausforderungen zu bewältigen. Somussten die Wände der künftigen Bahn-höfe Schadowstraße und Jacobistraße/Pempelforter Straße sowie ein gewalti-ger Injektionskörper, welcher der Siche-rung von Gebäuden dient, durchfahrenwerden. Daneben waren auf einer 21 mlangen Strecke Stahltübbinge einzubau-

Gestartet war sie zunächst in einer ver-kürzten Version. Die geringe Größe desStartschachts ließ den vollständigen Auf-bau erst zu, als sich die Maschine schonein Stück voran bewegt hatte. Danachhatte die Maschine wieder eine Längevon 65 m und ein Gewicht von 1.302 t.Sie hat einen Durchmesser von 9,5 m.Auf ihren beiden Etappen löste sie ins-gesamt fast 170.000 m3 Erdreich ausdem Untergrund heraus.

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)

Three tunnel breakthroughs on the railway line from Nuremberg to Berlin

been used for landscape modelling,which is than planted with trees orwoodland edge and perennial vegetationas well as hay mulch sowing suitable forthe landscape. The investment in theSilberberg tunnel alone is about200 mio. Euro. On 4 December 2011, St. Barbara’s day, this was followed bythe breakthrough of the 1,331 m longKulch Tunnel and the 931 m long Licht-enholz Tunnel. Both these tunnels passthrough difficult geology. Tunnellingwork in the Lichtenholz Tunnel startedin June and in the Kulch Tunnel in Oc-tober 2010. The investment cost of thesetwo tunnels is about 55 mio. Euro.

At the end of November/start of Decem-ber 2011, three tunnel breakthroughswere achieved on the railway line fromNuremberg to Berlin. On 29 November2011, the breakthrough of the 7.4 kmlong Silberberg Tunnel in the ThüringerWald was broken through after over twoyears of work with an appropriate cere-mony. This makes the second longesttunnel on the Project VDE8 Nurem-berg-Berlin passable. The SilberbergTunnel was not driven from the portalsbut from two intermediate startingpoints. The construction work also in-cludes extensive renaturation. The1.5 mio. m3 of excavated muck have

Only four of the 25 tunnels on theproject with a total length of about56 km still have to be broken through.Most of the tunnels are being lined orare already structurally complete. TheGerman Unity Transport Project (VDE)No. 8 comprises 500 km of upgradedand new line on the route Nuremberg-Erfurt-Leipzig/Halle and Berlin. It is be-ing financed by the German govern-ment, the European Union and GermanRailways DB, with a total investment ofabout 10 billion Euros. The new lineshould be in service in 2017.

Drei Tunneldurchschläge auf der Eisenbahnstrecke Nürnberg-Berlin

gen Durchschlagsfeier gefeiert. Damit istder zweitlängste Tunnel im ProjektVDE8 Nürnberg-Berlin nun durchgän-gig. Der Tunnel Silberberg wurde nichtvon den Portalen her aufgefahren, son-dern über zwei Zwischenangriffe. DasBauvorhaben umfasst außerdem um-

Ende November/Anfang Dezember 2011erfolgten drei Tunneldurchschläge aufder Eisenbahnstrecke Nürnberg-Berlin.Am 29. November 2011 wurde nachüber zweijähriger Bauzeit der Durch-schlag des 7,4 km langen Tunnels Silber-berg im Thüringer Wald mit einer zünfti-

fangreiche Renaturierungen. Aus den1,5 Mio. m3 Ausbruchmassen entstehenLandschaftsmodellierungen, die aufge-forstet oder mit Waldmantel- und Stau-denvegetation sowie Heumulchsaatenlandschaftstypisch gestaltet werden. DieEinzelinvestition in den Tunnel Silber-

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berg beträgt etwa 200 Mio. Euro. Am 4. Dezember 2011, demBarbaratag, erfolgten die Durchschläge bei dem 1.331 m lan-gen Tunnel Kulch und im 931 m langen Tunnel Lichtenholz.Beide Tunnel liegen in schwieriger Geologie. Die Vortriebsar-beiten begannen für den Tunnel Lichtenholz im Juni und fürden Tunnel Kulch im Oktober 2010. Die Investition in beideTunnel beträgt etwa 55 Mio. Euro.

Noch vier von 25 Tunneln des Projekts mit einer Gesamt-länge von etwa 56 km müssen noch durchgeschlagen werden.Die meisten sind im Innenausbau oder bereits rohbaufertig.Das Verkehrsprojekt Deutsche Einheit (VDE) Nr. 8 umfasstdie 500 km lange Aus- und Neubaustrecke zwischen Nürn-berg-Erfurt-Leipzig/Halle und Berlin. Finanziert wird es vomBund, der Europäischen Union und der Bahn. Die Inves titionbeträgt etwa 10 Mrd. Euro. Die Inbetriebnahme der neuenStrecke ist für 2017 vorgesehen.

Breakthrough in Limmern

Boring a tunnel with a slope of 40° is not an everyday task fora tunnel boring machine. A Herrenknecht gripper TBM with∅ 5,200 mm completed one of the two penstocks for the newLimmern pumped storage power station in the Swiss canton ofGlarus in October 2011, achieving advance rates of over130 m/week. As part of the Linthal 2015 project, the capacityof the Linth-Limmern AG power stations is being extended by1,000 MW with the new construction of the Limmern pumpedstorage station. At the moment, the Muttsee, Tierfehd andLinthal (Canton Glarus, Switzerland) hydropower stations al-together produce 480 MW. The construction of the new powerstation is being undertaken by the Kraftwerk Limmern jointventure under the lead of Marti Tunnelbau AG. The core ele-ments of this large project include the two penstocks, eachwith a length of 1,030. The two penstocks are being boredfrom the machine cavern (1,700 above sea level) with a slopeof 40° to the valve chamber 600 m higher at the Muttsee reser-voir. The alignment mostly runs through Quintner limestonewith overburden up to 565 m and rock strengths of up to 120MPa.

The steep slope on the Limmern project demands a very re-liable safety concept to prevent any risk of the TBM slippingwhile the grippers are regripped. The contractor Marti Tunnel-bau AG and Herrenknecht AG developed a very innovativesafety concept instead of the normal simple securing againstslipping back. The machine used has three gripping systems,of which at least two are independently active in any operatingmode (boring, stopped, regripping). This safely rules out anybackward slipping of the 130 m long tunnelling equipmentwith a weight of 800 t. The support against slipping backworks mechanically on the basis of a self-locking compoundhinge (automatic mechanical wedging). This means that themachine is safely braced into the rock mass even if the powerand hydraulic systems fail.

The boring of the second penstock should start in March2012, and the power station should be ready for operation in2015.

Durchschlag in Limmern

Das Fräsen eines Tunnels mit 40° Steigung ist keine alltäglicheAufgabe für eine Tunnelbohrmaschine. Eine Herrenknecht-Gripper-TBM mit ∅ 5.200 mm hat im Oktober 2011 einen derbeiden Druckschächte für das neue PumpspeicherkraftwerkLimmern im Schweizer Kanton Glarus fertig gestellt. Beim

Abrutschen der TBM bei Umsetzen derGripper verhindert. Als Ersatz für diebisher übliche einfache Rückfallsiche-rung haben das Bauunternehmen MartiTunnelbau AG und die HerrenknechtAG ein innovatives Sicherheitskonzeptentwickelt. Die eingesetzte Vortriebsma-schine verfügt über drei Verspannsyste-me, von denen im jedem Betriebszu-stand (Vortrieb, Stillstand, Umsetzen)immer mindestens zwei unabhängig von-einander aktiv sind. Damit kann ein Zu-rückrutschen der 130 m langen und800 t schweren Vortriebseinrichtung sicher verhindert werden. Die Rückfall -sicherungen arbeiten mechanisch nachdem Prinzip eines selbsthemmendenKniehebels (automatisches mechani-sches Verkeilen). Dadurch ist selbst beieinem Ausfall der Energieversorgungund der Hydrauliksysteme die notwendi-ge Verspannung der Maschine im Bergsichergestellt

Der Vortrieb des zweiten Druck-schachts soll im März 2012 starten. ImJahr 2015 soll das Kraftwerk in Betriebgenommen werden.

Vortrieb wurden Auffahrleistungen bisüber 130 m/Woche erzielt. Im Rahmendes Projekts Linthal 2015 wird die Kapa-zität der Kraftwerke Linth-Limmern AGdurch den Neubau des Pumpspeicher-werks Limmern um 1.000 MW vergrö-ßert. Zurzeit erzeugen die bestehendenWasserkraftwerke Muttsee, Tierfehd undLinthal (Kanton Glarus, Schweiz) zu-sammen 480 MW. Der Bau des neuenKraftwerks wird durch die Arbeitsge-meinschaft Kraftwerk Limmern unterder Federführung der Marti TunnelbauAG ausgeführt. Zu den Kernstücken desGroßprojekts gehören zwei Druckstol-len von je 1.030 m Länge. Die beidenDruckstollen werden von der Maschi-nenkaverne (1.700 m ü.M.) mit einerSteigung von 40° zur 600 m höher gele-genen Schieberkammer am Muttsee ge-bohrt. Die Trasse verläuft bei Über -deckungen von bis zu 565 m vorwiegenddurch Quintnerkalk. Die Gesteinsfestig-keiten reichen bis 120 MPa.

Die große Steigung im Projekt Lim-mern erfordert ein sehr zuverlässiges Si-cherungskonzept, das auf jeden Fall ein


News

Successful breakthrough of the penstock intothe valve chamber at the Limmern pumpedstorage works (photo: Herrenknecht AG)Erfolgreicher Durchstich des Druckschachtesin die Schieberkammer beim Pumpspeicher-werk Limmern (Foto: Herrenknecht AG)

Brenner Base Tunnel: investigation tunnel through the Periadriatic Seam

will also be constructed in the mountain,as well as a link between the main tunneland the investigation tunnel. This will al-so be important during the constructionphase because it enables the entire exca-vation spoil to be transported on a con-veyor belt through the investigation tun-

On 21 December 2011, the advance bydrilling and blasting started through thePeriadriatic Seam, the largest fault zonein the Alps. In the next two years, the in-vestigation tunnel will be driven about3 km towards Brenner. Two assemblycaverns for the tunnel boring machines

nel to Aicha. The construction works forthis section are being carried out by thejoint venture “Consorzio Brennero2011”, which consists of the two SouthTyrolean companies P.A.C. and Ober-rosler and the Swiss companies Impleniaand der Cogeis.

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

Brenner Basistunnel: Erkundungsstollen durch die Periadriatische Naht

Am 21. Dezember 2011 begann derSprengvortrieb durch die PeriadriatischeNaht, die größte Störungszone der Al-pen. In den nächsten zwei Jahren wirdder Erkundungsstollen um ca. 2 km inRichtung Brenner vorgetrieben. Gleich-zeitig werden im Berg zwei Montageka-vernen für die Tunnelbohrmaschinen ge-baut. Weiterhin wird eine Verbindungzwischen den Hauptstollen und dem Er-kundungsstollen gebaut. Diese ist eben-falls in der Bauphase wichtig, damit dasgesamte Ausbruchmaterial über Förder-bänder durch den Erkundungsstollennach Aicha abtransportiert werdenkann. Die Bauarbeiten für das Bauloswerden von der Arbeitsgemeinschaft„Consorzio Brennero 2011“ geführt. DieArbeitsgemeinschaft besteht aus den bei-den südtiroler Unternehmen P.A.C. undOberrosler sowie dem schweizer Unter-nehmen Implenia und der Cogeis.


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Crossrail: Tunnelling starts in March

The eight Crossrail TBMs are beingmade by Herrenknecht AG, who alsomade the tunnel boring machines forthe Jubilee Line extension and theDocklands Light Railway (DLR) exten-sion to Bank. The second TBM will alsostart work from Royal Oak in March2012, some weeks after the first. The

As part of the works acceptance in De-cember 2011, the first of the altogethereight tunnel boring machines, which willdrive the new Crossrail tunnels under thecentre of London on the largest Europeaninfrastructure project was introduced. Thetunnel boring machines (TBM) are about140 m long, weigh about 1,000 t and arecompletely assembled. After the accep-tance at the manufacturer’s works, theywill be dismantled and transported toLondon, to be assembled again at West-bourne Park. The first tunnel drive willstart in March at the Royal Oak portal.

Eight tunnel boring machines are re-quired for the 21 km long two-bore tun-nel, for the driving of ten individual tun-nel sections. The tunnels will be drivenin continuous operation and will formthe underground part of the 118 kmlong rail connection between Maiden-head or Heathrow to the west and Shen-field or Abbey Wood to the east of Lon-don. The tunnels with a diameter of6.2 m will be lined with segments. A seg-ment production plant has been set upat Old Oak Common for the westernsingle-track tunnels between Royal Oakand Farringdon and will start produc-tion in January 2012, eventually produc-ing about 70,000 segments.

tunnel drive from Limmo Peninsula inthe Royal Docks towards Farringdonstarts at the end of 2012; the drives fromPudding Mill Lane and Plumstead willstart in 2013, and the tunnels from theLimmo Peninsula to Victoria Dock willbe driven from 2014.

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

Crossrail: Vortriebsstart im März

nen benötigt, die zehn einzelne Vor-triebsstrecken auffahren werden. DieVortriebe erfolgen im Durchlaufbetriebund erstellen die unterirdischen Ab-schnitte der 118 km langen Eisenbahn-verbindung zwischen Maidenhead bzw. Heathrow im Westen und Shen-field bzw. Abbey Wood im Osten Lon-dons. Die Tunnel mit einem Durch -messer von 6,2 m werden mit Tübbingengesichert. Für die westlichen Einspur-tunnel zwischen Royal Oak und Farring-don wurde in Old Oak Common einTübbingwerk errichtet und im Januar2012 in Betrieb genommen. Insgesamtwerden dort rund 70.000 Tübbinge pro-duziert.

Im Rahmen der Werksabnahmen wurdeim Dezember 2011 die erste von insge-samt acht Tunnelbohrmaschinen vorge-stellt, die beim größten europäischen In-frastrukturprojekt die neuen Crossrail-Tunnel unter der Londoner Innenstadtauffahren werden. Die 140 m lange,rund 1.000 t schwere, komplett montier-te Tunnelbohrmaschine (TBM) wirdnach der Werksabnahme im Hersteller-werk demontiert und nach London ver-schifft, wo sie am Westbourne Park wie-der zusammengebaut wird. Der ersteVortrieb soll im März am Portal RoyalOak starten.

Für die 21 km langen doppelröhrigenTunnel werden acht Tunnelbohrmaschi-

Die acht Crossrail-TBM werden vonder Herrenknecht AG hergestellt, dieauch die Tunnelbohrmaschinen für dieJubilee Line Extension und die Dock-lands Light Railway (DLR) Verlänge-rung nach Bank gefertigt hat. Die zweiteTBM wird einige Wochen nach demStart der ersten TBM im März 2012ebenfalls von Royal Oak mit dem Vor-trieb beginnen. Die Vortriebe von Lim-mo Peninsula in den Royal Docks Rich-tung Farringdon starten Ende 2012; dieVortriebe von Pudding Mill Lane undPlumstead beginnen in 2013, und abdem Jahr 2014 werden die Tunnel vonLimmo Peninsula nach Victoria Dockaufgefahren.


News

Emschergenossenschaft awards 35 km sewer tunnel

tween Dortmund and Bottrop and willlast about five years. A smaller part ofthe west section (Bottrop-Süd) has al-ready been under construction since lastautumn.

The Emscher-Umbau rebuilding pro-ject started in 1992 and should be com-plete by 2020. This is the largest infra-structure project in the region and thetotal investment will be 4.5 billion Euro.Three new highly modern water treat-ment plants have already been con-structed along the main River Emscherin the 1990s.

The construction of a sewer tunnel witha total length of 35 km from Dortmundto Bottrop is the largest single project inthe generation project “Emscher-Um-bau”, and a precondition for the mod-ernisation of the water management in-frastructure in the Ruhr area. The con-tract for the construction of the 420 mil-lion Euro project was awarded by theEmschergenossenschaft on 18 Januaryto Wayss & Freytag Ingenieurbau. Theconstruction of the sewer will start si-multaneously in early 2012 at many lo-cations along the River Emscher be-

The ecological rearrangement of theapprox. 350 km long waterway land-scape in the Emscher system requiresabout 400 km of new underground sew-er – just 225 km of sewer has alreadybeen completed, and about 90 km offormer foul drains have been convertedinto river landscapes with natural character. The headwaters of the Emscher around Dortmund have al-ready been free of foul discharges sincethe start of 2010, and crystal-clear water now flows down the bed of theEmscher.

Emschergenossenschaft vergibt 35 km Abwasserkanal

rund fünf Jahre dauern. Ein kleinererTeilabschnitt im Westabschnitt (Bottrop-Süd) befindet sich bereits seit dem ver-gangenen Herbst im Bau.

Der Emscher-Umbau begann 1992und wird 2020 abgeschlossen sein. In-vestiert werden in dieses wohl größte In-frastruktur-Projekt der Region insgesamt4,5 Mrd. Euro. In den 1990er-Jahrenentstanden entlang des Emscher-Haupt-flusses bereits drei neue hochmoderneGroßkläranlagen.

Die ökologische Umgestaltung derrund 350 km langen Gewässerland-schaften im Emscher-System erfordert

Der Bau des Abwasserkanals Emscherauf einer Gesamtlänge von 35 km vonDortmund bis nach Bottrop ist dasgrößte Einzelprojekt im Rahmen desGenerationenprojekts „Emscher-Um-bau“ und die Voraussetzung für die Mo-dernisierung der wasserwirtschaft lichenInfrastruktur im Ruhrgebiet. Den Bau-auftrag für das 420-Millionen-Euro-Pro-jekt hat die Emschergenossenschaft am18. Januar an die Wayss & Freytag Inge-nieurbau vergeben. Der Kanalbau startetim Frühjahr 2012 gleichzeitig an mehre-ren Stellen entlang der Emscher zwi-schen Dortmund und Bottrop und wird

rund 400 km neue unterirdische Ab -wasserkanäle – knapp 225 km Abwas-serkanäle sind bereits fertig gestellt, undetwa 90 km ehemalige Schmutz -wasserläufe sind bis heute zu natur -nahen Flusslandschaften umgebaut wor-den. Der Oberlauf der Emscher imRaum Dortmund ist bereits seit Anfang2010 abwasserfrei. Dort fließt nun keinSchmutzwasser, sondern sauberes, glasklares Wasser durch das Emscher-bett.

Energy segment wins prizes

enables particularly efficient cooling ofthe tunnel. A number of energy seg-ments are combined in a circuit andconnected to a heat pump. The tunnelcan then be regarded as a large-scalegeo thermal ground source, even in areaswhere conventional heat exchangerswould not be possible. The energy seg-ments then offer an additional methodof regenerative heat production.

The practical application of the ener-gy segments is also promising: after ex-tensive laboratory and field trials, thenew element was installed for the firsttime in the Jenbach rail tunnel in the Tyrol to heat a building. The energy seg-ments were installed in a 54 m length oftunnel. The “Rauway flex” pipes inte-grated in the segments enable the ther-mal activation of the construction ele-ment. The extremely robust collectorpipes consist of high-pressure cross-linked polyethylene (PE-Xa) in a multi-

Züblin together with Rehau AG and theconsultant Arup were awarded twoprizes for the practically demonstrateddevelopment of geothermal energy fromtunnels on 1 December 2011 in HongKong: In the category “Technical Inno-vation of the Year” with the renownedInternational Tunnelling Award 2011and in the category “Innovative PlantUse” with the T & T Award. The jurypraised the simple but ingenious ideaand emphasised the great advance forthe branch in cooling a tunnel sustain-ably and reducing operating costs.

Tunnels can deliver a great amount ofgeothermal energy because of their largeareas in contact with the ground orrock. In order to exploit this potential,Rehau has developed a new system. Ab-sorber pipes are integrated into the seg-ments in order to remove heat from thestructure in the winter for heating pur-pose in the vicinity. If required, this also

layer construction, which were speciallydeveloped for this application. Thepipes are resistant to notching, scoringand point loads and are reliable in oper-ation even when tightly curved. The ab-sorber pipes are run to the surface up arescue shaft, which would have been re-quired in any case, to supply thermal en-ergy to the Jenbach Council buildingyard. The geothermal system covers thebase load of the heating system; addi-tional gas-fired heating is available tocover peaks. The pipework, heat pumpsand the tunnel lining are fitted with ex-tensive measurement equipment to gainknowledge about this innovative sourceof energy for future applications. Theproject is a pilot project – the first geo -thermal heating system integrated into amechanically bored tunnel – andpromises great potential for further in-ner-city tunnel projects.


News

Energietübbing ausgezeichnet

der Umgebung verwendet werden kann.Bei Bedarf ist hierdurch auch eine be-sonders effiziente Kühlung des Tunnelsmöglich. Dabei werden mehrere Ener-gietübbinge zu einem Kreislauf verbun-den und an eine Wärmepumpe ange-schlossen. Damit kann der Tunnel alsgroße Erdwärmesonde betrachtet wer-den, v.a. in Gebieten, in denen konven-tionelle Geothermiesonden nicht mög-lich sind. Der Energietübbing bietet soeine zusätzliche Möglichkeit der regene-rativen Wärmeerzeugung.

Auch der Praxiseinsatz der Energietüb-binge verläuft erfolgversprechend: Nachausgiebigen Versuchen im Labor und ei-nem Feldversuch wurde das neue Bauteilim Tiroler Eisenbahntunnel Jenbach daserste Mal zur Versorgung eines Gebäudeseingebaut. Dazu wurde eine Tunnellängevon 54 m mit Energietübbingen ausgerüs-tet. Die im Tübbing integrierten „Rauwayflex“-Rohrleitungen sorgen für eine ther-mische Aktivierung der Bauteile. Die äu-ßerst robusten Kollektorrohre bestehen

Für die praxiserprobte Entwicklung zurNutzung geothermischer Energie ausTunnelbauwerken wurde Züblin gemein-sam mit der Rehau AG und dem Pla-nungsbüro Arup am 1. Dezember 2011in Hong Kong gleich doppelt ausge-zeichnet: In der Kategorie „TechnischeInnovation des Jahres“ mit dem renom-mierten International Tunnelling Award2011 und in der Kategorie „InnovativeAnlagennutzung“ mit dem T & T Award.Die Jury lobte die einfache, aber genialeIdee und unterstrich dabei besondersden großen Fortschritt für die Branche,einen Tunnel nachhaltig zu kühlen undBetriebskosten zu senken.

Tunnelbauwerke können durch ihregroßen Flächen, die an das Erdreichoder den Fels anliegen, ein hohes Maßan geothermischer Energie liefern. Umdieses Potenzial zu nutzen, hat Rehauein neues System entwickelt. So werdenin die Tübbinge Absorberleitungen inte-griert, um dem Bauwerk im Winter Wär-me zu entziehen, die zu Heizzwecken in

aus hochdruckvernetztem Polyethylen(PE-Xa) im Mehrschichtaufbau, der spe-ziell für diese Anwendung weiterentwi-ckelt wurde. Die Rohre sind unempfind-lich gegenüber Kerben, Riefen und Punkt-lasten und auch bei engen Biegeradienbetriebssicher. Über einen ohnehin benö-tigten Rettungsschacht werden die Absor-berleitungen an die Oberfläche geführtund dort mit einer Wärmepumpe verbun-den, die den Bauhof der Gemeinde Jen-bach mit Heizenergie versorgt. Die Geo-thermieanlage deckt die Grundlast derHeizanlage; bei Spitzenverbräuchen wirdeine gasbetriebenes Zusatzaggregat ge-nutzt. Die Leitungen, Wärmepumpe unddie Tunnelschale sind mit umfangreicherMesstechnik ausgerüstet, um Erkenntnis-se für weitere Projekte mit dieser innova -tiven Energieversorgung zu gewinnen.Dieses Projekt gilt als Pilotprojekt – daserste in einem maschinell aufgefahrenenTunnel integrierte Geothermiekraftwerk –und bietet großes Potenzial auch für weitere innerstädtische Tunnelprojekte.

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Call for papers – Themes for the next issuesof Geomechanics and Tunnelling

The table below shows the themes for the next issues of “Geomechanics and Tunnnelling”, select-ed by the editing team, and contributions are nowbe called for. All papers received will first be re-viewed prior to publication. In view of the time re-quired to complete this exercise, all contributionsshould be submitted at least four months before thepublication date. Papers can be sub mitted either tothe 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, [email protected]), 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, [email protected]) 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, [email protected]). Site reports, technical reports and news items fromthe construction industry are of course also welcome.


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,

Die Schwerpunktthemen für die nächs-ten Ausgaben der „Geomechanics andTunnelling“ sind in der untenstehendenTabelle zusammengefasst. Das Redak -tionsteam bittet um Beitragsvorschläge.Unter Berücksichtigung des Reviewssollten die Beiträge mindestens vier Monate vor dem Erscheinungstermineingereicht werden. Beiträge nehmenRedaktion (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, [email protected]), Professor Robert Galler (Montanuniversität Leoben, Lehrstuhlfür Subsurface Engineering – Geotech-nik 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, [email protected]) oder

[email protected]) gerne entgegen. Darüber hinaus sind Baustellenreporta-gen, technische Berichte und Mitteilun-gen aus der Industrie jederzeit willkom-men.

Issue Publication date Topics

3/12 June 2012 Swiss projectsProjekte in der Schweiz

4/12 August 2012 Slope stabilization in the vicinity of infrastructureHangsicherungen im Einflussbereich von Infrastruktur

5/12 October 2012 Proceedings of the 61th Geomechanics ColloquiumBeiträge des 61. Geomechanik Kolloquiums

6/12 December 2012 Proceedings of the 8th Austrian Tunnel DayBeiträge des 8. Österreichischen Tunneltags

1/13 January 2013 Stability of dam foundations Standsicherheit von Dammgründungen

2/13 April 2013 International tunnel projectsInternationale Tunnelprojekte

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Im Kommentar werden ausführliche Begründungen und Erklärungen gege-ben, mit denen das Verständnis für die neuen Begriffe, Regeln und Festle-gungen 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, Baugrubenkonst-ruktionen, Verankerungen und Böschungen, sowie der Nachweis der Sicherheit

gegen Auftrieb und hydraulischen Grundbruch zu erbringen sind.

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

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Kommentar zum Handbuch Eurocode 7 – Geotechnische BemessungAllgemeine Regeln

2011. ca. 450 S., ca. 200 Abb., Gb.ca. € 89,–*ISBN: 978-3-433-01528-5

Erscheint Dezember 2011

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Kommentar zum Handbuch Eurocode 7 – Geotechnische BemessungAllgemeine Regeln


People

centre of Munich in the 1960s, the en-tire design of large parts of the Munichunderground system, the design of sevenbridges over the Danube, the design ofthe Donnersberger Bridge and the Candid Hangauffahrt in Munich and the reconstruction of the Palais amLenbachplatz in Munich in the 1980s.

Leonhard Obermeyer was born in1924 into a large family in Großmehringin Upper Bavaria. After an apprentice-ship as bricklayer, training as a civil en-gineer followed by a degree in Civil En-gineering at the Technische Hochschulein Munich awarded in 1953, he foundedthe Ingenieurbüro Obermeyer on 1 July1958 in Krailling. He already had 25employees by the end of 1960.

As a result of the great dependenceon other professions in the design of theKarlsplatz-Stachus underground stationand shopping mall structure and otherdesign commissions, Leonhard Ober-meyer decided at the start of the 1970sto integrate specialised design work intothe overall design. Instead of designwork being split among many spe-

The founder of Obermeyer Planen +Beraten GmbH, Dr.-Ing., Dr.-Ing. h.c.Leonhard Obermeyer, died on 28 De-cember 2011 at the age of 87. More than50 years ago, he laid the foundation ofthe current Obermeyer group on 1 July1958 as a one-man operation inKrailling near Munich, and built it upover the years to an international designconsultancy.

The most important projects of thecompany include the general design ofthe Karlsplatz-Stachus underground sta-tion and shopping mall structure in the

cialised companies, major projectsshould now be designed by one consul-tant. This required more staff and thecompany had already grown to 245 em-ployees in 1973.

The reunification of Germany in1989 resulted in a phase of foundingbranch offices all over Germany with anan enormous growth of staff numbers.The company, now known as “Ober -meyer Planen + Beraten GmbH”, was in-volved in numerous projects to improvethe east-west transport infrastructure. Atthe same time, international expansionstarted as well as continued integrationof specialist designers and architects, sothat the idea of a general consultant be-come ever more a reality.

After a professional career of 48years, Dr. Leonhard Obermeyer passedcontrol of the Obermeyer HoldingGmbH to his nephew Maximilian Grauvogl as chairman of the board ofdirectors in December 2006.

Firmengründer Dr. Leonhard Obermeyer verstorben

Leonhard Obermeyer wurde 1924 ineiner kinderreichen Familie im oberbay-erischen Großmehring geboren. Nachder Lehre zum Maurer, der Ausbildungzum Bauingenieur und dem an-schließenden Studium des Bauinge-nieurwesens an der TechnischenHochschule in München, welches er1953 abschloss, gründete er am 1. Juli1958 das Ingenieurbüro Obermeyer inKrailling. Schon Ende 1960 konnte erbereits 25 Mitarbeiter beschäftigen. Infolge der großen Abhängigkeit zu an-deren Disziplinen bei der Planung desVerkehrsbauwerks Karlsplatz-Stachussowie anderen Planungsaufgabenbeschloss Leonhard Obermeyer Anfangder 1970er Jahre, Fachplanungen in dieGesamtplanung einzubinden. Anstattviele Teilplanungen in einzelnen Fach-bereichen anzubieten, sollten Großpro-jekte fortan aus einer Hand und überalle Gewerke hinweg geplant werden.

Am 28. Dezember 2011 ist der Firmen-gründer der Obermeyer Planen + Berat-en GmbH Dr.-Ing., Dr.-Ing. h.c. Leon-hard Obermeyer im Alter von 87 Jahrenverstorben. Vor mehr als 50 Jahren, am1. Juli 1958, hatte er die heutige Un-ternehmensgruppe Obermeyer als 1-Mann-Firma in Krailling bei Münchengegründet und über die Jahrzehnte hin-weg zu einer weltweit agierenden Pla-nungsgesellschaft ausgebaut.Zu den wichtigsten Projekten seines Un-ternehmens gehören die Generalpla-nung des Verkehrsbauwerks Karlsplatz-Stachus im Zentrum Münchens in den1960er Jahren, die Gesamtplanunggroßer Teile der U-Bahn München, diePlanung von sieben Brücken über dieDonau, die Planung der DonnersbergerBrücke und der Candid Hangauffahrt inMünchen sowie die Rekonstruktion desPalais am Lenbachplatz in München inden 1980er Jahren.

Dies erforderte eine Erweiterung desMitarbeiterstamms. 1973 war das Un-ternehmen bereits auf 245 Mitarbeiterangewachsen.Der Mauerfall 1989 läutete eine Phasemit Gründungen weiterer Niederlassun-gen in Deutschland mitsamt enormemMitarbeiteranstieg ein. Das Un-ternehmen, inzwischen in derGesellschaftsform „Obermeyer Planen +Beraten GmbH“, war bei zahlreichenProjekten im Rahmen des Ausbaus derOst-West-Verkehrsinfrastruktur beteiligt.Gleichzeitig begann die Expansion insAusland sowie die weitere Integrationvon Fachplanern und Architekten, so-dass sich die Idee des Gesamtplanungs-büros immer mehr durchsetzte. Nach 48 Berufsjahren übertrug Dr.Leonhard Obermeyer im Dezember2006 die Obermeyer Holding GmbHseinem Neffen Maximilian Grauvogl alsVorsitzenden der Geschäftsführung.

Company founder Dr. Leonhard Obermeyer has passed away

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Vollständiger Überblick über PfahlsystemeAnwendung, Herstellung und Prüfung Bemessung nach Teilsicherheitskonzept Vollständig auf EC 7 und DIN 1054:2010 abgestimmt Zahlreiche BeispieleEmpfehlung mit NormencharakterVoraussetzung für Offshore-Windenergieanla-gen (Bemessungen, Nachweise und Prüfungen nach Kapitel 13 werden vom BSH zwingend gefordert)Umfangreiche Erfahrungswerte für die Be-messungEC 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 Bau-herrenschaft zusammen und arbeitet in Personalunion auch als Normenausschuß „Pfähle“ des NABau.

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Customer Service: Wiley-VCHBoschstraße 12D-69469 Weinheim



This book presents the state of the art in mechanised shield tunnelling tech-nology and the various types of equipment, and provides design approaches as well as structural advice. Other chapters treat drilling equipment, convey-ors, tunnel securing, surveying and controlling as well as occupational safety. Contractual aspects and process controlling are also presented in detail.

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 Tunnel-consultants GmbH & Co. KG, Duisburg. Dr. Martin Herrenknecht is CEO of Herren-

knecht AG, Schwanau. The company is technolo-gy and market leader in mechanised tunnelling. It is the only company in the world that offers the state-of-the-art tunnelling equipment for all soil types and in all diameters. Dr. Herrenknecht founded the company in 1977.Dr. Ulrich Maidl is general manager of MTC - Maidl Tunnelconsultants GmbH & Co. KG, Duisburg and is a publically appointed and accredited expert for tunnelling and micro-tun-nelling. Dr. Gerhard Wehrmeyer heads the Traffi c Tunnelling division of Herrenknecht AG.

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2., completely revised and enlarged Edition - January 2012.approx. 450 pages, approx. 350 fi gures, Hardcover.ca. € 119,–*ISBN: 978-3-433-02995-4

Language of Publication: English

17© 2012 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

The Austrian standard conditions of contract for undergroundworks with continuous tunnelling have been available since 2005.Until then, contract conditions for sequential and continuous tun-nelling were combined in a single code. In Switzerland, majortransport tunnels were already being bored with TBMs at thestart of the 1970s, much earlier than in Austria. Correspondingstandard conditions have been available there for many years,most recently revised in 2004. In this article, the most importantprovisions of the Austrian and Swiss conditions of contract arepresented and commented. Their implementation on specific pro-jects is described through some significant projects. A comparisonbetween Austria and Switzerland, where there has also been astandard bill of quantities for TBM drives for a long while – theNorm-Positions-Katalog – which is generally accepted and usedpractically universally, indeed show a basic similarity in the essen-tial points, but in the implementation of the details there are stillconsiderable differences.

1 Introduction

The Austrian standard “Underground works – Works con-tract – Part 2: Continuous driving” ON B 2203-2 has beenavailable since 2005 [1]. Large projects, like for examplethe second bore of the Pfänder Tunnel (2007) and con-tract 2 of the Koralm Tunnel (2009), were tendered basedon this standard. Further projects, like the third contractof the Koralm Tunnel and the Semmering Base Tunnel arecurrently being tendered, but the Wienerwald Tunnel andthe Perschling chain of tunnels were tendered before theintroduction of ON B 2203-2. No experience was availablefrom the progress of these projects while the standard wasbeing prepared. For the tendering of the Pfänder Tunneland the Koralm Tunnel, the implementation of some pro-visions of the standard was problematic in the view of theclients or consultants. Diverse provisions were thereforeomitted, altered or adapted for each project.

In Switzerland, the standard conditions valid since1993, SIA 198 “General Conditions for Underground Con-struction Work” [2] have been thoroughly revised and thenew 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 fürUntertagebauarbeiten mit kontinuierlichem Vortrieb. Bis dahinwaren die Vertragsbestimmungen für zyklische und kontinuier -liche Vortriebe in einem einzigen Regelwerk zusammengefasst. In der Schweiz wurden schon ab Anfang der 1970er-Jahre, alsowesentlich früher als in Österreich, große Verkehrstunnelbautenmit Tunnelvortriebsmaschinen realisiert. Eine entsprechendeWerkvertragsnorm gibt es dort seit vielen Jahren. Zuletzt wurdesie 2004 aktualisiert. Im Beitrag werden die wichtigsten Bestim-mungen der österreichischen und der schweizerischen Werkver-tragsnormen vorgestellt und kommentiert. Ihre projektspezifischeAusformung wird anhand signifikanter Projekte dargestellt. EinVergleich zwischen Österreich und der Schweiz, wo es außer-dem seit langem eine Standard-Leistungsbeschreibung für TBM-Vortriebe – den Norm-Positions-Katalog – gibt, der generell ak-zeptiert ist und praktisch flächendeckend angewendet wird, zeigtzwar eine grundsätzliche Übereinstimmung in wesentlichenPunkten, in der Ausformung der Details bestehen jedoch erhebli-che Unterschiede.

1 Einleitung

Seit 2005 gibt es in Österreich eine eigene Werkvertrags-norm für Untertagebauarbeiten mit kontinuierlichem Vor-trieb die ON B 2203-2 [1]. Große Projekte, z.B. die zweiteRöhre Pfändertunnel (2007) und das Baulos 2 des Kor -almtunnels (2009), wurden auf Basis dieser Norm ausge-schrieben. Weitere Projekte wie das dritte Baulos des Kor -almtunnels und der Semmering Basistunnel sind zurzeit inAusschreibung. Der Wienerwald-Tunnel und die Tunnel-kette Perschling wurden schon vor Inkrafttreten der ON B 2203-2 ausgeschrieben. Erfahrungen aus der Ab-wicklung dieser Projekte waren zum Zeitpunkt der Ausar-beitung der Norm noch nicht vorhanden. Bei der Aus-schreibung des Pfändertunnels und auch beim Koralmtun-nel erwies sich die Umsetzung einzelner Normbestimmun-gen aus Sicht der Auftraggeber bzw. Planer alsproblematisch. Deshalb wurden diverse Bestimmungenprojektbezogen weggelassen, geändert oder ergänzt.

In der Schweiz wurde die seit 1993 gültige Werk -vertragsnorm SIA 198 „Untertagebau – Ausführung“ [2]gründlich überarbeitet und die neue Version 2004 in Kraftgesetzt. Dort wurden schon ab Anfang der 1970er-Jahre

Topics

Contract models for TBM drives in hard rock – codes in Austria and Switzerland and their practicalimplementation

Vertragsmodelle für TBM Vortriebe im Festgestein –Regelwerke in Österreich und der Schweiz und derenpraktische Umsetzung

DOI: 10.1002/geot.201200003Eckart Schneider Markus Spiegl


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

TBMs from the start of the 1970s. The experience gainedthen and from recently completed major projects like theLötschberg Base Tunnel, Steg-Raron contract and theGotthard Base Tunnel, Bodio-Faido section have influ-enced the new revision.

2 Austria2.1 Standard conditions of contract2.1.1 Content

ON B 2203-2 “Underground works – Works contract –Part 2: Continuous driving” [1] was introduced on 1 Janu-ary 2005. It supersedes the old B 2203 from 1994. At thattime, the provisions for sequential and continuous tun-nelling were combined in one document. The introduc-tion in 1994 of the tunnelling class matrix was a milestonein Austrian tunnel standards. This was used in a (success-ful) attempt to characterise the effect of support installa-tion and other measures with an effect on performance,e.g. partial face excavation, on the advance rate in theform of support measures numbers.

The essential content of ON B 2203-2 is to be foundin the chapters 3 “Terminology”, 4 “Process provisions”and 5 “Contract provisions”. Tunnel drives in rock andloose ground are differentiated, solely according to ma-chine type and nature of the support measures, particular-ly for face support.

2.1.2 Layout of the bill of quantities

In addition to the general provisions, the standard in-cludes requirements for the classification of the bill ofquantities including specification details (LV) into items.Significant points are the tunnelling class matrix based onthe provisions for sequential tunnelling, and provisions forthe payment of overcut and overbreak, water difficultiesand similar. It should be pointed out that a dedicated billitem is intended for the provision of the tunnelling system,an item intended to include all machinery costs that arenot dependent on the construction time or any obstruc-tions. This specially aimed at the tendering of the TBM,for which a payment plan is provided in the contract. Fur-ther items are to be provided for time-dependent machin-ery costs, split according to the construction schedule.

große Verkehrstunnelbauten mit Tunnelvortriebsmaschi-nen (TVM) realisiert. Die Erfahrungen, die dabei und beiden vor kurzem abgeschlossenen Großprojekten Lötsch-berg-Basistunnel, Baulos Steg-Raron und Gotthard-Basis-tunnel, Abschnitt Bodio-Faido gewonnen wurden, sind indie Neufassung der Norm eingeflossen.

2 Österreich2.1 Werkvertragsnorm2.1.1 Inhalt

Die ON B 2203-2 „Untertagebauarbeiten-Werkvertrags-norm Teil 2 Kontinuierlicher Vortrieb“ [1] ist am 1. Januar2005 in Kraft getreten1. Sie ersetzt die alte B 2203 von1994. Damals waren die Bestimmungen für zyklischenund kontinuierlichen Vortrieb noch in einem Dokumentzusammengefasst. Ein Meilenstein in der österreichischenUntertagebau-Normung war die 1994 eingeführte Vor-triebsklassenmatrix. Mit ihrer Hilfe wurde der (erfolgrei-che) Versuch unternommen, den Einfluss des Stützmittel-einbaus und anderer leistungsbestimmender Maßnahmen,z.B. Ausbruch in Teilflächen, auf die Vortriebsgeschwin-digkeit in Form von Stützmittelzahlen zu charakterisieren.

Die wesentlichen Inhalte der ON B 2203-2 sind inden Kapiteln „3. Begriffe“, „4. Verfahrensbestimmungen“und „5. Vertragsbestimmungen“ enthalten. Es wird nichtzwischen Vortrieben in Fest- und Lockergestein unter-schieden, lediglich nach Maschinentypen und Art derStützmaßnahmen, insbesondere der Ortsbruststützung.

2.1.2 Gliederung Leistungsverzeichnis

Neben den allgemeinen Bestimmungen enthält die NormVorgaben zur Gliederung des Leistungsverzeichnisses(LV) in Positionen. Wesentlich sind die an den zyklischenVortrieb angelehnte Vortriebsklassenmatrix, Bestimmun-gen zur Vergütung von Überbohrmaß und Mehrausbruch,Wassererschwernisse u. Ähnliches. Hervorzuheben ist,dass für das Beistellen des Vortriebssystems eine eigeneLV-Position vorzusehen ist. Diese Position soll alle nichtvon der Bauzeit oder von allfälligen Erschwernissen ab-hängigen Gerätekosten beinhalten. Speziell ist damit dieAbschreibung der TVM angesprochen, für die im Vertragein Zahlungsplan vorzusehen ist. Weitere Positionen sindfür die zeitabhängigen Gerätekosten des Vortriebssystemsvorzusehen. Sie sind entsprechend dem Bauablauf zu un-terteilen.

1 Die Bezeichnung „kontinuierlicher Vortrieb“ wurde 1994eingeführt. Dabei wurde nicht beachtet, dass TVM-Vortrie-be ausnahmslos in Hüben, d.h. genauso zyklisch wie kon-ventionelle Vortriebe ablaufen. Es handelt sich also in bei-den Fällen um intermittierende Prozesse. Selbst Vortriebemit TBM-DS, die einem kontinuierlichen Vortrieb am näch-sten kommen, lassen sich baubetrieblich korrekt nur als zy-klische Prozesse modellieren. Die unzutreffende Bezeich-nung ist der Grund dafür, dass sich die Bezeichnung „konti-nuierlicher Vortrieb“ anstelle „maschineller Vortrieb“ oder„TVM-Vortrieb“ außerhalb Österreichs nicht durchsetzenkonnte. Um Verständnisschwierigkeiten vorzubeugen, wur-de deshalb bei der Übersetzung der ON B 2203-2 ins Engli-sche zur Erklärung des Begriffs „Continuous Driving“ inKlammern der Ausdruck „TBM-Tunnelling“ hinzugefügt.

1 The description “continuous driving” was introduced in1994. This did not take into account the fact that all TBMtunnels are advanced in strokes, i.e. just as sequentially as inconventional tunnelling. Both cases are intermittent proces-ses. Even tunnels bored by a double shield TBM, which come nearest to a continuous advance, can only be model-led correctly as a sequential construction process. The erro-neous description is certainly a reason why the use of thedescription “continuous driving” instead of “mechanisedtunnelling” or “TBM tunnelling” has not become establishedoutside Austria. In order to avoid difficulties of comprehen-sion, “TBM tunnelling” has been added in brackets behind“continuous driving” in the English translation of the Austri-an standard ON B 2203-2.



2.1.3 Tunnelling class matrix

For gripper TBMs (TBM-O), the influence of support mea-sures on the advance rate is taken into account in a simi-lar way to sequential tunnelling, with a support measuresnumber. The characterisation of the rock mass is imple-mented, as in the standard for sequential (conventional)tunnelling, in a tunnelling class matrix (Table 1). The firstreference number is described in section 4.3.2.2 of ONB2203-2:

First reference number (Excavation behaviour/advancelengths), according to increasing chainageThe extent of detailing within the first reference number isdetermined by the requirements for clear description of theworks, practicality of estimation and invoicing. On theone hand, the division of the first reference number is un-dertaken in the presence of sections of clearly different ex-cavation behaviour, or if appropriate rock mass behav-iour; on the other hand, the division of the first referencenumber is undertaken to divide the entire tunnel drive in-to partial sections for the purpose of localising the effectsof any localised variations from the forecast.

For the tunnel sections, at least the essential influen-tial parameters are to be given with ranges (e.g. rock com-pression strength, wear-related mineral content). Tunnelsections have a minimum length for practical purposes toensure a statistically relevant statement of the distribu-tion of the parameters, as well as corresponding to a mul-tiple of the achievable daily advance rate in the section.

In cases where the excavation, particularly the pene-tration, is decisive for the determination of performanceand costs (hard rock with large diameter) and the forecastof excavation behaviour is difficult (deep overburden, un-certain degree of jointing), a division according to pene-tration and strength values is recommended.

The standard thus makes it possible to tender penetrationand tunnelling classes for special cases, as is usual inSwitzerland.

The second reference number is dependent on thetype and extent of performance-related measures (support

2.1.3 Vortriebsklassenmatrix

Bei Gripper-TBM (TBM-O) wird der Einfluss der Stütz-maßnahmen auf die Vortriebsgeschwindigkeit in ähn -licher Weise wie beim zyklischen Vortrieb durch eineStützmittelzahl ausgedrückt. Die Charakterisierung desGebirges erfolgt in Analogie zur Norm für den zyklischen(konventionellen) Vortrieb in einer Vortriebsklassenma-trix (Tabelle 1). Die erste Ordnungsgruppe ist im Abschnitt4.3.2.2 der ON B2203-2 geregelt:

Erste Ordnungsgruppe (Löseverhalten/Vortriebsabschnitte),nach Stationen aufsteigendDas Ausmaß der Detaillierung innerhalb der ersten Ord-nungsgruppe wird bestimmt durch die Forderung nach ei-ner klaren Leistungsbeschreibung, Kalkulierbarkeit undAbrechnung. Zum einen erfolgt die Unterteilung nach derersten Ordnungsgruppe beim Vorliegen von Abschnittenmit deutlich unterschiedlichem Löseverhalten, gegebenen-falls Gebirgsverhalten; zum anderen erfolgt die Untertei-lung nach der ersten Ordnungsgruppe zur Gliederung desgesamten Vortriebes in Teilabschnitte zum Zwecke derEingrenzung von Auswirkungen allfälliger örtlicher Ab-weichungen von der Prognose.

Für die Vortriebsabschnitte sind mindestens die maß-geblichen Einflussparameter mit Bandbreiten anzugeben(z. B. Gesteinsdruckfestigkeit, Verschleiß bestimmenderMineralgehalt). Die Vortriebsabschnitte weisen zweckmä-ßigerweise eine Mindestlänge auf, die sowohl eine statis-tisch zutreffende Angabe der Verteilung der Parameter si-cherstellt, als auch einem Vielfachen der dort erzielbarenTages-Vortriebsleistung entspricht.

In Fällen, bei denen das Löseverhalten, insbesonderedie Penetration, für die Leistungs- und Kostenermittlungmaßgebend ist (Festgestein bei großem Durchmesser) unddie Prognose des Löseverhaltens schwierig ist (hohe Über-lagerung, unsicherer Zerlegungsgrad), wird eine Untertei-lung nach Penetration oder Festigkeitswerten empfohlen.

Damit eröffnet die Norm die Möglichkeit, in speziellenFällen ähnlich wie in der Schweiz üblich Penetrations-bzw. Bohrklassen auszuschreiben.

Table 1. Tunnelling class matrix TBM-O, TBM-A, from [1].Tabelle 1. Vortriebsklassenmatrix TBM-O, TBM-A nach [1]

Second reference numberZweite Ordnungsgruppe

Support measures number according to 4.3.2.3Stützmitterlzahl nach 4.3.2.3

Maximum scope of applicationMaximaler Geltungsbereich

1 2 3 5 7 9 13 17 21 27 33 39

± 0.5 ± 1.0 ± 2.0 ± 3.0

1 1/0.5 1/1.5 1/2.5 1/4 1/6 1/8 1/11 1/15 1/19 1/24 1/30 1/36

2 2/1.5 2/2.5 2/4 2/6 2/8 2/11

3 3/0.5 3/1.5 3/2.5 3/4

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measures) for open machines. Table 2 shows the systemand the evaluation factors given in the standard. The sec-ond reference number is described in section 4.3.2.3 ofON B2203-2:

Second reference number – TBM-O, TBM-A (support mea-sures according to the installation location)The categorisation criterion for the second reference num-ber is the support measures number. This results from thetype, extent and location of the installation of regularlyinstalled support measures per m of tunnel, which are to

Die zweite Ordnungsgruppe ist bei offenen Maschi-nen abhängig von Art und Umfang der leistungsbestim-menden Maßnahmen (Stützmittel). Tabelle 2 zeigt die Sys-tematik und die in der Norm angegebenen Bewertungsfak-toren. Die zweite Ordnungsgruppe ist im Abschnitt 4.3.2.3der ON B2203-2 geregelt:

Zweite Ordnungsgruppe – TBM-O, TBM-A (Stützmittel-zahl je nach Einbauort)Als Ordnungskriterium der zweiten Ordnungsgruppe dientdie 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 Evaluation factors according to working areasStützmittel Bewertungsfaktoren nach Arbeitsbereichen

Working area Working areaArbeitsbereich Arbeitsbereich

A1 A2

Rock bolts Friction anchor expanded by water pressure 3.0 m 1.6 mAnker Gefalteter Rohrreibungsanker

SM grouted anchor 4.0 m 2.5 mSN-Mörtelanker

Self-drilling anchor 6.0 m 3.5 mSelbstbohranker

Grouted anchor 6.0 m 4.0 mVerpressanker

Prestressed grouted anchor 10.0 m 5.0 mVorgespannter Mörtelanker

Grouting over 10 kg per m anchor 0.3 kg 0.2 kgVerpressungen über 10 kg je m Anker

Mesh reinforcment Rock side without arches 4.0 m2 2.5 m2

Baustahlgitter Rock side with arches 3.0 m2 2.0 m2

Tunnel side 3.0 m2 2.0 m2

Arch sections shorter than half perimeter 2.5 m 2.5 mBogenteile kürzer als halber UmfangArch sections longer than half perimeter 5.0 m –Bogenteile länger als halber UmfangClosed arches 4.0 m –Bogen geschlossenLiner plates 10.0 m –Liner Plates

Shotcrete Sides 70 m3 20 m3

Spritzbeton Leibung1

Filling of gaps and overbreak 50 m3 14 m3

Ausfüllen von Zwickeln und Mehrausbrüchen

Poling boards Lagging boards 15 m2

Dielen Verzugsdielen2

Forepoling boards 20 m3

Getriebdielen2

The support measures number in Table 1 is the result of dividing the sum of the reinforced support measures per m tunnel by theevaluation areaDie Stützmittelzahl der Tabelle 1 ergibt sich durch Division der Summe der bewehrten Stützmittel pro m Tunnel durch dieBewertungsfläche.

1 theoretical dimensions according to nominal thickness and invoicing line … / Theoretische Massen nach Nennstärke und Abrechnungs -linie

2 installed lagging boards … / Eingebaute Dielen



be evaluated in accordance with the table and related tothe evaluation area.

The evaluation area is to be fixed in the contractbased on the nominal boring diameter and remains unal-tered even if an overcut is implemented.

The evaluation factors in the table are valid for theregular types of support measure given in the tender docu-ments.

The support measures are to be given and describedfor each tunnelling class according to the type, extent and location of installation. The scope of validity of atunnelling class is to be specified within the limits ofTable 1.

The tunnelling class matrix for TBMs with shield (TBM-S,TBM-DS, SM) is laid out slightly differently. The first ref-erence number still provides tunnel sections, but the divi-sion within the second category is to be undertaken ac-cording to performance-relevant features (Table 3). Thismeans, for example, different types of segments, but couldalso be used to refer to other criteria specific to the projector the process.

Two examples of this:– For TBM-DS, operation in “normal mode” with gripper

bracing and the introduction of the reaction forces fromthrust into the rock and “auxiliary mode” with the intro-duction of the reaction forces into the segment liningare differentiated.

– For EPB machines, operation in “open mode” (removalof the muck by conveyor belt or through a screw convey-or without pressure) and “closed mode” (removal withpressure relief through a screw conveyor) are differenti-ated.

2.1.4 Wage costs of the tunnelling crew

One Austrian speciality is the alternatives offered regard-ing 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-re-lated part of the sundries for each tunnelling class

fang und dem Ort des Einbaues der eingebauten Regel-stützmittel pro m Tunnel, welche gemäß Tabelle zu bewerten und in Bezug zur Bewertungsfläche zu setzensind.

Die Bewertungsfläche ist auf Grundlage des Nomi-nalen Bohrdurchmessers vertraglich festzulegen undbleibt auch bei Ausführung eines Überbohrmaßes unver-änderlich.

Die Bewertungsfaktoren der Tabelle sind gültig fürdie in den Ausschreibungsunterlagen angegebenen Typenvon Regelstützmitteln.

Die Stützmaßnahmen sind für jede Vortriebsklassenach Art, Umfang und Ort des Einbaues anzugeben unddarzustellen. Der Gültigkeitsbereich einer Vortriebsklasseist 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 ersteOrdnungsgruppe zwar ebenfalls Vortriebsabschnitte vor,die Unterteilung innerhalb der zweiten Ordnungsgruppesoll aber nach leistungsbestimmenden Merkmalen des ein-gesetzten Vortriebssystems erfolgen (Tabelle 3). Damitsind z. B. unterschiedliche Tübbingtypen gemeint, eskönnten aber auch andere, projektspezifische oder verfah-rensbedingte Kriterien, verwendet werden.

Hierfür zwei Beispiele:– Bei TBM-DS wird zwischen Betrieb im „Normalmodus“

mit Gripperverspannung und Einleitung der Reaktions-kräfte aus dem Vorschub in den Fels und „Hilfsmodus“mit Einleitung der Reaktionskräfte in den Tübbingaus-bau unterschieden.

– Bei EPB-Maschinen wird zwischen „open mode“ (Aus-trag des Ausbruchmaterials über Förderband oderdrucklos über Förderschnecke) und „closed mode“ (Aus-trag mit Druckabbau über Förderschnecke) unterschie-den.

2.1.4 Lohnkosten der Vortriebsmannschaft

Eine österreichische Besonderheit ist die Wahlmöglichkeitbezüglich der leistungsbezogenen (variablen) Kosten desAusbruchs.– Variante (a): je Vortriebsklasse (VKL) eine Position für

Lohn und Sonstiges je m

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

Second reference numberZweite Ordnungsgruppe

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

M 1 M 2 M 3 M (n-1) M n

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

2.1.5 Variation from geotechnical parameters

The ÖNORM contains no provisions for price variationsfollowing variations in geological-geotechnical parameters,like higher rock strength, degree of jointing or bedding con-ditions. It is solely postulated that project-specific provi-sions are to be provided for mixed-face conditions, blockyground, bracing problems or similar, but only where suchhindrances can be clearly described and thus be estimated.For heavy wear due to very abrasive rock – Cerchar abra-sivity index > 4.0 – or the exceeding of contractual rangesfor wear-relevant parameters, hindrance items can be pro-vided, which cover increased wear to excavation tools andthe 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 ofquantities for tunnelling with sequential advance (LB-VI)[3]. No contractual standard bill of quantities for tun-nelling with continuous advance has yet been approved bythe responsible authorities. A small group has produced ashort-text bill of quantities as the basis for sample estima-tion of TBM drives in 2006 [4]. Although this draft largelyimplements the requirements of the ÖNORM regardingitem classification and the bill is laid out similarly to thestandard bill for sequential tunnelling, this work has notyet been accepted outside the circle of the recipients ofthe sample estimation.

2.3 Contract organisation on projects2.3.1 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 mea-

sures

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 itemsfor the provision and maintenance of tunnelling equip-ment were not included in the tenders. The breakdown ofsite overheads according to ON B 2061 [5] into one-offcosts, time-related costs and machinery costs was under-taken analogously to the items for sequential tunnelling.

– Tunnelling items:In principle, the tunnelling class matrix according toÖNORM was used. In the first reference number, a tun-nel section was defined for each rock mass type, a pro-cedure recommended by the authors. For each tunnelsection, there are six support measures classes.

– Variante (b): eine Position für die Lohnkosten der Vor-triebsmannschaft je Zeiteinheit und je Vortriebsab-schnitt. Zusätzlich ist in diesem Fall für jede VKL einePosition für den nicht zeitgebundenen Anteil Sonstigesvorzusehen

Von den Auftraggebern wird bevorzugt Variante (b) ausge-schrieben, weil diese Vertragsanpassungen Vorteile er-leichtert.

2.1.5 Abweichung geotechnischer Parameter

Für Preisanpassungen in Folge abweichender geologisch-geotechnischer Parameter wie höhere Gesteinsfestigkeit,Zerlegungsgrad oder Lagerungsverhältnisse enthält dieÖNORM keine Regelungen. Es wird lediglich postuliert,dass bei Mixed-face-Bedingungen, Blockigkeit, Verspann-problemen oder Ähnlichem projektspezifische Regelun-gen vorzusehen sind, allerdings nur, wenn diese Erschwer-nisse eindeutig beschreibbar und damit auch kalkulierbarsind. Für hohen Verschleiß bei extrem abrasivem Gestein– Cerchar-Abrasivitätsindex > 4,0 – bzw. Überschreiten dervertraglichen Bandbreiten der verschleißrelevanten Para-meter können Erschwernispositionen vorgesehen werden,die den erhöhten Verschleiß der Bohrwerkzeuge und diedaraus folgende Leistungsminderung erfassen.

2.2 Standard-Leistungsbeschreibung

In Österreich gibt es bisher nur eine Standard-Leistungs-beschreibung nur für Tunnelbau mit zyklischem Vortrieb(LB-VI) [3]. Ein akkordiertes und von den zuständigenStellen freigegebenes Standard-LV für Tunnelbau mit kon-tinuierlichem Vortrieb gibt es bisher noch nicht. Von einerkleinen Gruppe wurde 2006 ein Kurztext-LV als Basis füreine Musterkalkulation für TVM-Vortriebe erarbeitet [4].Obwohl in diesem Entwurf die Vorgaben der ÖNORMhinsichtlich der Positionsgliederung weitgehend umge-setzt wurden und das LV analog zur Standard-LB für zyklische Vortriebe strukturiert wurde, fand dieses Werkkeine über den Kreis der Bezieher der Musterkalkulationhinausgehende Verbreitung.

2.3 Vertragsgestaltung bei Projekten2.3.1 Projekt A

Randbedingungen– Bohrdurchmesser 7,00 m, Länge 3,5 km– Geologische Verhältnisse: überwiegend Kalkglimmer-

schiefer– Vortrieb mit TBM-O und konventionellen Stützmitteln

Grundlegende Bestimmungen– Grundsätzlich gelten die Bestimmungen der ON B 2203-2.– Mindestanforderungen an die Vortriebsausrüstung wur-

den definiert.

Aufbau des LV– Baustellengemeinkosten:

Die Vorgaben der ON B 2203-2 hinsichtlich eigener Po-sitionen für das Beistellen und Vorhalten der Vortriebs-einrichtung wurden in der Ausschreibung nicht berück-



Geotechnical parametersThe average values for UCS and CAI are listed in the rockmass type tables. Only for one rock mass type, the calcare-ous mica schist predominant in the powerhouse cavern,were ranges and standard deviations introduced. The ex-pected radial deformations of the unsupported cavity weregiven for all rock mass types.

Variations from the ÖNORMThere are no rules for price variations to cover variationsof geological conditions, especially variations of the rockmechanical 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 andclay marl)

– Tunnelling with TBM-S and temporary support with seg-ments

Basic provisions– The provisions of ON B 2203-2 apply generally– The basis for the legal contract conditions is the ON

B 2118 [6]

Structure of the bill– Site overheads:

One-off costs according to ON B 2061Time-related site overheads and site machinery costs ac-cording to ON B 2118 with reference to ON B 2061

– Tunnelling items:The tunnelling class matrix according to ÖNORM was notused. The tunnel was divided into six tunnel sections. Foreach section, there is an item for sundries (consumables,repair and wear, other). The wage costs of the tunnellingcrew are tendered uniformly for the entire tunnel length.

Geotechnical parametersThe parameters decisive for penetration – UCS, spacing ofthe significant jointing surfaces and swelling potential –were listed in a table and divided into categories. Thejointing layout is not given explicitly, but can be takenfrom the longitudinal sections. In addition, all results fromthe laboratory tests performed on core samples and para-meters from projects in comparable geological conditionsare included in the tender documents. The CAI values ofthe tested samples are also given.

VariationsNo provision for price variations for variant geological con-ditions, particularly for differences of the rock mechanicalparameters 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, amphibo-

lite, orthogneiss)

sichtigt. Die Unterteilung der Baustellengemeinkostengemäß ON B 2061 [5] in einmalige Kosten, zeitgebun -dene Kosten und Gerätekosten wurde analog zu den Po-sitionen des zyklischen Vortriebs vorgenommen.

– Vortriebspositionen:Im Prinzip wurde die Vortriebsklassenmatrix gemäßÖNORM verwendet. In der ersten Ordnungsgruppewurde je Gebirgsart ein Vortriebsabschnitt definiert, eine Vorgangsweise, die auch von den Autoren empfoh-len wird. Für jeden Vortriebsabschnitt gibt es sechsStützmittelklassen.

Geotechnische KennwerteDie Mittelwerte für UCS und CAI sind in den Gebirgsar-tentabellen aufgeführt. Nur für eine einzige Gebirgsart,den in der Krafthauskaverne dominierenden Kalkglim-merschiefer, wurden Bandbreiten und Standardabwei-chung angeführt. Für alle Gebirgsarten wurden die für denungestützten Hohlraum erwarteten Radialverformungenangegeben.

Abweichungen von der ÖNORMEs gibt keine Regeln für Preisanpassung bei abweichendengeologischen Verhältnissen, insbesondere Abweichungender felsmechanischen Parameter UCS und CAI von derPrognose.

2.3.2 Projekt B

Randbedingungen– Bohrdurchmesser 11,92 m, Länge 6,6 km– Geologische Verhältnisse: Mittelländische Molassezone

(Konglomerate, Sandsteine, Mergelsandsteine, Mergelund 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 2061ZGBK der Baustelle und Gerätekosten der Baustelle ge-mäß ON B 2118 mit Verweis auf ON B 2061

– Vortriebspositionen:Die Vortriebsklassenmatrix gemäß ÖNORM wurdenicht angewendet. Der Tunnel wurde in sechs Vortriebs-abschnitte unterteilt. Je Abschnitt gibt es eine Positionfür Sonstiges (Betriebsstoffe, Reparatur und Verschleiß,Diverses). Die Lohnkosten der Vortriebsmannschaftwurden für die gesamte Tunnellänge einheitlich ausge-schrieben.

Geotechnische KennwerteDie für die Penetration maßgeblichen Parameter – UCS,Abstand der maßgeblichen Trennflächen und Quellpoten-zial – wurden tabellarisch zusammengefasst und in Kate-gorien unterteilt. Die Gefügestellung ist nicht explizit an-gegeben, kann aber aus dem Längenschnitt entnommenwerden. Darüber hinaus sind in den Ausschreibungsunter-



– Tunnelling with TBM-S or DS and temporary supportwith segments. In some sections, single-layer lining withsegments.

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 theexcavation tools are expressly pointed out.

Structure of the bill– Site overheads

One-off costs according to ON B 2118 with reference toON B 2061 Time-related site overheads according to ON B 2118with reference to ON B 2061Site machinery costs according to ON B 2118 with ref-erence to ON B 2061

– Tunnelling itemsThe tunnel sections to be driven continuously were di-vided into tunnel sections (first reference number).Fault zones have their own tunnel section. The bordersof the tunnel sections take into account the construc-tion relevance of the geological, hydrogeological and geotechnical conditions. No method-specific perfor-mance-related criteria for the definition of tunnellingclasses dependent on the tunnelling system, e.g. differ-ent operating modes of the TBM-DS, are used. There istherefore no second reference number.For each tunnel section, there are bill items with CAIvalue ≤ 4.0 and > 4.0. Additionally there are bill itemsfor tunnelling in fault zones with the installation of spe-cial segments independent of the CAI value. The unitprices in the higher wear reference number apply up to aCAI value of 6.0.

Geotechnical parametersThe contractually relevant compression strength valuesparallel and at a right angle to the cleavage are specifiedwith a uniform value for the entire length of the tunnel. Ifthis contract value is exceeded, there are graduated extraprices. The payment positions are not differentiated ac-cording to wear classes.

Rock samplesThe taking of rock samples for the determination of theactual geotechnical values is regulated in detail, as are theformation of the average value and the performance of thetests. The relevant length of applicability of each sample-taking position is also defined exactly. In the contract,there is a standard curve for the conversion of the uniaxialcompression strength depending on the orientation to thecleavage. The dimensions of the samples are also defined.

PaymentThe intended payment items are paid separately when therelevant parameter (UCS or CAI) is exceeded. Combina-tion (aggregation) of effects is not provided.

There is only a claim for payment of extra costs re-sulting from increased uniaxial compression strength

lagen sämtliche Ergebnisse der an Bohrkernen durchge-führten Laborprüfungen sowie Kennwerte von Projektenin vergleichbarer Geologie enthalten. Die CAI-Werte deruntersuchten Proben wurden ebenfalls angegeben.

AbweichungenKeine Regelung für Preisanpassung bei abweichendengeologischen Verhältnissen, insbesondere bei Abweichun-gen der felsmechanischen Parameter UCS und CAI vonden prognostizierten Werten.

2.3.3 Projekt C

Randbedingungen– Bohrdurchmesser 9,90 m, Länge 2 × 17 km– Geologische Verhältnisse: Kristallin (Paragneise, Am-

phibolite, Orthogneise)– Vortrieb mit TBM-S oder DS und Vorauskleidung mit

Tübbingen. Abschnittsweise einschalige Auskleidung mitTübbingen.

Grundlegende Bestimmungen– Grundsätzlich gelten die Bestimmungen der ON B 2203-2– Mindestanforderung an die Vortriebseinrichtungen defi-

niert– In den technischen Vertragsbestimmungen für TVM-

Vortrieb wird ausdrücklich auf die hohe Abrasivität unddie sich daraus ergebenden Verschleißeffekte an denSchneidwerkzeugen hingewiesen.

Aufbau des LV– Baustellengemeinkosten

Einmalige Kosten gemäß ON B 2118 mit Verweis aufON B 2061 ZGBK der Baustelle gemäß ON B 2118 mit Verweis aufON B 2061Gerätekosten der Baustelle gemäß ON B 2118 mit Ver-weis auf ON B 2061

– VortriebspositionenDie in kontinuierlichem Vortrieb aufzufahrenden Tun-nelstrecken wurden in Vortriebsabschnitte (erste Ord-nungsgruppe) unterteilt. Störungszonen stellen eigeneVortriebsabschnitte dar. Die Abgrenzung der Vortriebs-abschnitte berücksichtigt die bautechnische Relevanzder geologischen, hydrogeologischen und geotechni-schen Gegebenheiten. Für die Definition der Vortriebs-klassen wurden keine methodenspezifische leistungsbe-stimmenden Kriterien, die vom Vortriebssystem abhän-gig sind, z.B. verschiedene Betriebsmodi bei TBM-DS,verwendet. Es gibt daher keine zweite Ordnungsgruppe.Für jeden Vortriebsabschnitt gibt es Leistungspositionenmit CAI-Wert ≤ 4,0 und > 4,0. Außerdem gibt es Leis-tungspositionen für Vortrieb in Störzonen mit Einbauvon Spezialtübbingen unabhängig vom CAI-Wert. DieEinheitspreise in der höheren Verschleißklasse geltenbis zu einem CAI-Wert von 6,0.

Geotechnische KennwerteFür den gesamten Vortriebsbereich wurde die vertraglichrelevante einachsiale Druckfestigkeit parallel und senk-recht zur Schieferung mit einem einheitlichen Wert festge-legt. Bei Überschreiten dieses Vertragswerts gibt es gestaf-



when the compression strength exceeds the contract spec-ification values. Variations of other parameters like frac-ture or destruction energy, splitting strength, spacing ofsignificant jointing interfaces, joint orientation, degree ofjointing or primary stress condition are not taken into ac-count.

2.4 Commentary about ÖNORM and tendering practice2.4.1 Tunnelling class matrix

For the assignment of the first reference number, the stan-dard permits various aspects to be considered. The exca-vation behaviour takes first place in the standard, with therock mass behaviour in second place. The division of thetunnel into tunnel sections is also intended to limit the ef-fects of any local variations.

In the opinion of the authors, the first reference num-ber should only consider the excavation behaviour for tun-nel drives in hard rock (UCS ≥ 60 MPa). The simultane-ous consideration of rock mass behaviour is inappropri-ate, if only because rock mass and excavation behaviouronly correlate to a limited extent. With a TBM-O, the rockmass behaviour influences the classification through thesupport measures number, and with a TBM-S/DS throughother characteristics like the type of segment or operatingmode.

In rock mass types with predominantly ductile rocks,it is not normally the excavation behaviour that is decisivefor the advance rate, at least for tunnels with diameter> 9.0 m. In such rock mass types, the rock mass behaviourhas a decisive influence on the advance rate. The divisioninto 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 se-lection of a tunnelling method or TBM type [7].

2.4.2 Tunnel sections

A complication can arise when the tunnel sections arespecified so that more than one type of rock mass occursin one section. The penetration can only be unambiguous-ly calculated from the rock mass type, and the same ap-plies to disc cutter wear. The creation of tunnel sections,in which more than one rock mass type occurs, forces thebidder to estimate average values and mixed prices. Mixedprices, however, regularly lead to problems with the varia-tion of unit prices. This could be avoided if the tunnel sec-tions were defined as rock mass types.

2.4.3 Geotechnical parameters

In the tender, there should be an overview page for eachrock mass type containing a specific heading with all theimportant geological and geotechnical data that are im-portant for the evaluation of excavation behaviour. Clear-ly defined average values (UCS, CAI) with a statement ofminimum and maximum values and the standard devia-tion should be given as a contractual basis for the calcula-tion of penetration and wear. This would provide an un-ambiguous basis for the calculation of variations of ad-vance rate and disc wear in case of variation of the geo-technical parameters. In addition to the average values,

felte Aufpreise. Bei den Aufzahlungspositionen wird nichtnach Verschleißklassen unterschieden.

GesteinsprobenDie Entnahme der Proben zur Bestimmung der geotechni-schen IST-Werte ist detailliert geregelt, ebenso die Mittel-wertbildung und die Versuchsdurchführung. Auch die Ein-flusslänge der jeweiligen Probenentnahmestellen ist genaudefiniert. Im Vertrag ist auch eine Normkurve zur Um-rechnung der einachsialen Druckfestigkeit in Abhän -gigkeit von der Orientierung zur Schieferung enthalten.Darüber hinaus sind die Abmessungen der Proben defi-niert.

VergütungDie vorgesehenen Aufzahlungspositionen werden bei einerÜberschreitung des jeweils betroffenen Parameters (UCSbzw. CAI) getrennt vergütet. Eine Überlagerung (Aggregie-rung) der Auswirkungen ist nicht vorgesehen.

Ein Anspruch auf Vergütung der Mehrkosten infolgehöherer einachsialer Druckfestigkeit entsteht nur dann,wenn die Druckfestigkeit den vertraglich festgelegten Wertüberschreitet. Abweichungen anderer Parameter wieBruch- oder Zerstörungsenergie, Spaltzugfestigkeit, Ab-stand der maßgeblichen Trennflächen, Gefügestellung,Zerlegungsgrad oder Primärspannungszustand werdennicht berücksichtigt.

2.4 Kommentar zur ÖNORM und zur Ausschreibungspraxis2.4.1 Vortriebsklassenmatrix

Bei der Zuordnung zur ersten Ordnungsgruppe könnenlaut Norm unterschiedliche Aspekte im Vordergrund ste-hen. An erster Stelle steht in der Norm das Löseverhalten,an zweiter Stelle das Gebirgsverhalten. Die Gliederungdes Tunnels in Vortriebsabschnitte soll zudem die Auswir-kungen allfälliger örtlicher Abweichungen eingrenzen.

Nach Meinung der Autoren sollte bei Vortrieben imHartgestein (UCS ≥ 60 MPa) die erste Ordnungsgruppeausschließlich das Löseverhalten berücksichtigen. Diegleichzeitige Berücksichtigung des Gebirgsverhaltens istschon deshalb nicht sinnvoll, weil Gebirgs- und Lösever-halten nur bedingt korrelieren. Das Gebirgsverhaltenfließt bei TBM-O über die Stützmittelzahl, bei TBM-S/DSüber andere Charakteristika wie Tübbingtyp oder Be-triebsmodus, in die Klassifizierung ein.

In Gebirgsarten mit überwiegend duktilen Gesteinenist meistens nicht das Löseverhalten für die Vortriebsge-schwindigkeit entscheidend, zumindest nicht in Tunnelnmit Durchmesser > 9,0 m. In solchen Gebirgsarten ist dasGebirgsverhalten von entscheidendem Einfluss auf dieVortriebsgeschwindigkeit. Die Einteilung in Vortriebsab-schnitte sollte deshalb unter diesem Aspekt erfolgen.

Beim Vortrieb tiefliegender Tunnel mit TBM in dukti-lem Gebirge ist das Deformationsverhalten der entschei-dende Faktor für die Wahl des Vortriebsverfahrens bzw.des TBM-Typs [7].

2.4.2 Vortriebsabschnitte

Eine Komplikation kann entstehen, wenn die Vortriebsab-schnitte so festgelegt werden, dass in einem Abschnitt



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

3 Switzerland3.1 Standard conditions of contract3.1.1 Content

The SIA standard 198 “General Conditions for Under-ground Construction Work” [2] belongs to the series of stan-dards covering contract conditions in construction and in-cludes additions to the standard SIA 118 “General Condi-tions for Construction Work” [8]. It includes detailed regula-tions for contracts in underground construction. Thecurrent version from 2007 has been revised from many pre-decessors – the last from 1991. SIA 198 covers conventionaland mechanised tunnel drives in one common standard.

3.1.2 Tunnelling classes

As described in [3], tunnel construction contracts shouldprimarily regulate the payment for excavation and sup-port, 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 canbe seen in Table 4. In order to enable estimation for thecorrect reasons and fair payment to cover expenses, theexcavation items are arranged in matrix according to sup-port and tunnelling classes (Table 5). The support classesare described in Table 6.

Generally, the standards in Switzerland, just like thosein Austria, offer instruments for the division of the rockmass into categories, which is intended to enable fair esti-mation and payment for the expenses incurred. They there-fore mainly consider construction operational aspects likethe cuttability and the effect on progress of support instal-lation, but not geological-geotechnical parameters or de-rived values like RQD or RMR. For each category (matrixcell), the advance rate and the excavation price are to bequoted by the bidders. One Swiss speciality is the determi-nation of the tunnelling class through test strokes, with thepenetration being measured and used to derive the tun-nelling class. When no other agreement has been reached,this method is applicable as the agreed standard. The SIAstandard provides no categorisation into wear classes, al-though 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 quantitiesfor underground construction for many years, called thestandard 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)

mehrere Gebirgsarten vorkommen. Die Penetration lässtsich nämlich nur auf Basis der Gebirgsarten eindeutig be-rechnen. Dasselbe gilt hinsichtlich des Meißelverschlei-ßes. Die Schaffung von Vortriebsabschnitten, in denenmehrere Gebirgsarten vorkommen, zwingt die Bieter zurBildung von Mittelwerten und Mischpreisen. Mischpreiseführen bei der Ermittlung geänderter Einheitspreise aberregelmäßig zu Problemen. Diese könnten vermieden wer-den, wenn die Vortriebsabschnitte als Gebirgsarten defi-niert würden.

2.4.3 Geotechnische Kennwerte

In die Ausschreibung sollte für jede Gebirgsart ein Über-sichtsblatt aufgenommen werden, das in einer eigenen Ru-brik alle für die Beurteilung des Löseverhaltens wichtigengeologischen und geotechnischen Daten enthält. Als ver-tragliche Basis für die Berechnung von Penetration undVerschleiß sollten eindeutig definierte Mittelwerte (UCS,CAI) mit Angabe von Minima und Maxima sowie derStandardabweichung angegeben werden. Damit wäre beiAbweichungen der geotechnischen Parameter eine eindeu-tige Basis für die Berechnung der geänderten Vortriebsge-schwindigkeit und des Meißelverschleißes gegeben. Ne-ben den Mittelwerten sollten die Extremwerte für UCSund CAI angegeben werden, auf welche die Vortriebsein-richtung maschinentechnisch zu dimensionieren ist.

3 Schweiz3.1 Werkvertragsnorm3.1.1 Inhalt

Die SIA-Norm 198 „Allgemeine Bedingungen für Unterta-gebau“ [2] gehört zur Normenreihe Allgemeine Bedingun-gen Bau und enthält Ergänzungen zur Norm SIA 118 „All-gemeine Bedingungen für Bauarbeiten“ [8]. Sie beinhaltetdetaillierte Regelungen für Werkverträge im Untertage-bau. Die aktuelle Fassung von 2007 baut auf mehrerenVorläufer-Versionen – die letzte von 1991 – auf. Die SIA198 behandelt konventionelle und maschinelle Vortriebein einem gemeinsamen Regelwerk.

3.1.2 Vortriebsklassen

Wie in [3] ausgeführt sollten Tunnelbauverträge haupt-sächlich die Vergütung von Ausbruch und Sicherung,Mehrausbruch, Erschwernissen und außergewöhnlichenEreignissen regeln. Diese Punkte sind – neben vielen an-deren – auch in der Schweizer Untertagebau-Norm priori-tär geregelt. Die Po sitionsgliederung für TBM-Vortriebe imFels ist aus Tabelle 4 ersichtlich. Um eine ursachengerech-te Kalkulation und damit auch eine aufwandsgerechteVergütung zu ermöglichen, werden die Ausbruchpositio-nen nach Sicherungs- und Bohrklassen in einer Matrix an-geordnet (Tabelle 5). Die Sicherungsklassen sind in Tabel-le 6 beschrieben.

Grundsätzlich bieten in der Schweiz ebenso wie inÖsterreich die Untertagebau-Normen Instrumente zurEinteilung des Gebirges in Kategorien, die eine aufwands-gerechte Kalkulation und Vergütung ermöglichen sollen.Sie berücksichtigen deshalb hauptsächlich baubetriebli-che Aspekte wie die Bohrbarkeit und die Beeinflussung



– Tunnelling with TBM-O and conventional support mea-sures

Basic provisions– The standards SIA 118 and SIA 198 (1993) apply gener-

ally.

Structure of bill– Site overhead costs:

Lump sum items for delivery, assembly, maintenanceand dismantling of the TBM

– Tunnelling items:Five tunnelling classes (V, W, X, Y, Z) and five excavationclasses (TBM I to V) are differentiated. The determina-tion of tunnelling classes (penetration) is performed

des Vortriebs durch den Stützmitteleinbau und nicht geo-logisch-geotechnische Kennwerte oder abgeleitete Größenwie RQD oder RMR. Für jede Kategorie (Matrix-Käst-chen) sind von den Anbietern die Vortriebsgeschwindig-keit und der Ausbruchpreis anzugeben. Eine SchweizerBesonderheit stellt die Bestimmung der Bohrklasse durchTesthübe dar, bei denen die Penetration gemessen und da-durch die Bohrklasse bestimmt wird. Wenn keine andereVereinbarung getroffen wurde, gilt diese Methode als ver-einbarter Standard. Die SIA-Norm sieht keine Einteilungin Verschleißklassen vor. Bei extrem abrasivem Gesteinkann jedoch eine zusätzliche Vergütung (Aufpreispositi-on) für erhöhten Werkzeugverschleiß vorgesehen werden.

3.2 Standard-Leistungsbeschreibung

In der Schweiz gibt es seit vielen Jahren eine Standard-Leistungsbeschreibung für Untertagebau, den so genann-ten Norm-Positions-Katalog (NPK), der generell akzep-tiert ist und praktisch flächendeckend angewendet wird.Der Aufbau wird im Folgenden beispielhaft anhand einesProjekts 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).

Table 4. Overview of the structure of the excavation items, from [2]Tabelle 4. Übersicht über die Gliederung der Ausbruchpositionen nach [2]

Rock Loose groundFels Lockergestein

Tunnelling method Drill & blast TBM TBM in rock TBM in soft Shield Vortriebsverfahren in rock TBM MUF ground machine

SPV MUL SM

Type of excavationAusbruchart A, B, C, D, E A A, B, C, D, E A to E A

Support class SKSicherungsklasse SK 1, 2, 3, 4, 5 1, 2, 3, 4, 5, T 1, 2, 3, 4, 5 – T

Excavation class Tunnelling class Tunnelling class Tunnelling classAbbaubarkeit – Bohrklasse Abbauklasse – Abbauklasse

X, Y; Z X, Y, Z X, Y, Z

Face InclinationBrustneigung I, n

Face supportBruststützung a, b, c a, b, c

Auxiliary construction measures Measure Δ possibleBauhilfsmaßnahme Maßnahme Δ evtl.

Example of the labelling of the B2 3X A 3 X I – – X – Xexcavation items

D4 2 Z B 2 Y n, b, Δ Y a XBeispiele für die Kennzeichnung der Ausbruchpositionen E5 1 Y C 4 Z n c Y b Y

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 Tunnelling classSicherungsklasse SK Bohrklasse

X Y Z

SK 1 1 X 1 Y 1 Z

SK 2 2 X 2 Y 2 Z

SK 3 3 X 3 Y 3 Z

SK 4 4 X 4 Y 4 Z

SK 5 5 X 5 Y 5 Z

SK T T X T Y T Z



with a test stroke. Wear is included up to CAI 4.0. ForCAI values > 4.0, additional items (graded from 4.0 to4.5 and 4.5 to 5.0) are to be provided. The type andquantity of support measures for the excavation classeswere specified for the specific project based on SIA 198.

– Commentary:All in all, a tender that is mostly in accordance with thestandard with a fair distribution of risks. However, an al-ternative proposal mostly based on fixed prices was ac-tually awarded the contract.

Geotechnical parametersThe results of all laboratory tests on drill cores are givenin the geotechnical report. The tests performed were UCS

Aufbau LV– Baustellengemeinkosten:

Pauschalpositionen für Antransport, Montage, Vorhal-ten und Demontage der TBM

– Vortriebspositionen:Es werden fünf Bohrklassen (V, W, X, Y, Z) und fünfAusbruchklassen (TBM I bis V) unterschieden. DieBestimmung der Bohrklassen (Penetration) erfolgtdurch Testhübe. Verschleiß bis CAI 4,0 ist einzu rech -nen. Bei CAI-Werten > 4,0 sind Zuschlagspositionen(gestaffelt von 4,0 bis 4,5 und 4,5 bis 5,0) vorgesehen. Artund Menge der Stützmittel für die Ausbruchklassenwurden in Anlehnung an die SIA 198 projektspezifischfestgelegt.

Table 6. Support classes for tunnels and shafts (TBM), from [2]; the temporary support in the backward area L3 is insignifi-cant for the classification of support classTabelle 6. Sicherungsklassen für Tunnel und Schächte (TBM) nach [2]; die Ausbruchssicherung im rückwärtigen Bereich L3ist für die Sicherungsklasseneinteilung unerheblich

Machine area L1 Backup area L2Maschinenbereich L1 Nachläuferbereich L2

SK 1 – Head protection may be required according to EKAS – Net fixed with anchors or bolts, or similar measuresguideline 6514 – Netz mit Ankern oder Bolzen befestigt oder gleichwertige

– Eventuell Kopfschutz nach EKAS-Richtlinie 6514 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 per m2 with partial arches round > 1/4 of the ≤ 0.4 anchors and/or bolts per m2 perimeter

– Netz auf ≤ 1/3 des Kreisumfangs mit ≤ 0,4 Ankern – 0,4 Anker pro m2 mit Teilbögen auf > 1/4 des Kreisumfangsund/oder Bolzen pro m2 befestigt – Net and shotcrete or shotcrete with fibre reinforcement

≤ 1/2 of the perimeter– Netz und Spritzbeton oder Spritzbeton mit Faser-

bewehrung auf ≤ 1/2 des Kreisumfangs

SK 3 – Net covering > 1/3 of the perimeter and fixed with – Net with > 0.4 anchors per m2 and shotcrete or shotcrete> 0.4 anchors and/or bolts per m2 with fibre reinforcement round entire perimeter except

– Netz auf > 1/3 des Kreisumfangs mit > 0,4 Ankern invertund/oder Bolzen pro m2 befestigt – Netz mit > 0,4 Anker pro m2 und Spritzbeton oder Spritz-

– Partial arches round ≤ 3/4 of the perimeter1 beton mit Faserbewehrung auf dem gesamten Kreisumfang– Teilbögen auf ≤ 3/4 des Kreisumfangs1 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 – Invert support with sprayed or poured concrete, if no – Geschlossener Stahleinbau mit Netz oder einzelnen invert segments are intended

Verzugsblechen1 – Sohlensicherung mit Spritz- oder Ortbeton, falls keine – Lattice beams on partial arches round ≥ 3/4 of the Sohltübbinge vorgesehen sind

perimeter with nets and anchors – Closed steel inserts, poss supported on invert segment2

– Gitterträger auf Teilbögen auf ≥ 3/4 des Kreisumfangs – Geschlossener Stahleinbau evtl. auf Sohltübbing abgestützt2

mit Netzen und Ankern1 – Lattice beam round ≥ 3/4 of the perimeter with net and – Shotcrete as sealing round > 1/4 of the perimeter anchors2

– Spritzbeton als Versiegelung auf > 1/4 des Kreisumfangs – Gitterträger auf ≥ 3/4 des Kreisumfangs mit Netz und – Pressure-distributing elements by the lagging boards Ankern2

– Druckverteilende Elemente im Bereich der Verspannplatten

SK 5 – Closed steel inserts with lagging – Not applicable– Geschlossener Stahleinbau mit Verzug – Nicht Maßgebend– Full-area steel elements– Vollflächige Stahlelemente

SK T – Closed segment lining – Not applicable– Geschlossener Tübbingausbau – Nicht maßgebend

1 for tunnel diameters > 6 m / bei Tunneldurchmesser > 6 m2 for tunnel diameters ≤ 6 m / bei Tunneldurchmesser ≤ 6 m



(the results of the laboratory tests standardised with re-gard to diameter, height and angle), σz and CAI. No aver-age values or contractually binding values were given. Thebedding conditions and the jointing structure are not, as isusual in Austria, displayed as hemisphere diagrams but asblock diagrams. The geotechnical report contains an ex -act description of the abrasivity with a statement ofranges.

VariationsIn the contract, there are no provisions for price variationsfor variable geology, especially for variations of the rockmechanical parameters UCS and CAI from the forecastvalues.

4 Comparison Austria – Switzerland

Comparing the standards for underground construction ofAustria and Switzerland, there is indeed general agree-ment in essential points, but there are grave differences inthe handling of details. These are mainly the result of thehistorical differences and the different horizon of experi-ence, but also the pragmatic procedure determinedthrough experience of the authors of the Swiss standards.Many aspects, which proved successful in mechanised tun-nelling in Switzerland in the 1970s and 1980s, e.g. the de-termination of the penetration with a test stroke, havebeen retained in the new revision of 2007. In Austria, thestarting point was quite different, with the ÖNORM forconventional tunnelling being taken as the foundation.The newly created standard for mechanised tunnelling hasbeen closely based on the standard produced some yearsearlier for conventional tunnels.

Neither of the two standards contains unambiguousprovisions stating how price variations in the event of geo-logical variations, particularly in case of differences of therock mechanical parameters UCS and CAI from the fore-cast values, are to be dealt with. The usual practice inSwitzerland of tendering tunnelling classes, each of whichcovers a defined range of penetration, e.g. from 6 to 8 mmper revolution determined through a test stroke, defusesthe conflict potential regarding cuttability. In the Swissmodel, the client accepts most of the risk regarding thecuttability of the rock.

For the contractor, this model can have a disadvan-tage under certain circumstances – depending on the con-ditions prevailing for the test stroke – as the advantages ofa machine, which is capable of better performance thantendered and can be used to achieve better performancedue to its technological superiority, will mainly profit theclient because the rock mass will be categorised into amore favourable tunnelling class with lower unit prices.

5 New developments and perspectives

One attempt to defuse the conflict potential that usuallyresults from contract and price variations in case of geo-logical variations could be a model currently being devel-oped in Innsbruck. At the suggestion of K. Mitteregger(construction manager for the Tiroler Wasserkraft AG,Innsbruck), the Innsbruck consultant SSP BauConsult In-genieurbüro für Baubetrieb und Bauwirtschaft has devel-

– Kommentar:Summa summarum eine weitgehend normgemäße Aus-schreibung mit fairer Risikoverteilung. Beauftragt wurdeallerdings ein Alternativangebot, das auf einer weitge-henden Pauschalierung beruht.

Geotechnische KennwerteDie Ergebnisse sämtlicher Laborprüfungen an Bohrker-nen sind im geotechnischen Bericht aufgeführt. Unter-sucht wurden UCS (Ergebnisse der Laborprüfungen nor-miert bezüglich Durchmesser, Höhe und Winkel), σz undCAI. Mittelwerte und vertraglich verbindliche Werte wur-den nicht angegeben. Die Lagerungsverhältnisse und dasTrennflächengefüge sind nicht wie in Österreich üblichmittels Lagenhalbkugel sondern durch Blockdiagrammedargestellt. Der geotechnische Bericht enthält eine genaueBeschreibung der Abrasivität mit Angabe der Bandbreiten.

AbweichungenIm Vertrag sind keine Regelungen für Preisanpassung beiabweichender Geologie, insbesondere bei Abweichungender felsmechanischen Parameter UCS und CAI von denprognostizierten Werten enthalten.

4 Vergleich Österreich – Schweiz

Beim Vergleich der Untertagebaunormen für TVM-Vor-triebe zwischen Österreich und der Schweiz ist zwar einegrundsätzliche Übereinstimmung in wesentlichen Punk-ten festzustellen, in der Ausformung der Details gibt es je-doch gravierende Unterschiede. Diese sind hauptsächlichauf die unterschiedliche Historie und den unterschiedli-chen Erfahrungshorizont zurückzuführen, aber auch aufdie pragmatische, durch Erfahrung bestimmte Herange-hensweise der Schweizer Normenmacher. Vieles, was sichin der Schweiz bei den maschinellen Vortrieben der1970er und 1980er-Jahre bewährt hat, z. B. die Bestim-mung der Penetration durch Testhübe, wurde bei der Neu-fassung 2007 beibehalten. In Österreich war die Ausgangs-situation eine andere. Hier war die ÖNORM für konven-tionellen Vortrieb als Ausgangsbasis vorgegeben. Die neugeschaffene Norm für maschinelle Vortriebe wurde eng andie einige Jahre früher erarbeitete Norm für konventionel-len Vortrieb angelehnt.

Eindeutige Regelungen dafür, wie Preisanpassungenbei abweichender Geologie, insbesondere bei Abweichungder felsmechanischen Parameter UCS und CAI von denprognostizierten Werten durchzuführen sind, enthält kei-ne der beiden Normen. Bei der in der Schweiz üblichenPraxis der Ausschreibung von Bohrklassen, von denen je-de einen bestimmten Bereich der Penetration, z.B. von6 bis 8 mm pro Umdrehung, abdeckt und die durch Test-hübe bestimmt werden, ist das Konfliktpotenzial in punk-to Bohrbarkeit entschärft. Der Auftraggeber übernimmtbeim Schweizer Modell hinsichtlich der Lösbarkeit desGesteins einen Großteil des Risikos.

Für den Auftragnehmer besteht unter Umständen –abhängig von den für den Testhub vorgegebenen Bedin-gungen – ein Nachteil dieses Modells darin, dass die Vor-teile einer Maschine, die leistungsfähiger ist als ausge-schrieben und mit der aufgrund technologischer Überle-genheit höhere Leistungen erzielt werden können, über



oped a simply applied model (engineer model), which isintended to unambiguously regulate payment for changedvalues of penetration, wear and advance rate starting fromcontractually specified values.

The model assumes that the client specifies bindingvalues for penetration, wear and advance rate for eachrock type. If during execution one or several geotechnicalparameters differ from the prognosis, the difference be-tween the orginal and the adapted value of advance ratewill be calculated according to the model. This calcula-tion is first performed in absolute values and then in per-cent. The same percentage is added to the guaranteed val-ues of the contractor, which is intended to taken upwardand downward variations into account. In order that slightvariations do not lead to extra or reduced payment, arange is provided, within which the risk of variations re-mains with the contractor.

References

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em. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Eckart [email protected]

Dipl.-Ing. Dr.techn. Markus [email protected]

SSP BauConsult GmbHTechnikerstraße 326020 InnsbruckAustria

die Einstufung des Gebirges in günstigere Bohrklassen mitniedrigeren Einheitspreisen zu einem großen Teil demAuftraggeber zugutekommen.

5 Neue Entwicklungen und Perspektiven

Einen Versuch, das Konfliktpotenzial zu entschärfen, dasbei Vertrags- bzw. Preisanpassungen in Folge abweichen-der geologischer Verhältnisse praktisch immer vorhandenist, könnte ein Modell bieten, das zurzeit in Innsbruck ent-wickelt wird. Auf Anregung von K. Mitteregger (Leiter Aus-führungsmanagement Tiroler Wasserkraft AG, Innsbruck)wurde von dem Innsbrucker Ingenieurbüro SSP BauCon-sult Ingenieurbüro für Baubetrieb und Bauwirtschaft eineinfach zu handhabendes Modell (Ingenieurmodell) ent-wickelt, das ausgehend von vertraglich festgelegten Wertendie Berechnung der geänderten Werte von Penetration,Verschleiß und Vortriebsgeschwindigkeit eindeutig regelnsoll.

Das Modell setzt voraus, dass der Auftragnehmer fürjede Gesteinsart verbindliche Werte für Penetration, Ver-schleiß und Vortriebsgeschwindigkeit angibt. Im Falle vonAbweichung eines oder mehrerer geotechnischer Parame-ter wird die Differenz zwischen theoretischem „Soll“ undtheoretischem „Sollte“ mittels des im Vertrag verankertenModells zuerst absolut und dann in Prozenten ermittelt.Mit dem gleichen Prozentsatz werden die garantiertenWerte des Auftragnehmers beaufschlagt, wobei Abwei-chungen nach oben und nach unten berücksichtigt wer-den sollen. Damit geringfügige Abweichungen nicht zuMehr- oder Minderkostenforderungen führen, ist eineBandbreite vorgesehen, innerhalb derer das Risiko von Ab-weichungen beim Auftragnehmer verbleibt.


The principle of the radial press for the design of highly loadedpressure shafts and headrace tunnels has been known since1954 and has been further developed by Tiwag – TirolerWasserkraft AG and used successfully many times on the mostvaried power station projects. The radial press is a large-scaletest apparatus for the determination of the contribution of therock mass to the lining of pressure tunnels and shafts. A 2 m longsection of a circular tunnel is subjected to radially symmetricalloading of up to 100 bar. The radial displacements of the loadedtunnel section are measured with their directional orientation re-lated to the tunnel centreline at many cross-sections and thusdeliver direct information about anisotropy and the E and V mod-uli of the rock mass. The system control and data recording of theTiwag radial press has now been automated and thus brought upto the latest standards. The measured data is recorded, visu-alised and archived by special software and remains available forspecific evaluation purposes. Both the effectiveness of the testperformance and the measurement precision have been im-proved by this automation and the use of new sensor technology.For the planned Kühtai pumped storage station, the revised andautomated radial press was successfully used in spring/summer2011 at two measurement locations in the Längental explorationtunnel. The radial press in its new form is being used increasinglyon all the large design projects of the Tiroler Wasserkraft AG andwill thus continue to contribute to the economic design of pres-sure tunnels and steel linings.

1 Introduction and objective

For economic reasons, it is generally desirable to make useof the structural contribution of the rock mass in the de-sign of the headwater routes of high head hydropower sta-tions. The correct estimation and measurement of the me-chanical rock properties enables the cost-optimised provi-sion of steel lining in highly loaded pressure shafts and theconstruction of prestressed concrete linings of pressuretunnels with increased security against crack formation.The contribution of the rock mass in each case can onlybe reliably determined from large-scale tests through therock flexibility. The best methods, although rarely useddue to the high cost, are pressure chamber tests or even

Für die Bemessung hoch beanspruchter Druckschächte undDruckstollen wurde das seit 1954 bekannte Prinzip der Radial-presse von der Tiwag – Tiroler Wasserkraft AG weiterentwickeltund bisher mehrmals erfolgreich für verschiedenste Kraftwerks -projekte eingesetzt. Die Radialpresse ist eine großmaßstäblicheVersuchseinrichtung zur Bestimmung der Gebirgsmitwirkung beiDruckstollen- und Druckschachtauskleidungen, wobei ein 2 mlanger Abschnitt eines kreisförmigen Stollens radialsymmetrischmit bis zu 100 bar belastet wird. Die Radialverformungen der be-lasteten Stollenstrecke werden bezogen auf die Stollenachse inmehreren Querschnitten richtungsorientiert gemessen und gebendamit direkt Auskunft über die Anisotropie und den E- und V-Mo-dul des Gebirges. Die Tiwag-Radialpresse wurde hinsichtlichSystemsteuerung und Datenerfassung automatisiert und auf denneuesten Stand gebracht. Die Messdaten werden in einer spe-ziellen Software vor Ort erfasst, visualisiert und archiviert undstehen in weiterer Folge für spezifische Auswertungszwecke zurVerfügung. Sowohl die Effektivität der Versuchsdurchführung alsauch die Messgenauigkeit konnten durch die Automatisierungund durch Verwendung neuer Sensortechnik gesteigert werden.Für das geplante Speicherkraftwerk Kühtai kam die erneuerteund automatisierte Radialpresse im Frühjahr/Sommer 2011 anzwei Messstellen im Sondierstollen Längental erfolgreich zumEinsatz. Die Radialpresse wird in ihrer aktuellen Form bei allengroßen Planungsvorhaben der Tiroler Wasserkraft AG verstärkt inEinsatz gebracht und wird so wie bisher auch in Zukunft zu einerwirtschaftlichen Bemessung von Druckschächten und Panzerun-gen beitragen.

1 Einleitung und Veranlassung

Aus wirtschaftlichen Überlegungen ist bei der Bemessungvon Triebwasserwegen von Wasserkraftwerken mit großenDruckhöhen die Ausnutzung der Gebirgsmitwirkunggrundsätzlich erwünscht. Die richtige Einschätzung undErfassung der mechanischen Felseigenschaften ermöglichtden kostenoptimierten Einsatz von Stahlpanzerungen inhoch beanspruchten Druckschächten sowie die Herstel-lung planmäßig vorgespannter Betonauskleidungen vonDruckstollen mit erhöhter Sicherheit gegen Rissbildung.Die jeweilige Gebirgsmitwirkung kann zuverlässig nur auf-grund von Großversuchen über die Felsnachgiebigkeit be-rücksichtigt werden. Dafür am besten geeignet, aber wegen

Topics

Automated rock strain measurements for the planned pumped storage plant Kühtai using the “TIWAG-Radial Press”

Automatisierte Felsdehnungsmessungen mit der Tiwag-Radialpresse für das geplanteSpeicherkraftwerk Kühtai

DOI: 10.1002/geot.201200004Frank EiblMarkus MährDominik Vögele


F. Eibl/M. Mähr/D. Vögele · Automated rock strain measurements for the planned pumped storage plant Kühtai using the “TIWAG-Radial Press”

the construction of (steel lined) test pressure shafts. In or-der to avoid the high cost of such rarely used test facilities,an easily transportable radial press was developed by Ti-wag for the Kaunertal power plant, which can deliverequally valuable results (Figure 1). The Tiwag radial presswas used at over 20 locations on the Kaunertal powerplant between 1958 and 1962 and has been used success-fully on many other projects, not only for pressure shaftsand head race tunnels, but also for the investigation ofdam foundations, power station caverns and similar struc-tures.

The effective measurement section for the radial pressis a 2.5 diameter circular excavated tunnel section 2 mlong, with an approx. 15 cm thick shotcrete or in-situ con-crete lining. Pressure pads, which are supported againststeel rings through timber planking, can apply a loading tothe tunnel wall with pressures of up to 100 bar.

The resulting deformations of the rock mass are directly measured against a fixed reference axis (centraltube) using dial gauges fixed to rock bolts. Creep and plas-tic deformation of the rock mass can be recorded in long-term tests. The measurement of radial displacements at upto 16 points around the perimeter delivers a very precisepicture of the anisotropy of the rock properties. As part ofthe resumption of major hydropower plant construction, Tiwag will again be using the radial press on the currentprojects at the Kühtai pumped storage station and the ex-tension of the Kaunertal hydropower scheme. On bothprojects, the intention is to extend existing facilities withan additional pumped storage station complete with theassociated plant components like the new construction ofdams, headrace tunnels and power station caverns. In or-der to make the measurement of rock strains altogethermore efficient and safer than before, the Tiwag radialpress has been upgraded to the current state of the art andthe measurement procedure has been highly automated.The first applications of the automated radial press were

des großen Aufwands nur selten ausgeführt, sind Druck-kammerversuche oder gar die Errichtung von (gepanzer-ten) Versuchs-Druckschächten. Um den großen Aufwanddieser selten eingesetzten Versuchseinrichtungen zu ver-meiden, wurde von der Tiwag für das Kaunertalkraftwerkeine leicht versetzbare Radialpresse entwickelt, die gleich-wertige Ergebnisse liefert (Bild 1). Die Tiwag-Radialpres-se wurde beim Kaunertalkraftwerk von 1958 bis 1962 anüber zwanzig Stellen eingesetzt und ist seither bei vielenanderen Bauvorhaben nicht nur für Druckschächte und -stollen, sondern auch zur Untersuchung von Talsperren-gründungen, Kraftwerkskavernen und ähnlichen Bauwer-ken mit Erfolg angewendet worden.

Als wirksame Messstrecke für die Radialpresse dientein mit 2,5 m Durchmesser kreisförmig ausgebrochenerStollenabschnitt, der auf 2 m Länge eine ca. 15 cm starkeSpritzbeton- oder Ortbetonauskleidung erhält. Mit Hilfevon Druckkissen, die über Holzbohlen gegen Stahlringeabgestützt sind, kann die Stollenwand mit Drücken bis zu100 bar beansprucht werden.

Die gegenüber einer festen Bezugsachse (Zentralrohr)auftretenden Deformationen des Gebirges werden mittelsMessuhren, die an Felsankern befestigt sind, direkt abgele-sen. Kriecherscheinungen und plastische Deformationendes Gebirges können durch Langzeitversuche erfasst wer-den. Die Messung der Radialverschiebungen von bis zu 16über den Umfang verteilten Punkten vermittelt ein sehr ge-naues Bild von der Anisotropie der Gebirgseigenschaften.Im Zuge der Wiederaufnahme des Großkraftwerksbauswird die Tiwag die Radialpresse bei den aktuell geplantenProjekten Speicherkraftwerk Kühtai und Ausbau Kraft-werk Kaunertal erneut einsetzen. Bei beiden Projektenhandelt es sich um die Erweiterung bestehender Anlagendurch je ein zusätzliches Pumpspeicherkraftwerk samt zu-gehörigen Anlagenteilen wie die Neuerrichtung von Tal-sperren, Triebwasserwegen und Kraftwerkskavernen. Umdie bisher praktizierte Durchführung der Felsdehnungs-messungen insgesamt effizienter und sicherer zu gestalten,wurde die Tiwag-Radialpresse auf den aktuellen Stand derTechnik gebracht und der Messvorgang weitestgehend automatisiert. Die ersten Einsätze der automatisierten Radialpresse konnte im Frühjahr/Sommer 2011 an zweiStellen im Sondierstollen Längental für das Projekt Spei-cherkraftwerk Kühtai erfolgreich abgeschlossen werden.Weitere Einsätze sind im Rahmen der geplanten Tiwag-Großprojekte vorgesehen.

2 Messprinzip und Qualitätsanforderungen

Zur Messung der radialen Verformungen werden indukti-ve Wegaufnehmer (LVDT – Linear Variable DifferentialTransformator) verwendet, die einen Messbereich von 2bis 200 mm bei einer Linearität von 0,2 bis 0,3% und einerWiederholgenauigkeit von 1,5 μm aufweisen. Die mecha-nische Ausführung der Sensoren wurde so gewählt, dasssowohl ein Schutz vor Staub als auch vor Feuchtigkeit ge-währleistet wird. Des Weiteren ist der Einsatz in einem be-trächtlichen Umgebungstemperaturbereich von –40 °C bis150 °C möglich.

Insgesamt werden bei einer Radialpressenmessung 36induktive Wegsensoren zeitgleich eingesetzt. An beidenEnden des Zentralrohrs werden jeweils ein Sensor in und

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



successfully completed in spring/summer 2011 in the Län-gental exploration tunnel for the Kühtai pumped storageproject. Further applications are intended on other majorhydroprojects of the Tiwag.

2 Measurement principle and quality requirements

Inductive transformers (LVDT – Linear Variable Differen-tial Transformer), which show a measurement range from2 to 200 mm with a linearity of 0.2 to 0.3% and a repeti-tion precision of 1.5 μm, are used for the measurement ofthe radial displacements. The mechanical design of thesensors was selected to ensure protection from both dustand moisture. They can also be used over an impressivetemperature range from – 40 °C to 150 °C.

Altogether 36 inductive transformers are used simul-taneously for each radial press measurement. At each endof the central tube, one additional horizontal and one ver-tical sensor are mounted, which are used to measure anymovement of the central tube. These displacements arethen used to correct all the measurements from the re-maining sensors. Immediately outside the loading section,four sensors (two horizontal, two vertical) are mounted,and their measurements are used for the conversion ofthe 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 resolu-tion related to the perimeter (measurement profile C with4 sensors, profile D with 16 sensors, profile E with 8 sen-sors), are set up in order to obtain the best possible pictureof deformation in all directions. The load-dependent de-formation behaviour is analysed by special test pro-grammes.

3 Reactivation and automation of the radial press

As the measurement principle of the radial press is stillstate of the art and as it still is in good mechanical condi-tion, it was decided to refurbish the radial press in prepa-ration for design work on major projects. In the process,the measurement technology and data recording as well asthe hydraulic circuit for the application of pressure wereall completely renewed.

In a feasibility study carried out before the refurbish-ment, altogether four possible variants were given for therenewal of the radial press. The variant preferred by Tiwag included 36 micrometer gauges for the measure-ment of rock displacement, pressure gauges and a sys-temic thermometer. These devices were designed as mea-suring transducers and provide a standardised measure-ment signal (e.g. 4 to 20 mA) at the output. The output sig-nal is recorded by special software and stored on the harddisc of an industrial PC. The stored data can later beprocessed by an appropriate programme.

In order to determine the rock stiffness with sufficientaccuracy, the maximum deviation of the radial lineartransducer may not exceed ± 10 μm. This requirement waseven exceeded with an achieved precision of 5 μm.

The drive of the reciprocating pump is constructed asa frequency-controlled three-phase synchronous motor,which enables the control of the pumping performance byvarying the rotation speed. Due to this hydraulic drive sys-

ein weiterer Sensor in vertikaler Richtung montiert, mitwelchen etwaige Verschiebungen des Zentralrohrs gemes-sen werden. Aufgrund dieser Verschiebungen können dieMesswerte aller weiteren Sensoren entsprechend korri-giert werden. Unmittelbar außerhalb der Belastungsstre-cke werden vier Wegsensoren (zwei horizontal, zwei verti-kal) montiert, dessen Ergebnisse für die Umrechnung dervon der Radialpresse begrenzte Belastungsstrecke von ca.2 m auf eine unendliche Belastungsstrecke herangezogenwerden. In der Belastungsstrecke werden drei Messebenenmit einer jeweils unterschiedlichen, auf den Umfang bezo-genen Auflösung (Messprofil C mit 4 Wegsensoren, Mess-profil D mit 16 Sensoren, Messprofil E mit 8 Wegsenso-ren) eingerichtet, um ein möglich genaues Verformungs-bild in allen Richtungen zu erhalten. Das lastabhängigeVerformungsverhalten wird durch verschiedene Versuchs-programme analysiert.

3 Reaktivierung und Automatisierung der Radialpresse

Aufgrund des nach wie vor dem Stand der Technik ent-sprechenden Messprinzips der Radialpresse, sowie des ei-nigermaßen guten Zustands der mechanischen Einzel-komponenten wurde beschlossen, die Radialpresse im Zu-ge der Planung der Großprojekte wieder instand zu setzen.Dabei wurde ein Komplettaustausch der Messtechnik undDatenerfassung sowie der Hydraulikanlage zur Druckauf-bringung durchgeführt.

In einer vor Beginn der Instandsetzung durchgeführ-ten Machbarkeitsstudie wurden insgesamt vier möglicheVarianten zur Erneuerung der Radialpresse erarbeitet. Dievon der Tiwag bevorzugte Variante beinhaltet 36 Mikro-meteruhren zur Messung der Felsverschiebung, Druck-messgeräte und ein Thermometer. Diese Geräte werdenals Messumformer ausgeführt und stellen ein normiertesMesssignal (z. B. 4 bis 20 mA) am Ausgang zur Verfügung.Das Ausgangssignal wird mit einer geeigneten Software er-fasst und auf einer Festplatte eines Industrie-PCs gespei-chert. Auf diesen können in weiterer Folge die Messdatenmit einer geeigneten Software ausgewertet werden.

Um die Gebirgssteifigkeiten mit der notwendigen Ge-nauigkeit ermitteln zu können, darf die maximale Abwei-chung der radial angeordneten Wegsensoren ± 10 μm nichtüberschreiten. Diese Anforderung wurde mit einer erreich-ten Genauigkeit von 5 μm sogar unterschritten.

Der Antriebsmotor der Kolbenpumpe wird als Dreh-stromasynchronmotor mit Frequenzumformer ausge-führt, der durch Variation der Drehzahl unterschiedlicheFörderleistungen der Pumpe ermöglicht. Durch diesesHydraulikaggregat ist es möglich, eine Konstanthaltungdes Systemdrucks ohne Personaleinsatz auch über Nachtbzw. über längere Zeit zu garantieren. Des Weiteren ist eine Druckaufbringung in Abhängigkeit der Felsver -schiebung und die Durchführung von dynamischenDruckversuchen möglich. Die Messsoftware und die Motorsteuerung ermöglichen das Ein- und Ausschaltender Pumpe in Abhängigkeit der Felsverschiebung, wel-ches in direktem Zusammenhang mit dem Systemdrucksteht.

Zur Erfassung der Messdaten wurde auf ein leistungs-fähiges Datenerfassungssystem von National Instrumentszurückgegriffen. LabView ist eine grafische Programmier-



tem, it is possible to guarantee a constant pressure in thesystem without intervention by an operator, evenovernight or for longer periods. Pressure application de-pendent on the rock displacement and the implementa-tion of dynamic tests are also possible. The measurementsoftware and the motor control enable the switching onand off of the pump depending on rock displacement,which is directly linked to the system pressure.

To record the measured data, a powerful data loggingsystem from National Instruments is used. LabView is agraphical programme environment, in which functionblocks act as virtual instruments (VI). These functionblocks are linked with connection lines and the data flowis thus determined.

The user interface for the visualisation and operationof the radial press was produced in accordance with therequirements of the expert group for rock mechanics andtunneling at Tiwag and adapted many times during the de-velopment phase. By displaying the most significant para-meters like the position of each sensor or the rock dis-placement dependent on the applied system pressure, theplausibility of the measured values can already be checkedduring the measurement, and a first rough evaluation canbe made of the stiffness and anisotropy to be expected. Aregister layout of the graphic interface gives an overviewof the settings of the test programme, permitting to checkthe measurement range of the transducers and an orbitaldisplay of the most significant profiles related to theperimeter (anisotropy).

The software blocks the selection synchronous tests,so the creation of conflicting aims is ruled out. The cur-rent status (e.g. “pump start”, “waiting until pressure isreached”, “pump stop”, “maintain pressure”) is displayedby a string element during the test. When the test has fin-ished, this is indicated by displaying the state “inactive”.

The Tiwag radial press can be operated manually (onsite) or over an appropriate remote TCP/IP connection(office). For monitoring purposes of the entire test appara-tus, a web cam is installed on site.

4 Pilot tests and optimisation efforts

The last use of the Tiwag radial press before its reactiva-tion took place 26 years ago on the site of the Strassen-Amlach head race tunnel. Although the radial press andits 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 andnew instrumentation resulted in additional uncertainties,which led to the decision to perform two test runs beforethe first application.

The first trial took place in front of the works hall ofthe Imst power station. In order to provide the radial pressan abutment for the construction, a number of steel frameswere welded together to serve as abutment for the form-work, which simulated the sides of the surrounding rockmass (Figure 2). The stiffness of this frame constructionwas indeed very low, but sufficient for the test set-up of theradial press and the application of low pressure throughthe pressure pads.

The successful first assembly led to the following con-clusions:

umgebung, in der Funktionsblöcke als virtuelle Instrumen-te (VI) fungieren. Diese Funktionsblöcke werden mit Ver-bindungslinien verknüpft und somit der Datenfluss be-stimmt.

Die Oberfläche zur Visualisierung und Bedienungder Radialpresse wurde nach Vorgaben der FachgruppeFelshohlraumbau der Tiwag erstellt und in der Entwick-lungsphase mehrmals angepasst. Durch die Darstellungder aussagekräftigsten Parameter wie Position des jeweili-gen Sensors oder die Gebirgsverformung in Abhängigkeitdes aufgebrachten Systemdrucks können bereits währendder Messung die Plausibilität der Messwerte geprüft, so-wie eine erste Grobbeurteilung der zu erwartenden Stei-figkeit und der Anisotropie getätigt werden. Eine register-förmige Anordnung der Visualisierungsoberfläche lieferteine Übersicht über die Einstellungen zu den Versuchs-programmen, eine Messbereichsüberprüfung der Weg -sensoren und eine über den Umfang bezogene Orbital-darstellung der aussagekräftigsten Messprofile (Anisotro-pie).

Die Auswahl mehrerer Versuche zur gleichen Zeitwurde softwaremäßig blockiert, sodass die Entstehung ei-nes Zielkonflikts ausgeschlossen ist. Durch ein „String-Element“ wird der jeweilige Zustand (z. B. „Pumpe Start,„Warten bis Druck erreicht“, „Pumpe Stopp“, „Halten aufDruck“) während des Versuchs dargestellt. Ist der Versuchbeendet, so wird dies durch die Zustandsanzeige „Inaktiv“gekennzeichnet.

Die Bedienung der Tiwag-Radialpresse kann manuell(vor Ort) und über eine entsprechende TCP/IP Verbin-dung von der Ferne (Büro) erfolgen. Zur zusätzlichen Visualisierung der gesamten Versuchsapparatur wird beijedem Radialpressenversuch eine Webcam vor Ort instal-liert.

4 Pilotversuche und Optimierungsanstrengungen

Der letzte Einsatz der Tiwag-Radialpresse vor deren Reak-tivierung erfolgte vor 26 Jahren beim Bau des Druckstol-lens Strassen-Amlach. Obwohl die Radialpresse und derenEinsatz oft und sehr detailliert beschrieben worden sind,ging in dieser Zeit die Erfahrung der Mannschaft, die dasGerät vor Ort aufgebaut hat, verloren. Durch die notwen-digen Restaurationen und neuen Instrumentierungen ka-men zusätzliche Unsicherheiten dazu, die zum Entschlussführten, vor dem ersten Einsatz zwei Testaufbauten durch-zuführen.

Der Erstaufbau erfolgte vor den Werkhallen desKraftwerks Imst. Um der Radialpresse ein Widerlager fürden Aufbau zu bieten, wurden mehrere Stahlrahmen zu-sammengeschweißt, die als Auflager für Schaltafeln dien-ten, welche die Laibung des umgebenden Gebirges simu-lierten (Bild 2). Die Steifigkeit dieser Rahmenkonstruk -tion war zwar sehr gering, für den Testaufbau der Radial-presse und eine geringe Druckbeaufschlagung derDruckkissen reichte sie jedoch aus.

Aus dem erfolgreichen Erstaufbau wurden folgendeSchlüsse gezogen:− Die Druckkissen müssen in ungefülltem Zustand einge-

baut werden, da sie im gefüllten Zustand „ausbauchen“und somit nicht zwischen Gebirge und Stützkonstruk -tion eingeschoben werden können.



− The pressure pads have to be installed empty, as they ex-pand when filled with water and therefore cannot be in-serted between rock mass and support construction.

− The radial press should be installed with a longitudinalinclination between 5 to 10% in order to ensure the airrelease of the pads.

Before the application in the Längental exploration tun-nel, the entire system first had to be tested under real con-ditions. A stub tunnel constructed 50 years ago in theKample access adit of the Kaunertal pressure shaft wasavailable for this purpose. The formwork system preparedfor the construction of the concrete ring for radial presstests could also be tried out for the first time. As radialpress tests had already been carried out at this location, itwas also possible to check the plausibility of the test re-sults (Figure 3).

The measurements resulted in global deformationmoduli, which agree very well with the results from 50years ago. There were some local deviations, which couldnot be explained at first; a few transducers did not seem toreact to the pressure of the radial press. The dismantlingof the radial press enabled interpretation of the results:the concrete abutment in the crown revealed some cavi-ties, so that the pressure of the pads was not transferred tothe rock as intended.

Due to this experience, for all subsequent rock strainmeasurements with the radial press it was decided not only to take greater care with the concreting work but alsoto lay grouting hoses in the crown and grout the gap be-tween rock and concrete in order to be able to guarantee amechanical bond between the concrete inner ring and therock.

5 Application of the radial press in the Längental explorationtunnel for the Kühtai pumped storage project

The Kühtai pumped storage project intends to make useof the construction of a second upper stage for the Sell-rain-Silz hydro scheme, which has been in operation since

− Die Radialpresse sollte mit einer Längsneigung von 5 bis10% eingebaut werden, um das Entlüften der Druckkis-sen zu gewährleisten.

Vor dem Einsatz im Sondierstollen Längental musste nunnoch das Gesamtsystem unter realen Bedingungen getes-tet werden. Dazu konnte ein vor 50 Jahre für Radialpres-senversuche errichteter Stichstollen im StollenfensterKample des Druckschachtes Kaunertal genutzt werden.Hier wurde auch das für die Radialpresse konstruierteSchalungssystem, mit dem der Betonring hergestellt wird,zum ersten Mal getestet. Da an dieser Stelle bereits Ra-dialpressenversuche durchgeführt worden sind, war es da-rüber hinaus auch möglich, die Testergebnisse einer Plau-sibilitätskontrolle zu unterziehen (Bild 3).

Die Messungen zeigten hinsichtlich der globalen Ver-formungsmoduli eine recht gute Übereinstimmung mitden Messungen vor 50 Jahren. Lokal traten aber Abwei-chungen auf, die auf den ersten Blick nicht erklärbar wa-ren; so schienen einzelne Wegaufnehmer auf den Druckder Radialpresse nicht zu reagieren. Der Abbau der Radial-presse brachte aber schließlich Klarheit bei der Interpreta-tion der Ergebnisse: Im Bereich der Firste war es trotz in-tensiver Bemühungen nicht gelungen ein hohlraumfreiesWiderlager herzustellen, was dazu führte, dass der Druckdes Kissens nicht wie geplant auf den Fels übertragen wer-den konnte.

Für alle folgenden Felsdehnungsmessungen mit derRadialpresse wurde aufgrund dieser Erfahrungen be-schlossen, neben der noch größeren Sorgfalt bei den Be-tonarbeiten in der Firste Injektionsschläuche zu verlegenund den Zwischenraum Fels-Betonwiderlager zu injizie-ren, um so einen kraftschlüssigen Verbund des Beton -innenrings 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 ei-ner zweiten Oberstufe zur der seit 1981 in Betrieb befind -

Fig. 2. First assembly in Imst with formwork panels as anartificial rock wallBild 2. Erstaufbau in Imst mit Schaltafeln als künstlicheFelslaibung

Fig. 3. Second assembly under real application conditionsin Kample, Kaunertal power stationBild 3. Zweitaufbau unter realen Einsatzbedingungen inKample, Kraftwerk Kaunertal



1981. With an additional reservoir with water diversionfrom the central, eastern Ötztal and the back of theStubaital valleys, this will represent a considerable exten-sion of the current exploitation of hydropower in the pro-ject area and improve the plant operation of the existingfacilities. The main features of the Kühtai pumped storagestation are the Kühtai reservoir in the back of the Längen-tal with a storage capacity of about 31 million m³ and adam crest height above ground level of about 113 m, theKühtai 2 (cavern) power station, which connects the Küh-tai reservoir and the existing annual reservoir at Finstertalwith an enlarged output of 130 MW and a diversion sys-tem of 25.5 km length from the back of the Stubaital tothe Kühtai reservoir.

The construction of the Kühtai 2 power station re-quires the creation of a dedicated headrace between theFinstertal and Kühtai reservoirs. The powerhouse facili-ties are entirely underground in a cavern at a depth ofabout 175 m below ground level in the right-hand slope ofthe valley, near the right-hand abutment of the planneddam (Figure 4).

The project area lies in the Stubai and the neighbour-ing Ötztal Alps, which can both be tectonically cate-gorised as part of the Mittelostalpinen Altkristallin (mid-dle-east Alpine old crystalline). This mostly consists ofgreenschist to amphibolite facies rocks (mica schist toparagneisses) with inclusions of orthogneisses and someamphibolites. Grey biotite-plagioklase gneisses, whichoriginated from massive greywacke and slate series, formthe main part of the rock mass. They merge into micaschist containing garnet, staurolite and cyanite and arelaced with amphibolites, eclogites and granite gneisses.

In the area of the cavern and the Längental explo-ration tunnel, the rock mass consists of banded gneiss as avariety of the grey biotite-plagioklase gneiss, which is tex-turally characterised by a typical layered orientation of theminerals and shows marked banding. Leucosomes (lightbands) are rich in quartz and felspar. In contrast to thenormal biotite-plagioklase gneiss, there are hardly any mi-ca inclusions in the banded gneiss.

The main investigation measure for the power stationcavern and the underground structures in the immediatevicinity was the 735 m long Längental exploration tunnel,which runs along the axis of the planned drainage tunnelof the cavern. At the end of the tunnel, three probe nicheswere excavated, from which altogether 13 core drillingswere sunk with a total length of 1,095 m. Two right-angled

lichen Kraftwerksgruppe Sellrain-Silz vor. Mit einem wei-teren Speicher mit Beileitungen aus dem mittleren, öst -lichen Ötztal und dem hinteren Stubaital erfolgt einedeutliche Ausweitung der bisherigen Nutzung der Wasser-kräfte im Projektgebiet und eine verbesserte betrieblicheNutzung der bestehenden Anlagen. Zentrale Merkmaledes Speicherkraftwerks Kühtai sind der Speicher Kühtaiim 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 Jah-resspeicher Finstertal verbindende Kraftwerk Kühtai 2(Kaverne) mit einer Ausbauleistung von 130 MW sowie einBeileitungssystem von 25,5 km Länge aus dem hinterenStubaital bis zum Speicher Kühtai.

Die Errichtung des Kraftwerks Kühtai 2 erfolgt durchAnlage eines eigenen Triebwasserwegs zwischen den Spei-chern Finstertal und Kühtai. Die gänzlich unterirdisch ineiner Kaverne angeordnete Krafthausanlage befindet sichin einer Tiefe von rd. 175 m unter Gelände im rechten Tal-hang, und zwar im Bereich des rechtsufrigen Widerlagersdes künftigen Staudamms (Bild 4).

Das Projektgebiet liegt in den Stubaier und den an-grenzenden Ötztaler Alpen, die beide tektonisch dem Mit-telostalpinen Altkristallin zugerechnet werden. Dieses be-steht großteils aus grünschiefer- bis amphibolitfaziellenGesteinen (Glimmerschiefer bis Paragneisen) mit Ein-schaltungen von Orthogneisen und gelegentlichen Amphi-boliten. Die grauen Biotit-Plagioklasgneise, die aus mäch-tigen Grauwacken- und Tonschieferserien hervorgingen,bilden die Hauptmasse der Gesteine. Sie gehen in Granat-, Staurolith- und Disthen-führende Glimmerschiefer überund sind mit Amphiboliten, Eklogiten und Granitgneisendurchsetzt.

Im Bereich der Kaverne und des Sondierstollens Län-gental besteht das Gebirge aus Bändergneis als Varietätdes grauen Biotit-Plagioklasgneises, der sich texturelldurch typische lagenweise Einregelung der Minerale aus-zeichnet und eine markante Bänderung aufweist. Leuko-some (helle Bänder) sind reich an Quarz und Feldspat. ImUnterschied zum normalen Biotot-Plagioklasgneis fehlenim Bändergneis glimmerreiche Einschaltungen fast voll-ständig.

Als Haupterkundungsmaßnahme für die Kraftwerks-kaverne und die unmittelbar daran angrenzenden untertä-gigen Bauwerke wurde der 735 m lange SondierstollenLängental entlang der Achse des geplanten Entwässe-rungsstollens der Kaverne aufgefahren. Am Ende des Stol-

Bild 4. Übersicht Kraftwerk Kühtai 2mit Triebwasserweg, SondierstollenLängental und näheren Erkundungs -bereichFig. 4. Overview of the Kühtai 2 powerstation with headrace, Längental explo-ration tunnel and nearby investigationarea



stub headings were then excavated one above the other forthe installation of the radial press. In order to determinethe mechanical, structural and hydraulic rock properties,43 dilatometer tests, 7 hydro-fracturing tests (HF), 15 hy-draulic packer tests (HPT) and 13 optical borehole scans(OBI) were carried out in the probe drillings. Rock me-chanical laboratory investigations of the cores supple-mented the extent of the investigations (e.g. 39 unconfinedcompression tests, 18 tensile splitting tests and 16 singleand multi-stage triaxial tests). All probe drillings and thetwo stub headings, in which the radial press was installedone after the other, lay entirely within the banded gneiss.

In stub heading I, the foliation mostly dips with medi-um steepness S to SW in the direction of advance, but isaffected by folding in places. Fault surfaces are orientedsteeply and flat and strike almost parallel to the heading.In stub heading II, the foliation surfaces dip steeply tomedium steeply to S and strike at an acute angle to theheading axis. Dominant, steep to medium steep joint setsstrike both almost at right angles and parallel to the head-ing.

5.1 Implementation and results of the radial press tests

The radial press tests carried out in the Längental explo-ration tunnel can generally be categorised into two types:− Firstly, systematic short-term tests were carried out at

various pressure levels, with the pressure pads beingpressurised in altogether five stages from 10 to 50 bar.The pad pressure was kept constant for 12 hours at eachstage and then lowered to 1 bar for one hour. For eachpressure stage, the radial displacements of the rock massand the pad pressure were measured and recorded forthe duration of the relevant test.

− Secondly, after these staged pressure tests, a long-termtest at 50 bar pad pressure for 14 days was carried out todetermine the creep behaviour of the rock mass.

From these loading and unloading cycles, the relevant Eand V moduli were determined for each measurement de-vice. In the arrangement of sensors used, altogether 28 ra-dial displacements were simultaneously measured for eachpressure stage in the immediate area affected by the radialpress at the main measurement profiles C, D and E, fromwhich 28 E moduli and 12 V moduli could be calculated.The transducers uniformly distributed around the perime-ter of the radial press provide a very good impression ofthe anisotropic rock behaviour, particularly in the centralprofiles D and E. The rock mass deformations in stubheading I were mainly influenced by the jointing and fault-ing surfaces, which strike almost parallel to the stub head-ing, i.e. also the axis of the radial press. In stub heading IIon the other hand, the rock mass deformations were main-ly due to the foliation surfaces running steeply and acute-ly to the heading. Both stub headings show pronouncedanisotropic behaviour.

The rock mass displacements measured using the ra-dial press in the Längental exploration tunnel show over-all pronounced directional dependency, which is essential-ly due to the predominant geological structure elements.As with the deformations, the E and V moduli determinedfrom them show a corresponding variation in direction

lens wurden drei Sondiernischen ausgebrochen, von de-nen aus insgesamt 13 Kernbohrungen mit einer Gesamt-länge von 1.095 m abgeteuft und zwei orthogonal aufei-nander stehender Stichstollen für den Einbau der Radial-presse ausgebrochen wurden. Zur Ermittlung der felsme-chanischen, strukturellen und hydraulischenGebirgseigenschaften wurden in den Erkundungsbohrun-gen 43 Dilatometerversuche (DV), 7 Hydrofractioning-Versuche (HF), 15 Wasserabpressversuche (WAP) und 13optische Bohrlochscans (OBI) durchgeführt. Felsmechani-sche Laboruntersuchungen an den gewonnenen Bohrker-nen ergänzten den Untersuchungsumfang (z. B. 39 ein-axiale Druckversuche, 18 Spaltzugversuche sowie 16 ein-und mehrstufige Triaxialversuche). Sämtliche Erkun-dungsbohrungen sowie die beiden Stichstollen, in denendie Radialpresse nacheinander eingebaut wurde, kamendurchwegs im Bändergneis zu liegen.

Im Stichstollen I fällt die Schieferung bevorzugt mit-telsteil nach S bis SW in Vortriebsrichtung ein, ist jedochbereichsweise durch Verfaltung verstellt. Störungsflächensind sowohl steil als auch flach orientiert und streichenannähern parallel zum Stollen. Im Sondierstollen II fallendie Schieferungsflächen steil bis mittelsteil nach S undstreichen spitzwinklig zur Stollenachse. Dominante, steilebis mittelsteile Kluftflächen streichen sowohl annähernnormal als auch parallel zur Stollenachse.

5.1 Durchführung und Ergebnisse der Radialpressenversuche

Die im Sondierstollen Längental durchgeführten Radial-pressenversuche lassen sich grundsätzlich in zwei ver-schiedene Versuchstypen gliedern:− Zunächst wurden systematische Kurzzeitversuche mit

verschiedenen Druckstufen durchgeführt, wobei der Kis-sendruck in insgesamt fünf Druckstufen von 10 auf 50bar erhöht wurde. Der Kissendruck wurde bei jederDruckstufe für 12 Stunden konstant gehalten und imAnschluss daran für eine Stunde bis auf 1 bar Halte-druck wieder entlastet. Für jede Druckstufe wurden dieradialen Gebirgsverformungen und der Kissendrucküber die jeweilige Versuchsdauer gemessen und aufge-zeichnet.

− Nach diesen Druckstufen-Versuchen wurde zur Bestim-mung des Kriechverhaltens des Gebirges je ein Lang-zeitversuch bei 50 bar Kissendruck für die Dauer von14 Tagen durchgeführt.

Aus den jeweiligen Be- und Entlastungszyklen wurden fürjede Messrichtung die zugehörigen E- und V-Moduli unterBerücksichtigung der (Langzeit)Kriechverformung ermit-telt. In der vorliegenden Konstellation der Sensoren wur-den im unmittelbaren Einflussbereich der Radialpresse fürjede Druckstufe insgesamt 28 radiale Verformungen inden Hauptmessprofilen C, D und E zeitgleich gemessenaus denen sich 28 E- und 12 V-Moduli bestimmen ließen.Die entlang des Umfangs der Radialpresse gleichmäßigverteilten Wegsensoren geben insbesondere in den zentra-len Messprofilen D und E einen sehr guten Eindruck desanisotropen Gebirgsverhaltens. Die Gebirgsdeformatio-nen im Stichstollen I werden vorwiegend von den Kluft-und Störungsflächen die annähernd parallel zum Stich-stollen bzw. zur Achse der Radialpresse streichen kontrol-



and magnitude. The radial displacements measured instub headings I and II range between 0 and 1.2 mm underpad pressures of up to 50 bar. The derived E (Young’s)moduli lie between 4,000 and 95,000 MPa, and the Vmoduli vary between 2,000 and 75,000 MPa. As an exam-ple for all the measured data, typical working curves areshown as pressure-displacement graphs for stub headingsI and II in Figure 5.

If the results of the radial press tests are comparedwith those of the borehole (dilatometer tests, ∅ 101 mm)and laboratory tests (unconfined compression tests oncores ∅ 80 mm), significant differences in magnitude andvariation may be seen, as was to be expected (see also barchart in Figure 6, in which the values from stub headingII are not shown for improved readability). The averagevalues of the E and V moduli determined in the laborato-ry are between 58,000 and 42,000 MPa, although the vari-ation is con siderable. The wide spread of measured val-ues is on the one hand due to the small sample volume ofthe cores (∅ 80 mm, L 160 mm). On the other hand, therock samples are also greatly affected by internal struc-tural elements (foliation, micro-folding) and local faults.

liert. Im Stichstollen II hingegen können die Gebirgs -deformationen vorwiegend auf die steil und spitzwinkligzum Stollen verlaufenden Schieferungsflächen zurückge-führt werden. Beide Stichstollen weisen ein ausgeprägtanisotropes Verformungsverhalten auf.

Die mit Hilfe der Radialpresse im Sondierstollen Län-gental gemessenen Gebirgsdeformationen weisen allesamtausgeprägte Richtungsabhängigkeiten auf, die im Wesent-lichen auf die vorherrschenden geologischen Strukturele-mente zurückgeführt werden können. Ähnlich den Verfor-mungen weisen auch die daraus ermittelten E- bzw. V-Mo-duli eine entsprechende Varianz in Richtung und Größeauf. Die in den Stichstollen I und II gemessenen Radial-verformungen bewegen sich bei Kissendrücken bis zu50 bar zwischen 0 und 1,2 mm. Die daraus abgeleiteten E-Moduli liegen zwischen 4.000 und 95.000 MPa, die V-Mo-duli schwanken zwischen 2.000 und 75.000 MPa. Stellver-tretend für die Gesamtheit aller Messwertpaare sind inBild 5 für den Stichstollen I und II typische Arbeitslinienim Druck-Verschiebungsdiagramm dargestellt.

Vergleicht man die Ergebnisse der Radialpressenver-suche mit jenen der durchgeführten Bohrloch- (Dilatome-terversuche, ∅ 101 mm) und Laborversuche (einaxialeDruckversuche an Bohrkernen ∅ 80 mm), so zeigt sich er-wartungsgemäß eine deutliche Differenzierung in Größeund Varianz (s. a. Histogramm in Bild 6, in dem zur besse-ren Übersicht die Messwerte aus Stichstollen II nicht dar-gestellt sind). Die Mittelwerte der in den Laborversuchengemessenen E- und V-Moduli (Gesteinskennwerte) bewe-gen sich zwischen 58.000 und 42.000 MPa, wobei eine er-hebliche Varianz zu verzeichnen war. Die große Streuungder Messwerte ist einerseits auf das kleine Probenvolumender Probekörper (∅ 80 mm, L 160 mm) zurückzuführen.Andererseits reagieren die Gesteinsproben sehr empfind-lich auf eingeprägte Strukturelemente (Schieferung, Mi-krofältelung) und lokale Störungen.

Die Mittelwerte der Dilatometerversuche hingegensind deutlich geringer und liegen für den E- bzw. V-Modulbei 16.000 und 8.300 MPa. Es kann eine geringere Streu-breite als bei den Laborversuchen beobachtet werden, washauptsächlich auf das größere effektive Probenvolumenzurückzuführen ist. Die geologischen Mikrostrukturenüben hier offensichtlich einen geringeren Einfluss auf dieMessergebnisse aus.

Die in den Radialpressenversuchen gemessenen Mo-duli (Gebirgskennwerte) sind am geringsten und weisen ei-ne ähnliche Streubreite wie bei den Dilatometerversuchenauf. Die Mittelwerte der E-/V-Moduli betragen im Stich-stollen I 11.000/6.400 MPa und im Stichstollen II 29.000/22.000 MPa. Die Werte sind primär von der Orientierungder Schieferung bzw. des Trennflächengefüges am Einbau-ort der Radialpresse abhängig.

Sämtliche Versuche und Messungen wurden in ähn -lichem Gestein (Bändergneis) innerhalb eines kleinen undabgegrenzten Untersuchungsraums in relativer großerZahl durchgeführt, weshalb ein direkter Vergleich der Er-gebnisse in erster Näherung zulässig ist. Bei systemati-scher Analyse aller zuvor erwähnten Versuche zeigt sicherwartungsgemäß eine Abhängigkeit der Kennwerte vonder Richtung der Schieferung und vom Zerlegungsgrad,die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nichtdargestellt ist.

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



The average values from the dilatometer tests are, incontrast, much lower and deliver E and V modulus valuesof 16,000 and 8,300 MPa respectively. A narrower spreadis observed compared to the laboratory tests, which ismainly due to the larger effective sample size. The geolog-ical microstructures obviously have less effect on the mea-sured data in this case.

The moduli (rock characteristics) determined in theradial press tests are the lowest and show a similar spreadto the dilatometer tests. The average values of the E/Vmoduli are 11,000/6,400 MPa in stub heading I and29,000/22,000 MPa in stub heading II. The values are pri-marily dependent on the orientation of the foliation or thestructure of the jointing at the site of the radial press in-stallation.

All tests and measurements were carried out in rela-tively large numbers in similar rock (banded gneiss) insidea small and bounded investigation area, so a direct com-parison of the results is acceptable as a first approxima-tion. A systematic analysis of the tests mentioned aboveshows, as expected, a dependency of the characteristics onthe direction of the foliation and degree of fracturing,which is however not shown here for reasons of clarity.

Dr. Frank EiblTiroler Wasserkraft AGEduard-Wallnöfer-Platz 26020 [email protected]

Dr. Markus MährInternationale RheinregulierungParkstraße 129430 St. [email protected]

References

[1] Lauffer, H., Seeber, G.: Die Messung der Felsnachgiebigkeitmit der Tiwag-Radialpresse und ihre Kontrolle durch Deh-nungsmessungen an der Druckschachtpanzerung des Kau-nertalkraftwerks. Sitzungsbericht 1. Kongress der Intern. Ge-sellschaft für Felsmechanik, Lissabon 1966.

[2] Tiwag: Tiwag-Betriebszeitungen. Tiroler WasserkraftwerkeA.G., Innsbruck, 1957–1968.

[3] N.N.: Das Kaunertalkraftwerk. Beiträge zur Technikge-schichte Tirols, Wagnersche Univ.-Buchhandlung, Innsbruck1984.

[4] Seeber, G.: Druckstollen und Druckschächte. Stuttgart: En-ke, 1999.

[5] Geoconsult AG: Baugeologischer und HydrogeologischerSchlussbericht – Sondierstollen Längental. 2010.

[6] Geoconsult AG: Erkundungsbericht Sondierstollen Län-gental. 2011.

[7] Vögele, D.: Instandsetzung der TIWAG-Radialpresse, Ba-chelorarbeit 2, Innsbruck 30.05.2011.

Dominik Vögele, BScTiroler Wasserkraft AGEduard-Wallnöfer-Platz 26020 [email protected]

Fig. 6. Frequency distribution of the E and Vmoduli according to test method and samplevolume; dashed lines show the indicative frequency distributionBild 6. Häufigkeitsverteilung E- und V-Modulinach Versuchsmethode und Probenvolumen;gestrichelte Linien zeigen die indikative Häufigkeitsverteilungen

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Recent developments show that special measures like pipe um-brellas are being used more often in continuous tunnelling, andalready have to be planned during the design phase. The AT -Casing System, already in successful use for some decades insequential tunnelling and in geotechnical engineering, has re-cently seen increasing use in TBM tunnelling. According to thetype of pipe used, the system can be used to support the sur-rounding ground, for grouting measures or for drainage. An ex-ample calculation is intended to demonstrate the potential of ad-vance support over a fault zone and point out some possible opti-misations of the load-bearing capacity. Finally, the system is pre-sented through the example of the New Kaiser Wilhelm Tunnel inGermany. On this project, the AT - Pipe Umbrella System wascombined with the AT - GRP Injection System in order to gain theadvantages of both.

1 Introduction

Tunnelling conditions are often improved using additionalmeasures, both in sequential and in continuous tun-nelling. This enables sections of tunnels, which under nor-mal conditions would be impossible or only possible withgreat difficulties, to be driven in a controlled manner. TheAT - Casing System is an additional measure, which is flex-ible enough for use under difficult conditions with eithertunnelling method. The system copes with advance struc-tural support of the ground, advance, temporary or perma-nent drainage and also ground improvement by injectingcement suspension, foams or resins.

2 AT - Casing System

The AT casing system was originally developed for ad-vance support in sequential tunnelling to create a pipeumbrella in difficult ground conditions (UCS < 1 MPa). Inthis application, the pipe umbrella supports the groundagainst rockfalls in the heading of the tunnel. One pre-condition in the development of the AT - Pipe Umbrellasystem was that installation should be possible by normaltunnel crew with machinery available on site. This featurehas enabled pipe umbrellas, which at that time were re-garded as special measures, to be used more often as a reg-ular support measure.

All AT - Casing System essentially consist of the samecomponents (Figure 1):

Die letzten Entwicklungen zeigen, dass Sondermaßnahmen wieRohrschirme im kontinuierlichen Vortrieb häufiger eingesetztwerden und bereits im Planungsstadium berücksichtigt werden.Das AT - Hüllrohrsystem wird bereits seit einigen Jahrzehnten imzyklischen Vortrieb und in der Geotechnik erfolgreich eingesetztund in letzter Zeit auch vermehrt in Verbindung mit TVM. Je nacheingesetztem Rohrtyp kann es zum Stützen des Baugrunds, für In-jektionsmaßnahmen oder für Dränagearbeiten eingesetzt wer-den. Ein Rechenbeispiel soll das Potenzial einer vorrauseilendenStützung über eine Störungszone veranschaulichen und möglicheOptimierungen der Tragkraft aufzeigen. Zum Abschluss wird nochanhand des Projektbeispiels Neuer Kaiser Wilhelm Tunnel(Deutschland) eine exemplarische Anwendung dieses Systemserläutert. Bei diesem Projekt wurde das AT - Rohrschirmsystemmit dem AT - GFK-Injektionssystem kombiniert, um die jeweiligenVorteile zu nutzen.

1 Einleitung

Die Vortriebsbedingungen werden sowohl im zyklischenals auch im kontinuierlichen Tunnelbau regelmäßig durchden Einsatz von Zusatzmaßnahmen verbessert. Dadurchkönnen Tunnelbereiche, die unter normalen Vortriebsbe-dingungen nicht oder nur unter großen Erschwernissen zudurchörtern sind, kontrolliert aufgefahren werden. Das AT - Hüllrohrsystem gehört zu den Zusatzmaßnahmen,die aufgrund ihrer Flexibilität in beiden Vortriebsmetho-den unter schwierigen Bedingungen eingesetzt werdenkönnen. Dieses System erlaubt sowohl die vorrauseilendestatische Stützung des Gebirges, vorrauseilende, baube-gleitende oder permanente Dränagen und auch die Ver-besserung des Baugrunds durch Injektionen mit Zement-suspensionen, Schäumen oder Harzen.

2 AT - Hüllrohrsystem

Das AT - Hüllrohrsystem wurde speziell für die vorrausei-lende Sicherung im zyklischen Tunnelbau als so genann-ter Rohrschirm in schlechten Baugrundverhältnissen(UCS < 1 MPa) entwickelt. Bei dieser Anwendung stütztder Rohrschirm den Baugrund im unmittelbaren Vor-triebsbereich gegen Nachbrüche. Eine Voraussetzung beider Entwicklung des AT - Rohrschirmsystems war, dass dieInstallation mit der normalen Vortriebsmannschaft undden auf der Baustelle vorhanden Baustellengeräten bewäl-tigt werden muss. Erst durch diese Möglichkeit wurden

Topics

The AT - Casing System

Das AT - Hüllrohrsystem

DOI: 10.1002/geot.201200006Günther M. VolkmannMarco ReithThomas Berner


G. M. Volkmann/M. Reith/Th. Berner · 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 neces-sary for force transfer during installation, can be with-drawn after drilling and be reused. The casing pipes re-main in the ground after drilling and are ready for use.

The usual drilling depths with this system are up to18 m, although the drilling of holes up to 30 m is possible.The maximum achievable depth does, however, always de-pend on the properties of the surrounding rock. For exam-ple, very abrasive rock can increase the wear on the drillbit and reduce the practical drilling depth.

2.1 Installation

In continuous tunnelling, additional measures like casingsystems were very seldom planned from the start of pro-jects for many years. This meant, for example, that the drillhammer on the available booms had to be adapted beforeinstallation could start. The boom length did not corre-spond to those used in continuous tunnelling, so thelength of the pipe sections had to be adapted and in somecases reduced to only 1 m. Recent developments, however,show an increased acceptance of pipe umbrellas in con-tinuous tunnelling. When required by the conditions ofthe project, special measures like pipe umbrellas are al-ready being taken into account during the design phase.This means that the machinery provided is already suit-able for the expected drilling work and the pipes can be in-stalled in standard lengths of 3 m, which accelerates in-stallation because the manipulation time can be reduced.

The holes are drilled with rotary hydraulic percus-sion, either through drilling channels in the shield or cut-ting wheel or also behind the cutterhead of open TBMs.Because of the size of the drilling channels, smaller pipedimensions are typical in mechanised tunnelling, 76 or89 mm, or in some cases 114 mm. The drilling of the holescan sometimes deviate in direction. One investigation [1]showed an average deviation of about ± 1 % from the the-oretical location. Observations during excavation, how -ever, show that the pipes are very often almost exactly inthe planned position.

The self-drilling installation of the AT - Casing Systemoffers the following advantages:– This type of installation can also succeed in ground

where the bore hole walls are unstable.

Rohrschirme, die zu diesem Zeitpunkt noch als Sonder-maßnahme galten, immer öfter auch als Regelstützmitteleingesetzt.

Alle AT - Hüllrohrsystem Typen bestehen im Wesent-lichen aus denselben Komponenten (Bild 1): – Startereinheit mit einer verlorenen Bohrkrone, – Verlängerungsrohre,– Endrohr.

Der Bohrkronenadapter und das Bohrgestänge, die für dieKraftübertragung bei der Installation notwendig sind, kön-nen nach dem Einbohren wieder gewonnen und weitereingesetzt werden. Die verwendeten Rohre verbleibennach dem Einbohren im Baugrund und sind zur Verwen-dung bereit.

Übliche Einbohrtiefen für dieses System reichen bis18 m; doch es können auch Einbohrtiefen bis 30 m reali-siert werden. Die maximal erreichbare Bohrtiefe ist jedochimmer von den Eigenschaften des anstehenden Gesteinsabhängig. Zum Beispiel kann sehr abrasives Gestein dieBohrkronenabnutzung erhöhen und dadurch die maximalerreichbare Bohrtiefe reduzieren.

2.1 Installation

Im kontinuierlichen Tunnelbau waren zusätzliche Maß-nahmen wie Hüllrohrsysteme über lange Zeit nur in denwenigsten Fällen von Projektbeginn an geplant. Deshalbmussten zum Beispiel Bohrhämmer von vorhandenen La-fetten adaptiert werden, bevor mit der Installation begon-nen werden konnte. Die Länge der Lafetten entsprachauch nicht jenen, die im zyklischen Vortrieb üblich waren,weshalb die Längen der eingebauten Rohrschüsse ange-passt und teilweise bis auf 1 m reduziert wurden. LetzteEntwicklungen zeigen allerdings eine weitaus höhere A kzeptanz von Rohrschirmen im kontinuierlichen Tun-nelvortrieb. Wenn es die Projektbedingungen erfordern,werden Sondermaßnahmen wie Rohrschirme schon inder Planung berücksichtigt. Dadurch sind die vorhande-nen Gerätschaften auf die zu erwartenden Bohrarbeitenausgelegt, und der Einbau der Rohre kann mit Standard-längen von 3 m erfolgen. Dies beschleunigt die Installati-on, weil die Manipulationszeiten gesenkt werden können.

Die Bohrungen werden drehschlagend entweder überBohrgassen im Schild oder Schneidrad oder bei offenenTVM auch hinter dem Schneidrad eingebohrt. Aufgrundder Größe der Bohrgassen werden im maschinellen Vor-trieb üblicherweise kleinere Rohrdimensionen mit einemAußendurchmesser von 76 oder 89 mm ggf. auch 114 mmeingesetzt. Beim Einbohren der Rohre kann es zu Abwei-chungen in der Bohrrichtung kommen. Eine Untersu-chung ergab im Mittel eine Abweichung von der theoreti-schen Lage um ± 1 % [1]. Beobachtungen beim Ausbruchzeigen allerdings, dass die Rohre sehr oft nahezu in dieplanmäßige Position eingebohrt werden.

Die selbstbohrende Einbringung des AT - Hüllrohrsys-tem bietet folgende Vorteile:– Diese Art der Installation ist in Baugrund mit nicht sta-

bilen Bohrlochwandungen erfolgreich.– Im verformungsfreudigen Baugrund werden die Setzun-

gen und Gebirgsentspannungen minimiert, da die Bohr-lochwandung durch die Rohre gestützt wird [2].

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



– In ground susceptible to deformation, settlements andground relaxation are minimised because the bore holewalls are supported by the pipe [2].

– The firm connection of pipes and starter unit minimisesdirectional deviation during drilling.

– Self-drilling installation saves time because there arefewer 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, whichare mainly used for their structural strength. Loads fromoverloaded or loose zones in the ground are transferredalong the pipes to less loaded or more competent zones[3]. In sequential tunnelling, this system is used as an addi-tional support system for tunnelling through fault zones,fluvial deposits or slope debris. In continuous tunnelling,fault zones of limited length can be supported and thepossible overbreak volume limited.

The targeted injection of grout into the fault zonethrough the installed pipes enables the improvement ofground properties of the faulted rock or also precisely locat-ed waterproofing measures with double packer technology.

Sizes AT - 89, AT - 114 and AT - 139 are used most of-ten with the AT pipe umbrella system, but sizes AT - 76 and AT - 168 are also available. The latter is usually supplied in2 m section lengths due to the weight.

In the AT – GRP Injection System, the extensionpipes consist of glass fibre-reinforced plastics. This en-ables the system to be used for grouting work in front ofthe cutterhead of a TBM, as the GRP pipes, in contrast tosteel, can be cut through and by the cutterhead and bemugged. They are also used as the end pipes of groutedcanopies of steel pipes installed through drilling channelsin the shield. This saves the removal of the steel pipes, be-cause the GRP pipes do not obstruct the next stroke. The AT – GRP Injection System is intended simply for the in-jection of grout without providing any structural strengthalong the pipes, since the connections between the indi-vidual sections cannot ensure the transfer of forces. Ashas already been described for the AT - Pipe UmbrellaSystem, any grout can be used with the AT - GRP Injec-tion System.

The grouting system is generally installed with an ex-ternal diameter of 76 mm (AT - 76/GFK), which providessufficient space inside for the intended grouting.

The AT - Drainage System consists of an internal steelpipe surrounded by a PVC drainage pipe. This system alsohas no structural strength and is used in tunnelling and ingeotechnical engineering to drain the ground. The possi-ble applications of the system range from jointed rockmass to soft ground. The system can be used temporarily,for example during the driving of a tunnel, or permanent-ly, for example to drain a waterlogged slope.

In mechanised tunnelling, this system can be usedahead of or parallel to the excavation, and can be appliedto reduce water pressure in fault zones before drivingthrough. The water can drain under gravity in most casesbut a combination with vacuum pumps is also possible.

– Die stabile Lage der fest mit der Startereinheit verbun-denen Rohre minimiert die Richtungs-Abweichungenbeim Bohren.

– Durch das selbstbohrende Versetzen des Bohrstrangswird Zeit gespart, da Arbeitsschritte entfallen.

2.2 Rohrtypen

Beim AT - Hüllrohrsystem gibt es drei verschiedene Rohr-typen die je nach erforderlicher Funktion gewählt werdenkönnen (Bild 2).

Das AT - Rohrschirmsystem besteht aus Stahlrohren,die primär wegen der statischen Tragwirkung eingesetztwerden. Dabei werden Lasten von überbeanspruchtenoder losen Gebirgsbereichen in Rohrlängsrichtung in we-niger beanspruchte oder kompetentere Gebirgsbereicheumgelagert [3]. Im zyklischen Tunnelbau wird dieses Sys-tem als zusätzliches Stützsystem bei der Durchörterungvon Störungszonen, fluvialen Ablagerungen und Hang-schutt verwendet. Im kontinuierlichen Tunnelbau könnenin der Längserstreckung begrenzte Störungszonen ge-stützt werden und das mögliche Nachbruchvolumen limi-tiert werden.

Durch den gezielten Eintrag von Injektionsstoffendurch die versetzten Rohrschirmrohre in den Störungsbe-reich können die Eigenschaften des Störungsmaterials ver-bessert werden oder auch Abdichtungsmaßnahmen lage-genau mit Doppelpackertechnik vorgenommen werden.

Die Dimensionen AT - 89, AT - 114 und AT - 139 wer-den beim AT – Rohrschirmsystem am häufigsten verwen-det. Daneben gibt es noch die Dimensionen AT - 76 undAT - 168. Die Letztere wird aufgrund des Gewichtes übli-cherweise nur noch mit Rohrschüssen von 2 m eingebaut.

Beim AT - GFK-Injektionssystem bestehen die Verlän-gerungsrohre aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Des-halb kann dieses System vor dem Schneidrad einer TVMfür Injektionsmaßnahmen eingesetzt werden, da die GFK-Rohre im Gegensatz zu den Stahlrohren vom Schneidradeiner TVM zerkleinert und geschuttert werden können.Sie kommen auch als Endrohre von durch Bohrgassen imSchild versetzte Injektionsschirme aus Stahlrohren zumEinsatz. 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 - Injek-tionssystem (von links nach rechts)Fig. 2. The three types of the AT - Casing System; the AT - Pipe Umbrella System, the AT -Drainage System andthe AT - GRP-Injection System (from left to right)



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 widthof the drainage slots in the PVC pipes can be altered from0.5 to 1.5 mm.

According to the reasonable requirements on an indi-vidual project, it can be reasonable to combine the sys-tems with each other, with the various types of pipes nor-mally being installed in separated drillings. It is also, how-ever, possible and reasonable in some special cases tocombine different pipe types in one installation.

2.3 Flushing system

Flushing water is pumped through the drill steel to thedrill bit. The collected cuttings are flushed into the insideof the extension pipe and transported out of the hole (Fig-ure 3). This enables the gap between ground and exten-sion pipe to be kept small with the associated advantagesof directional stability and drilling speed. In soft ground,this also minimises any settlement and the negative effectof the flushing water on the ground properties.

2.4 Drill bits and starter units

The drill bits are very important for the drilling speed andtherefore have to be suitable for the properties of the sur-rounding ground. One special case is loose or flowingground. Under these conditions, the backflow of the mate-rial has to be controlled. This requires a special version ofthe starter unit, in which the backflow does not flow intothe pipe directly behind the drill bit but under control atthe back of the starter unit.

Groundwater under pressure can lead to seriousproblems when extending the pipe with a normal starterunit, as the installed length can act as a drainage pipe andthe groundwater can pour out of the pipe into the TBM

system, das keine statische Tragfähigkeit in Längsrichtungaufweist, da die Verbindungen der Einzelrohre die erfor-derliche Kraftübertragung nicht gewährleisten. Wie beimvorher beschriebenen AT - Rohrschirmsystem könnenauch beim AT - GFK-Injektionssystem alle Injektionsme-dien eingesetzt werden.

Das Injektionssystem wird generell mit einem Außen-durchmesser von 76 mm (AT - 76/GFK) versetzt. Somitbietet der Innenraum genügend Platz, um die gewünsch-ten Injektionsarbeiten auszuführen.

Das AT - Drainagesystem besteht aus einem innenlie-genden Stahlrohr, das von einem PVC-Drainagerohr um-hüllt wird. Dieses System hat ebenfalls keine statischeTragfähigkeit und wird sowohl im Tunnelbau als auch inder Geotechnik zur Entwässerung des Baugrunds einge-setzt. Der Einsatzbereich des Systems geht dabei von klüf-tigem Gebirge bis hin zu weichem Baugrund. Der Einsatzdes Systems kann sowohl temporär, z.B. vortriebsbeglei-tend im Tunnelbau, oder stationär, z.B. bei der Entwässe-rung eines durchnässten Hangs, sein.

Beim maschinellen Vortrieb wird dieses System alsvorrauseilende oder baubegleitende Maßnahme einge-setzt. Es kann allerdings auch gezielt zum Abbau des Was-serdrucks in Störungszonen vor dem Durchörtern einge-setzt werden. Dabei kann die Dränage wie in den meistenFällen gravitativ erfolgen, aber auch in Kombination mitVakuumpumen durchgeführt werden.

Bei den Drainagerohren kann zwischen zwei Di -mensionen gewählt werden: Außendurchmesser 76 mm(AT - 76/DR) oder 118 mm (AT - 118/DR). Damit es nichtzum Ausspülen von Material kommt, ist die Öffnungswei-te der Dränageschlitze in den PVC-Rohren von 0,5 bis1,5 mm veränderbar.

Je nach Projektanforderungen kann es sinnvoll sein,die verschiedenen Systeme miteinander zu kombinieren.Üblicherweise werden dabei verschiedenartige Rohrsträn-ge örtlich voneinander versetzt eingebaut. Es ist allerdingsin Sonderfällen auch möglich und sinnvoll, verschiedeneRohrtypen in einem Rohrstrang einzusetzen.

2.3 Spülsystem

Die Spülflüssigkeit wird durch das Bohrgestänge zur Bohr-krone gefördert. Das dort aufgenommene Bohrklein ge-langt noch an der Bohrkrone wieder ins Innere der Ver-längerungsrohre und wird auf diesem Weg aus dem Bohr-loch transportiert (Bild 3). Dadurch kann der Ringraumzwischen Baugrund und Verlängerungsrohr klein gehal-ten werden, was Vorteile für die Richtungsstabilität unddie Bohrgeschwindigkeit in sich birgt. Im weichen Bau-grund werden dadurch mögliche Setzungen und der nega-tive Einfluss des Spülwassers auf die Baugrundeigenschaf-ten minimiert.

2.4 Bohrkronen und Startereinheiten

Die Bohrkronen sind sehr entscheidend für den Bohrfort-schritt und müssen deshalb an die Eigenschaften des an-stehenden Baugrunds angepasst werden. Ein Sonderfallbesteht bei rolligem oder fließendem Gebirge. Unter die-sen Bedingungen muss der Rückstrom des Materials kon-trolliert abgeführt werden. Dies wird durch eine beson -

Bild 3. Einbohren eines Dränagerohrs mit innenliegenderSpülungFig. 3. Installation of a drainage pipe with backflow insidethe pipe



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

3 Calculation example

The following example is intended to provide an idea ofthe structural load-bearing capacity of a pipe umbrella inmechanised tunnelling. The purpose is to determine themaximum length, which can be bridged, to support a zoneof faulted rock.

The length of the zone to be bridged should be wellinvestigated with probe drillings. The maximum loadingfrom the ground can on the other hand only be estimatedwith difficulty. Assuming there is no arching effect in thelongitudinal direction, an area of the fault zone to be sta-bilised (height, width, length) is normally estimated. Thisload acts (uniformly distributed gravitational load) on thepipe umbrella support. In this example, supported heightsof 3 m and 6 m are considered in the calculation. For thecalculation of the loading, a pipe spacing of 40 cm and aspecific weight of 2.5 t/m3 are assumed.

The structural system for this calculation is shown inFigure 5 [4]. The bending curves and the bearing reactionsare calculated iteratively. In this calculation, the bearingreaction formulation of Oreste and Peila [5] is used, whichcan be applied for both the ground and the support. Forsimplification, a symmetrical system with stiff bearings isassumed in the example.

As a pipe umbrella cannot be assumed to provide anyload-bearing effect perpendicular to the tunnel axis, evenafter grouting, each pipe in the umbrella transfers loads in-dividually down to the bearing, so it is sufficient to calcu-late the load-bearing effect of one pipe. As there are vari-ous possibilities available for the selection of the pipes andconnections, three types of pipes are compared from nowon. As a pipe in an umbrella cannot be drilled in one piecefrom a TBM, (threaded) connections have to provide forcetransfer between the sections. The most commonly usedthreaded connections are simply cut into the ends of thepipe sections, called here Variant 1. Since this type of con-nection weakens the cross-sectional area and reduces theload-bearing capacity through notching [2], a stiffer andstronger connection has been developed, which is callednipple connection and is listed as Variant 2. Because onlyslight curvature of the umbrella pipes results from thesmall-scale load transfer processes in sequential tun-nelling, steel pipes of grade S355 are used and assumedhere for Variants 1 and 2. In contrast to this, when a faultzone has to be bridged over a larger span, larger displace-ments and curvatures can occur respectively. The use ofhigher grade (S700) steel pipes can therefore be appropri-ate. Also in this case, which is calculated as Variant 3, spe-cial connections are required as with Variant 2 in orderthat the increased loading can be transferred between theindividual pipe sections.

As can be seen from the results shown in Figure 5, thedifferences between the three variants are considerable.

dere Ausführung der Startereinheit ermöglicht, bei der dieRückspülung nicht direkt bei der Bohrkrone sondern imhinteren Bereich der Startereinheit kontrolliert ins Rohr-innere geführt wird.

Unter Druck anstehendes Bergwasser kann bei Ver-wendung einer normalen Startereinheit zu gravierendenProblemen beim Verlängern des Bohrstrangs führen, dader Rohrstrang wie eine Entwässerungsbohrung wirkenwürde und das Bergwasser ohne besondere Vorkehrungenunkontrolliert über das Rohr und den Ringraum ins Inne-re der TVM eindringen könnte. Solche Bohrungen wer-den normalerweise durch einen den Projektanforderun-gen angepassten Preventer ausgeführt (Bild 4). Damit dasVerlängern des Bohrstrangs reibungslos funktioniert undnicht durch Bergwasserzufluss behindert wird, muss es je-doch möglich sein, den gesamten Bohrstrang für den Zeit-raum des Verlängerns abzudichten, damit die Bohrung biszur geplanten Länge abgeteuft werden kann.

3 Berechnungsbeispiel

Das folgende Beispiel soll eine Vorstellung für die stati-sche Tragfähigkeit eines Rohrschirms im maschinellenVortrieb geben. Dabei ist es das Ziel, die maximal zu über-brückende Länge zum Sichern einer Zone mit Störungsge-stein zu ermitteln.

Die Länge der zu überbrückenden Zone ist durch Vo-rausbohrungen gut zu erkunden. Die maximale Belastungdurch den Baugrund hingegen ist meist nur schwierig ab-zuschätzen. Unter der Annahme, dass sich in Längsrich-tung keine Gewölbewirkung ausbildet, wird in der Regelein zu stabilisierender Bereich (Höhe, Breite, Länge) inder Störungszone abgeschätzt. Dieser wirkt dann als Be-lastung (gravitative Gleichlast) auf die Rohrschirmstüt-zung. In diesem Beispiel werden zu stützende Höhen von3 m beziehungsweise 6 m für die Berechnung herangezo-gen. Zur Berechnung der Belastungen wurden ein Rohr-achsabstand von 40 cm und eine spezifisches Gewicht von2,5 t/m3 angenommen.

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



The higher steel grade and the better connections deliverthe strongest combination, which can bridge over the mate-rial to be supported over a length of over 4 m with a heightof 3 m. This value could also be increased without great ex-tra expense by installing a second layer of umbrella. A fur-ther factor that has not yet been considered is the effect ofgrouting works to stabilise the ground, which could be in-stalled at the required location with the appropriate drillingpattern and could considerably improve both the load-bear-ing 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 acci-dent, a new second bore with eight connection structuresis being constructed parallel to the existing Kaiser-Wil-helm Tunnel, which was originally built between 1875 and1878 and opened on 15 May 1879.

The old tunnel passes through a spur – called theCochemer Krampen – which projects far to the east on theleft bank of the River Mosel between Cochem and Eller.The tunnel has a length of 4,205 m and a clear openingsection of about 50 m2. The maximum overburden is255 m. The new tunnel bore runs between the stations atCochem and Ediger-Eller, approximately parallel to theeast of the existing tunnel with an axis spacing of about26m. The tunnel length, measured from portal foot to por-tal foot is 4,242 m. A length of 4,183.6 m of the NewKaiser Wilhelm Tunnel is being driven underground usinga tunnel boring machine:– Segment internal diameter: 9.0 m,– Segment external diameter: 9.8 m,– Excavation diameter: 10.12 m.

Das statische System, das bei dieser Berechnung zu-grunde gelegt wird, ist in Bild 5 angegeben. Dieses Systemwurde in Volkmann und Schubert [4] vorgestellt. Dabeiwerden iterativ die Biegelinie und die daraus folgendenAuflagerreaktionen berechnet. In dieser Berechnung wer-den die Auflagerformulierungen von Oreste und Peila [5]verwendet, die sowohl für Baugrund als auch Ausbau an-gewendet werden können. Zur Vereinfachung wird in die-sem Beispiel ein symmetrisches System mit ident steifenAuflagern verwendet.

Da bei einem Rohrschirm auch nach erfolgter Injekti-on keine Tragwirkung normal zur Tunnelvortriebsachsegarantiert werden kann, trägt jedes Rohrschirmrohr ein-zeln die Lasten in Längsrichtung in die Auflager ab. Ausdiesem Grund reicht es aus, die Tragwirkung eines Rohrszu berechnen. Da es verschiedene Möglichkeiten für dieAuswahl der verwendeten Rohre und Verbindungen gibt,werden im Folgenden drei ausgewählte Rohr-Variantenverglichen. Da in einer TVM ein Rohrschirmrohr nicht ineinem Stück eingebohrt werden kann, müssen (Gewinde-)Verbindungen die Kraftübertragung zwischen den einzel-nen Rohrstücken gewährleisten. Die am häufigsten ver-wendeten Gewindeverbindungen werden einfach in dieEnden der Rohre geschnitten. Diese Verbindungsart stelltVariante 1 dar. Da bei dieser Verbindungsart die Quer-schnittsfläche geschwächt wird und zusätzliche Kerbstel-len die Tragwirkung verringern [2], wurden steifere undstärkere Verbindungsarten entwickelt. Diese so genannteNippelverbindung wird in Variante 2 berücksichtigt. Weilaus den kleinräumigen Lastumlagerungsprozessen beimzyklischen Vortrieb nur geringe Krümmungen der Rohr-schirmrohre resultieren, werden Stahlrohre der Güte S355verwendet und hier für Variante 1 und 2 angenommen. ImVergleich dazu können bei der weiträumigeren Stützungeiner zu überbrückenden Störungszone größere Verschie-bungsbeträge beziehungsweise Krümmungen auftreten.Deshalb kann die Verwendung von Rohren mit höhererStahlgüte (S700) sinnvoll sein. Auch für diesen Fall, der alsVariante 3 berechnet wird, sind spezielle Verbindungenwie bei Variante 2 notwendig, damit die erhöhten Traglas-ten zwischen den einzelnen Rohrstücken übertragen wer-den können.

Wie die in Bild 5 dargestellten Ergebnisse zeigen, sinddie Unterschiede zwischen den Ergebnissen der drei Vari-anten gravierend. Die höhere Stahlgüte und die besserenVerbindungen ergeben die stärkste Kombination, die bei3 m hohem, zu stützendem Material eine Länge von über4 m überspannen kann. Diese Werte können durch dasEinbringen eines zweiten Rohrschirmniveaus noch ohnegroßen Aufwand erhöht werden. Ein weiterer Faktor derhier noch nicht berücksichtigt wurde, ist die Wirkung vonbaugrundstabilisierenden Injektionsmaßnahmen, diedurch entsprechende Bohrraster gezielt an die richtigeStelle gesetzt werden und sowohl das Tragverhalten desRohrschirms als auch das des Baugrunds erheblich verbes-sern können.

4 Projektbeispiel Neuer Kaiser Wilhelm Tunnel

Parallel zum bestehenden Kaiser-Wilhelm-Tunnel, der inden Jahren 1875 bis 1878 erbaut und am 15. Mai 1879 inBetrieb genommen wurde, wird zur Verbesserung des mo-

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



The surrounding ground is part of the RheinischesSchiefergebirge, which mostly consists of Lower Devoniansedimentary beds (slate, fine sandstone). The project arealies on the northwest flank of the so-called Moselmulde,which has been highly affected tectonically with the stratabeing tipped over. The stratification is cut through by nu-merous faults parallel to the strata or the cleavage, whichare flat to steeply standing.

Because of the prevailing geological conditions, thetunnelling machine was planned to operate in two modesfor “open” or “closed” tunnelling, with most of the drive be-ing in rock and therefore in open mode without face sup-port. It was also specified in the contract that various aux-iliary measures or probing or underground improvementhad to be available.

During the tunnel drive, there were repeated rockfallsand failures of the face due to encountered small to exten-sive fault zones. At about TM 1050, there were rockfallsand failures of the face over many metres, so that variousmeasures for the overcoming of the fault zone had to bediscussed with the client straight away. According to a pro-posal by the contracting consortium NKWT, it was agreedthat the measures should include a pipe umbrella usingthe AT - Casing System with an external diameter of76 mm to strengthen the ground locally in the crown andimprove the load-bearing capacity. This was to be a com-bined pipe umbrella of GRP and steel pipes, as the GRPpipes were to be installed near the TBM shield to preventjamming of the machine.

This was done by drilling 17 m long pipes throughtwelve drilling channels in the crown of the TBM with anaverage spacing of 10° and an inclination of 10° into thesurrounding ground (Fig. 6). The holes were drilled fromthe drill carriage already mounted on the erector of theTBM.

Each hole contained a starter pipe with integrateddrill bit, three steel extension pipes each 3 m long, a spe-cial transition sleeve in the steel pipe for connecting theGRP pipes and three GRP pipes each 2 m long. The GRPpipes were installed particularly in the shield area, as itwas not possible to ensure the successful dismantling ofthe pipes above the shield skin in the drilling channel ofthe TBM. GRP pipes were accordingly provided at the endof each pipe length and the hole was drilled deep enoughto ensure that all steel parts of the pipe umbrella would beoutside the shield skin so the work of the TBM could becontinued without interruption after the installation of thepipe umbrella. As the connection of the steel pipes to theGRP pipes was solved by a simple steel push-in sleeve, theGRP pipes also had to be secured against unintendedpulling out when the drill rod was removed. After the pipeumbrella had been completely drilled, the pipes were fit-ted with manchette packers at the individual valves andgrouted with very fine cement grout.

5 Conclusions

In recent decades, numerous tunnels have been complet-ed successfully with the aid of pipe umbrella systems.Ever-improving investigation ahead of mechanised drivesdetects fault zones more efficiently and makes it possibleto plan and implement suitable measures to ensure safe

mentanen Sicherheitsniveaus im Katastrophenfall eineneue zweite Röhre mit acht Verbindungsbauwerken zumbestehenden Tunnel hergestellt.

Der alte Tunnel durchquert einen zwischen Cochemund Eller auf der linken Moselseite einen sich weit nachOsten hin vorschiebenden Gebirgsvorsprung – den so ge-nannten Cochemer Krampen – in einer Länge von4.205 m und einem lichten Querschnitt von ca. 50 m2. Diegrößte Überdeckung beträgt 255 m. Die neue Tunnelröhreverläuft zwischen den Bahnhöfen Cochem und Ediger-Eller etwa parallel zum bestehenden Tunnel in östlicherLage mit einem Achsabstand von etwa 26m. Die Tunnel-länge, gemessen von Portalfuß bis Portalfuß, beträgt4.242 m. Auf einer Länge von 4.183,6 m wird der NeueKaiser Wilhelm Tunnel bergmännisch unter Verwendungeiner Tunnelvortriebsmaschine aufgefahren:– Tübbinginnendurchmesser: 9,0 m,– Tübbingaußendurchmesser: 9,8 m,– Ausbruchsdurchmesser: 10,12 m.

Das anstehende Gebirge ist Teil des Rheinischen Schiefer-gebirges, das überwiegend aus unterdevonischen sedimen-tären Schichten (Tonschiefer, Feinsandsteine) aufgebautist. Das Projektgebiet liegt an der Nordwest-Flanke der sogenannten Moselmulde, die tektonisch stark beanspruchtwurde und in der die Schichten überkippt sind. DieSchichtenfolge wird von zahlreichen schicht- bzw. schiefe-rungsparallelen Störungen durchzogen, die flach bis steil-stehend sind.

Aufgrund der vorhandenen geologischen Bedingun-gen war eine Vortriebsanlage im Dual-Mode für einen „of-fenen“ und „geschlossenen“ Vortrieb vorgesehen, wobeider größte Teil des Vortriebs im Fels und somit im offenenModus, ohne Ortsbruststützung vorgesehen war. Ebensowar es eine vertragliche Forderung, dass verschiedene Zu-satzmaßnahmen zur Gebirgserkundung oder untertätigenGebirgsverbesserung umgesetzt werden können.

Während des Vortriebs kam es infolge des Antreffenslokaler bis großräumiger Störzonen wiederholt zu Nach-und Vorausbrüchen an der Ortsbrust. Bei ca. TM 1050kam es zu Nach- und Vorausbrüchen von mehreren Me-tern, sodass kurzfristig mit dem Bauherrn verschiedeneMaßnahmen zur Bewältigung der Störzone besprochen

Bild 6. Bohrschema RohrschirmFig. 6. Drilling-scheme for pipe umbrella



and rapid tunnelling from an early stage. The rapid anduncomplicated installation of pipe umbrella systems com-bined with the wide scope of application offer uncompli-cated solutions in many difficult cases. This will result inthe increasing use of pipe umbrellas in the future, both asan additional support measure and combined with grout-ing for ground improvement, as has already been shownby recent developments.

References

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[4] Volkmann, G.M. & Schubert, W.: A load and load transfermodel for pipe umbrella support. In Proc. of EUROCK 2010.Lausanne, Switzerland, 2010.

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Dipl.-Ing. Günther M. VolkmannDywidag-Systems International GmbHAlfred-Wagner-Straße 14061 Pasching [email protected]

Ing. Marco Reith Dipl. Ing. Thomas BernerAlpine BeMo Tunnelling GmbH Alpine Untertagebau GmbHBernhard-Höfel-Straße 11 Fürholzener Straße 126020 Innsbruck 85386 EchingAustria [email protected] [email protected]

wurden. Auf Vorschlag der bauausführenden Arbeitsge-meinschaft NKWT wurde vereinbart, dass unter anderemein Rohrschirm mittels AT - Hüllrohrsystem mit Außen-durchmesser 76 mm eingesetzt wird, um das anstehendeGebirge lokal im Firstbereich zu verfestigen und das Trag-verhalten zu verbessern. Hierbei handelt es sich um einenkombinierten Rohrschirm aus GFK- und Stahlrohren, dadie GFK-Rohre im Nahbereich des TVM-Schilds einge-setzt werden mussten, um ein Festklemmen zu verhindern.

Hierzu wurde durch zwölf Bohrkanäle im Firstbe-reich der TVM mit einer durchschnittlichen Teilung von10° und einer Neigung von ebenfalls 10° je 17 m lange Roh-re in den anstehenden Baugrund abgeteuft (Bild 6). AlsBohrausrüstung diente die auf der TVM vorhandene, anden Erektor zu montierende Bohrlafette.

Eine Bohrung bestand aus einem Anfängerrohr mitintegrierter Bohrkrone, drei Verlängerungsrohren ausStahl mit je 3 m Länge, einer speziellen Übergangsmuffeim Stahlrohr für den Übergang auf die GFK-Rohre sowiedrei GFK-Rohre zu je 2 m. Die GFK-Rohre wurden spe-ziell im Schildbereich eingesetzt, da eine Demontage derRohre im Bohrkanal der TVM bis über den Schildmantelhinaus nicht sicherzustellen war. Entsprechend wurdendie GFK-Rohre am Ende des Bohrstrangs angeordnet unddie Bohrung entsprechend tief abgeteuft, sodass sicherge-stellt war, dass sich sämtliche Stahlteile des Rohrschirmsaußerhalb des Schildmantels befanden und der weitereVortrieb mit der TVM nach dem Herstellen des Rohr-schirms störungsfrei fortgeführt werden konnte. Da dieVerbindung der Stahlrohre zu den GFK-Rohren über eineeinfache Steckmuffe gelöst wurde, mussten die GFK-Roh-re beim Ausbau des Innengestänges zusätzlich gegen un-beabsichtigtes Herausziehen gesichert werden. Nachdemvollständigen Abteufen des Rohrschirms wurden die Roh-re an den einzelnen Ventilen mit einem Manschettenrohr-packer gezielt angefahren und mit Feinstzement verpresst.

5 Schlussfolgerungen

In den letzten Jahrzehnten sind viele Tunnelabschnitte mitder Unterstützung von Rohrschirmsystemen erfolgreichaufgefahren worden. Durch die immer bessere Vorauser-kundung bei kontinuierlichen Vortrieben werden Stö-rungszonen effizienter erkannt und geeignete Maßnah-men, die ein sicheres und schnelles durchörtern ermögli-chen, können frühzeitig geplant und eingeleitet werden.Die schnelle und unkomplizierte Installation von Rohr-schirmsystemen gepaart mit der vielseitigen Anwendbar-keit bietet bei vielen schwierigen Situationen eine unkom-plizierte Lösung an. Deshalb werden, so wie die letztenEntwicklungen zeigen, zukünftig vermehrt Rohrschirmeals zusätzliche Stützmittel und in Kombination mit Injek-tionen als gebirgsverbessernde Maßnahme eingesetzt wer-den.


The pre-injection method of injection ahead of the excavationface in underground construction can offer significant advan-tages in many situations. This is particularly the case in difficultground conditions with water ingress or in mechanically poorground or soil, in which pre-injection can help avoid problemsand serious delays. Modern cost-effective methods and materialtechnology for pre-injection in underground construction aim toachieve the desired result as fast as possible, hence reducingdowntime during the excavation as much as possible. This paperreports a successfully resolved difficult case in which pre-injec-tion with rapid-setting microcement was employed in combina-tion with colloidal silica. The recent further improvement of thetechnical performance and versatility of rapid-setting microce-ments 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 TunnelbauDie Vorausinjektionsmethode oder Injektionen vor der Ortsbrustim Untertagebau bieten in vielen Situationen wesentliche Vor -teile. Dies ist insbesondere der Fall bei schwierigen Baugrund-verhältnissen wie dem Eindringen von Wasser oder Boden mitschlechten mechanischen Eigenschaften, in denen mittels Vorausinjektion Probleme und erhebliche Verzögerungen vermie-den werden können. Moderne kostengünstige Methoden undMaterial-Technologie für Vorausinjektionen im Untertagebau sol-len das gewünschte Ergebnis möglichst schnell erzielen, um dieAusfallzeiten während des Vortriebs soweit wie möglich zu redu-zieren. Dieser Beitrag berichtet über ein erfolgreich gelöstes Fall-beispiel, bei der die Vorausinjektion mit schnell abbindenden Mikrozementen in Kombination mit kolloidaler Kieselsäure ange-wandt wurde. Weiterhin wird über die aktuelle Verbesserung dertechnischen Leistungsfähigkeit und der Vielseitigkeit der schnellabbindenden Mikrozemente durch die kontrollierte, präzise Zu -gabe von Beschleunigern berichtet.

1 Introduction1.1 Background

Collapses of the tunnel face or unexpected high water in-flows are not an uncommon experience when tunnellingin geologically difficult ground like fault zones in Alpineterrain, or in shallow tunnels influenced by weathering orlow rock stresses. Tunnelling in urban areas often involvesshallow tunnels, proximity to existing underground struc-

tures, as well as establishing connections between under-ground structures. The consequences of groundwater low-ering or deformations in the ground caused by instabilitiesare unacceptable due to the possible impact on buildingswith sensitive foundations.

This paper addresses the issue of how pre-injection inshallow tunnels can greatly reduce the risk of problems.The state-of-the art technology within rapid-setting micro-cements and liquid colloidal silica is particularly empha-sized. This technology can significantly improve the cost-effectiveness and technical feasibility of tunnelling in asensitive environment in difficult ground.

The recent improvement of pre-injection technology,which employs controlled-acceleration setting of microce-ments, opens new possibilities for the use of cementituousinjection technology.

The main practical example examined in this paperused the drill and blast method; however a shorter refer-ence also looks at the application of colloidal silica inTBM tunnelling.

1.2 The pre-injection method

The basic idea of pre-injection is to treat the ground priorto excavation by injecting a grout into the ground. Thegrout is introduced into the ground through drillholes orpipes 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 excava-tion through the treated ground.

In addition to these three main steps in the actual injec-tion cycle, there is a preparatory process of determiningthe main scope and location of the injection works. Thisincludes 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 intunnelling as a sequence of decisions actively made at sev-

Topics

Modern pre-injection in underground constructionwith rapid-setting microcements and colloidal silica –applications in conventional and TBM-tunnelling

DOI: 10.1002/geot.201200001Karl-Gunnar HolterHans-Olav Hognestad


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

eral stages in the injection cycle. Management of the in-jection works is therefore a crucial factor in order toachieve 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 theexcavation and support of the tunnel.

In the case reported in this paper, the chosen injectionmethod addressed the issue of achieving the best possiblepenetration of the grout into the ground. This is a process,which aims to optimise the drilling pattern in combinationwith the use of pipes for injection and the specification ofthe appropriate characteristics for the grout.

If the intention is permeability reduction, the maingoal is to fill the water-bearing discontinuities with a sta-ble grout that seals off the water flow. If the intention ismechanical improvement of the ground properties, thegrout needs to achieve a certain final mechanicalstrength. In many cases, a combination of both effects isdesirable.

1.4 Method considerations

Before the technical details of a pre-injection scheme aredesigned, the overall method should be considered. Thelayout of the method comprises decisions at a strategiclevel for the pre-injection works including the fundamen-tal approach to achieving the desired result. The basicframework of the operations in the injection cycle is laidout in this process.

This planning process needs to give the necessary in-formation for the specification of equipment such as thedepth of holes to be drilled and any drilling equipment tobe installed on TBMs (Figure 1).

The main issues to consider in this planning processare 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 re-

sult meets the requirements.

It is important to understand an injection operation as acomplete process. All the above-mentioned issues shouldalways be considered during the planning process.

A frequently misunderstood feature is the groutingpressure. Very often, maximum permitted grouting pres-sures are specified at far too low a level. The main reasonfrequently stated is that a higher grouting pressure mightproduce a global pressure build-up in the ground, andhence lead to a risk of hydrofracturing or undesired pene-tration of grout far away from the location of the injection.However, there may be good reasons for low pressurethresholds in low-cover urban tunnel situations. Bartonand Quadros [3] demonstrate that injection pressuresmeasured at the injection lance (at the collar of the drill-hole) do not correspond to the pressure of the grout in theactual ground in most cases.

As long as there is a flow of grout, there is a signifi-cant drop of pressure in the immediate vicinity of the drill-hole into the ground. Another important issue is to alwaysbear in mind that an injection operation is a cycle inwhich decisions are made with regard to specific criteria(pre-defined or subject to adjustment). These decisions aremade at each step of the injection cycle. Therefore pre-in-jection is a type of work, which requires experiencedhands-on management on a continuous basis during theworks.

2 Modern cementitious and mineral grouts for penetrationinto soils and fine-jointed rock

2.1 Characteristics of the grout

Injection in difficult ground requires the complete methodto be specially adapted in order to achieve the desired pen-etration into the ground. A very essential detail in this con-text is the choice and design of the proper grout charac-teristics with special emphasis on penetrability.

The penetrability of a grout is difficult to measure orverify directly. Penetrability describes the ability of a groutto enter into a medium such as a granular soil or fine jointsin a rock mass under a certain injection pressure.

The penetrability of a grout for injection purposes inunderground construction is mainly influenced by threemeasurable material properties (Figure 2). The grain sizeis decisive for penetrability into fine joints as well as per-meating between the grains in a soil. Figure 3 illustratesthe importance of grain size for the penetrability in jointsin rock.

The viscosity is important, as it will directly influencethe shear stresses in a grout when it is flowing throughjoints or between the grains in a soil.

Fig. 1. Drilling ahead of the tunnel face for pre-injectionusing a conventional drilling jumbo for hard rock drill-and-blast excavationBild 1. Bohrungen für Vorausinjektionen in einem Spreng-vortrieb, erstellt mit dem Tunnelbohrwagen



The lower the viscosity, the lower the shear stresses inthe grout and hence, the lower the injection pressurewhich is required to sustain the flow of the grout into theground.

The stability of the grout is important, as it will di-rectly influence the capability of the cement in the groutto penetrate into fine discontinuities. Bleeding, in whichthe cement grains separate from the grout mix and clogthe entrances to the fine joints, does not occur with a sta-ble grout mix.

For soil injection purposes, one must carefully con-sider which intended improvement effect and penetrationmechanism to plan when designing the grout mixes andthe method. Four examples of soil improvement mecha-nisms are shown in Figure 4.

2.2 Rapid-setting microcements

These cements were originally designed as tunnel injec-tion cements with the main emphasis on cost-effectiveness

in tunnelling. They are available in the grain size rangetypical for microcements down to the ultra-fine microce-ment range. These cements offer particular advantages intunnelling. 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), al-

most all waiting time for setting eliminated,– rapid-setting characteristics, even in cold groundwater

conditions.

Fig. 2. Penetrability of grout principally depends on threefactorsBild 2. Die Eindringfähigkeit des Injektionsguts ist von dreiFaktoren abhängig

Fig. 3. Graphical representation to scale of grain sizes of cement grouts with respect to a relevant joint aperture inrock for penetration (0.02 mm)Bild 3. Maßstabsgerechte Darstellung der Korngröße vonverschiedenen Injektionsmitteln in Bezug auf eine injek -tionsrelevante Kluftweite im Gebirge (0,02 mm)

Table 1. Main technical properties of liquid colloidal silica(Meyco MP320) for injection in rock and soilTabelle 1. Technische Eigenschaften von flüssigen kolloida-len Kieselgel (Meyco MP320) für Injektionen in Fels undBoden

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

Fig. 4. Simplified graphical representation of four main typesof penetration of a grout (dark grey) in a soil: A – replace-ment (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 Haupteindringartenvon Injektionsgut (dunkelgrau) im Boden: A – Ersatz (DSV),B – Verdichtung, C – Hydrofracking zwischen oder ausge-hend von Bohrlöchern oder Rohren, D – Durchdringungausgehend von Borhlöchern oder Rohren [1]



2.3 Liquid colloidal silica

This grout type consists of silica grains (SiO2) in the nano-metric scale in a colloidal solution in water. The typicalgrain 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 friendli-ness and health and safety. Colloidal silica is a mineralgrout and designed for permanent long-term purposes,whereas silicates only can have a temporary function(Table 1).

The penetrability of colloidal silica in jointed rockand soils is graphically illustrated in Figure 4. The simplic-ity of application, which uses the same equipment as forcementitious grouting, makes this system very suitable as asupplement 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 hydroelectricpower project phase 2 (Uttaranchal Province, India) pass-es under a valley with low rock cover. The tunnel was ex-cavated by drill-and-blast and supported by steel sets andlagging with concrete backfill. The situation with valleyunderpass and the main geological formations is shown inFigure 5.

The valley corresponds to a regional weakness zone,which intersected approximately 300 m length of the tun-nel. The weakness zone exhibited densely jointed and par-tially crushed mica-quartzite schist. The entire weaknesszone was highly permeable; hence high water inflows wereencountered. The valley had been passed under with seri-ous difficulty during a construction attempt several yearsearlier. No pre-injection was carried out at this stage.

The highly jointed and crushed rock, combined withthe low overburden of only 20 to 25 m (of which only

about 5 m rock) at the shallowest, imposed a critical pointin the headrace tunnel. The maximum water pressure inthe tunnel during the operation of the power plant wouldbe 10 bar. This would create a potential risk of hydrofrac-turing and leakages out of the headrace tunnel. Therewould also be a risk of pressurising the water in the sur-rounding ground, resulting in a danger of landslides.

3.2 Technical solution

Previously, pre-injection with locally manufactured Ordi-nary Portland Cement had been attempted, but with verylimited penetration into the ground. In order to addressthe difficult ground conditions, a two-stage pre-injectionscheme 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 suf-ficient rock support as well as the structural and water-proofing lining of the tunnel,

– to facilitate safe conditions for excavation and immedi-ate support of the tunnel as well as making it possible toconstruct the final lining.

The main feature of the injection method was injectionthrough grouted steel pipes with a length of 2.5 m. Thehigh degree of jointing and crushing of the rock mass severely limited the drilling operation. Each of the steelpipes was therefore used for repeated drilling and injec-tion. The first drilling and injection step through the steelpipes reached 6 m in front of the tunnel face. The secondstep reached 8 to 11 m, and the third and final stepreached 13 m in front of the tunnel face.

The first stage consisted of injection of rapid-settingmicrofine cement. The rapid setting of this cement al-lowed continuous operation (no waiting time) withdrilling, injection and subsequent re-drilling to greaterdepth through the same steel pipes without damage to thepreviously injected volume.

The second main stage was the injection of liquid col-loidal silica featuring extremely low viscosity and grainsize in the nanometric scale. The finest joints as well asjoints with fillings were grouted, and a very satisfactory result in terms of water ingress reduction and ground im-provement was achieved.

The second stage was geometrically laid out in a waythat it would be enveloped by the grouted rock mass fromthe first stage. In this way the injection of the low-viscositygrout would entirely take place where the microfine cement had already been injected.

3.3 Technical result

The first stage injection with rapid-setting microcementshowed a relatively limited grout take of only 100 to150 kg per m drillhole when the termination pressure of60 bar was reached. Bearing in mind the seepage encoun-tered in the drillholes, one would expect a higher grouttake.

The reason for the relatively low grout take was jointfillings consisting of silt and clay particles, which in turnlimited the penetration of the grout created by filtration.

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



The first stage injection fan with microcement was al-ways completed around the full circumference of the tun-nel before the secondary fan was attempted. The reasonfor this was that the first stage injection provided penetra-tion of grout into the joints with the largest apertures.

The second injection stage with low-viscosity groutcould therefore be targeted for the finer joints and thejoints, which were partially filled with clay and silt. Thesecondary fan was injected with a termination pressure of25 bar, or approximately 100 kg grout per m drillhole. In-jection beyond a pressure of 25 bar with liquid colloidalsilica usually showed signs of hydrofracturing.

The result was a literally dry and stable tunnel con-tour. No excessive breakouts of rock or cave-ins occurredduring excavation through the weakness zone.

3.4 Main experience, pre-injection Maneri Bhali

The proactive approach demonstrated in this case thatpre-injection of difficult ground resulted in safe, cost-effec-tive and predictable construction conditions. The effectsof the pre-injection works could be directly compared tothe poor conditions and heavy water flows observed in theadjacent tunnel where pre-injection was not used. A directcomparison of the effectiveness of microfine cements andliquid colloidal silica grout compared with Ordinary Port-land Cement was also clearly evident.

The experience at Maneri Bhali shows that a proac-tive approach to drilling and grouting with a clearly de-fined method statement and the use of materials with thecorrect penetration, viscosity and rapid-setting character-istics can significantly reduce the construction timethrough such highly faulted, water-bearing and unstablezones (6 months in the by-pass tunnel against 18 monthsin the original tunnel). The low cost of pre-injection com-pared to post-injection techniques can also be clearlyseen.

4 Case example: Pre-injection with colloidal silica in TBM tunnelling

The Arrowhead tunnel in California, USA, was a 13 kmtunnelling project located at the base of the San Bernar -dino Mountains, which are crossed by several significant

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 silicaallowed permeation into the unstable flowing groundwhere ultrafine cement could not penetrate adequately,thus completing the grouting coverage and preventing lo-cal blowouts. The successful driving of the tunnel throughsuch adverse conditions is not only attributed to the use ofcolloidal silica, but also to the custom-designed TBM thatallowed the drilling of a sufficient number of bore holes toadequately cover the tunnel periphery with positions forprobing and pre-excavation grouting.

5 Pre-injection with microcements with controlled-acceleration setting

5.1 Background

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

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

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



this project, sensitive water-saturated soils with founda-tions necessitated a thorough reduction of the permeabili-ty of the rock mass around the tunnel, which was achievedby systematic pre-injection. In order to achieve the re-quired technical result more quickly and with less groutconsumption, and with less risk of grout travelling faraway or to undesired locations (grout outflow into cellarsand at the surface), a technical solution with controlled-acceleration setting was used [4]. An exceptionally goodtechnical result was achieved with this method.

5.2 Description of the method

This method essentially utilizes an alkali-free sprayed con-crete accelerator in order to produce early controlled set-ting of the micro-cement grout. One of the important de-tails with this method is to dose the accelerator preciselyand in a controlled manner.

The dosage pump needs to be interfaced to the maingrout pump in a way that it runs with a constant speed ra-tio at a given setting (dosage input in %). In this way, theaccelerator dosage will remain constant even when thespeed of the main grout pump changes. A diagram of thelayout of such a pump is shown in Figure 6, and a proto-type pump is shown in Figure 7.

The other important detail is to use a combination ofcement and accelerator, which gives the desired setting.Only very few combinations of cement and acceleratorhave been found to work in a satisfactory way.

Rheocem micro-cements in combination with alkali-free sprayed concrete accelerators MEYCO SA162 haveproven to give outstanding performance. Tables 2 and 3show a summary of laboratory testing of different Ordi-nary Portland Cements and Rheocem 650 acceleratedwith the alkali-free accelerator MEYCO SA162 at low tem-peratures.

These figures show that by using the proper cement,one can achieve precise and controllable accelerated set-ting even in very cold conditions. At higher groundwatertemperatures, accelerator dosages are significantly lower.

5.3 Implications for tunnelling

The controlled-acceleration cementitious pre-groutingmethod offers the possibility of using a cementitious sys-tem for water seepage reduction and ground improvementat much lower total cost and time consumption than iscommonly experienced with cement-based injection. Theresult of the grouting works can be controlled to a veryprecise extent. This permits a significant reduction of therisk of environmental impact to be achieved. This technol-ogy can also replace costly and less environmentallyfriendly polyurethane injection in a number of situations.

References

[1] Holter, K. G., Dahl-Johansen, E. D. & Hegrenæs, A.: Tun-nelling through a sandzone. Ground treatment experiences

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 tempera-ture 2 °CTabelle 3. Vergleich von Abbindezeiten verschiedener zementgebundener Mörtel mit alka-lifreien Beschleuniger, Mörteltemperatur 10 °C, gegossen auf einer Betonplatte mit einerTemperatur von 2 °C

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

Portlandsement* 0.8 8 > 120

Rheocem 650 0.8 1 57

Rheocem 650 0.8 2 25

Rheocem 650 0.8 4 13

* Kyrgyzstan

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

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

Kraftsement* 0.8 8 > 60

Portlandsement* 0.8 8 > 60

Rheocem 650 0.8 1 30

Rheocem 650 0.8 2 13

Rheocem 650 0.8 4 7

* Iceland



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Karl-Gunnar HolterBASF CC Europe AGVulkanstraße 1108048 Zü[email protected]

Hans-Olav HognestadBASF ASGranerud, IndustriomradePostboks 132120 [email protected]

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Fachwissen ohne Grenzen


In the planning phase of a tunnel project, site investigations arecarried out, geotechnical data is collected and analyses pro-duced. A favourable and practical tunnel alignment is determinedand the geological units to be bored through are described, clas-sified and the risks for tunnelling are estimated. Nonetheless, theground passed through will always have surprises in store, inmechanised as in conventional tunnelling, in hard rock and inloose ground. Rock type, hardness and strength, degree of joint-ing, occurrence and formation of fault zones and karst features,formation water ingress etc. can all deviate from the forecast in-formation.

This article is concerned with the subject of mechanisedtunnel driving in hard rock, in particular with the equipment foradvance probing integrated into the machine and methods of ad-vance treatment of geologically conditioned disruptions and devi-ations to ensure that mechanised boring can continue in safety.This includes details of the advance probing methods used fromdrilling, through radar technology, to seismic applications andtheir possible combinations. The advance treatment of theground that follows or is directly linked to the investigation is de-scribed through concepts and practical examples (e.g. grouting,advance drilling and pipe screens).

1 General

Herrenknecht AG develops, manufactures and deliversnot only tunnel boring machines (TBM), but also highlyspecialised systems for both the advance investigation ofthe tunnel alignment and ground improvement and themaintenance of the tunnel drive when anomalies are dis-covered with relevance for tunnel boring. Tenders are alsoincreasingly demanding the prospecting of the ground.For this purpose, Herrenknecht AG offers highly spe-cialised systems for advance probing and treatment inhard rock.

In addition to safety, the advance rate of a TBM is apriority in tunnelling. Delays or even stoppages of theTBM to carry out advance probing can only last a shorttime. If the requirements of probing demand drilling infront of the TBM associated with a longer stoppage of themachine, then this step is often combined with advancetreatment and improvement of the ground.

In der Planfeststellungsphase eines Tunnelbauprojekts werdenVorerkundungen durchgeführt, geotechnische Daten gesammeltund Analysen erstellt. Eine günstige und durchführbare Tunnel-trasse wird festgelegt und die zu durchörternden geologischenEinheiten beschrieben, klassifiziert und auf tunnelvortriebsrele-vante Risiken eingeschätzt. Dennoch hält der Baugrund für denmaschinellen wie auch den konventionellen Tunnelbau sowohl imHart- als auch im Lockergestein immer wieder Überraschungenbereit. Gesteinstyp, -härte und -festigkeit, Klüftungsgrad, Auftre-ten und Ausbildung von Störzonen und Karstvorkommen, Berg-wasserzutritt u. ä. können von den prognostizierten Werten undErkenntnissen abweichen.

Der Beitrag befasst sich mit der Thematik des maschinellenTunnelvortriebs im Hartgestein, insbesondere mit den maschinen-integrierten Einrichtungen zur Vorauserkundung sowie mit denMöglichkeiten, das Gebirge im geologisch bedingten Stör- oderAbweichungsfall soweit vorauszubehandeln, damit der maschi-nelle Vortrieb gesichert fortgeführt werden kann. Dabei werdendie genutzten Vorauserkundungsmethoden von konventionellbohrend über Radartechnologie bis hin zu seismischen Anwen-dungen und möglichen Kombinationen der Methoden erörtert.Die an die Vorauserkundung anschließende oder auch mit ihr di-rekt verknüpfte Vorausbehandlung des Gebirges wird anhand vonKonzepten und Praxisbeispielen (z.B. Injektionen, Vorausbohrun-gen und Rohrschirme) dargestellt.

1 Allgemeines

Die Herrenknecht AG entwickelt, fertig und liefert nebenden Tunnelbohrmaschinen (TBM) hochspezialisierte Sys-teme, die zum einen eine Vorauserkundung des Bau-grunds im Trassenverlauf und zum andern bei Erkennenvon vortriebsrelevanten Anomalien die Baugrundertüch -tigung bzw. Aufrechterhaltung des TBM-Vortriebes ermög-lichen. Zudem fordern Ausschreibungen immer häufigerdie Prospektion des Baugrunds während des Vortriebs.Hierfür bietet die Herrenknecht AG hochspezialisierteSysteme zur Vorauserkundung und -behandlung im Hart-gestein an.

Neben der Sicherheit hat die Vortriebsleistung einerTBM Priorität beim Tunnelbau. Verzögerungen oder garStillstände der TBM zu Vorauserkundungszwecken sindnur in geringem zeitlichem Umfang möglich. Werden zumZweck der Vorauserkundung Bohrungen vor der TBMund damit ein längerer Stillstand notwendig, so wird die-ser Arbeitsschritt oft mit der Vorausbehandlung und Er-tüchtigung des Baugrunds verknüpft.

Topics

Equipment for advance probing and for advancetreatment of the ground from the TBM

Einrichtungen zur Vorauserkundung undvorauseilenden Gebirgsbehandlung auf einer TBM

DOI: 10.1002/geot.201200002André Heim


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

2 Equipment for advance probing on a TBM2.1 Integrated Seismic Imaging System (ISIS)

In collaboration with the GeoForschungsZentrum Pots-dam (GFZ), Herrenknecht AG has developed the advanceprobing system ISIS for advance investigation in hardrock during tunnel drives. It essentially consists of threeassemblies: − Sources, − Receivers with data loggers,− Computer unit with control, checking and evaluation

software.

The special features of ISIS are that it can also be retrofit-ted to a TBM, can investigate at long range and can thusbe used as an early warning system for the TBM drive. Ge-ological anomalies can be approached rapidly and verifiedand investigated in more detail with conventional investi-gation methods like core drilling shortly before beingreached. Systematic advance drilling required accordingto the geological section can thus be omitted, saving theassociated stoppage of the machine and extra construc-tion costs.

2.1.1 Measurement principle

The excitation of the tunnel wall with an impact sourcegenerates both pressure and surface waves (Rayleighwaves). These run along the tunnel wall towards the face,where conversion to a S-wave (shear wave, transverse pres-sure wave) occurs, among other effects. If the S-wave en-counters an obstruction in the ground, it is partially re-flected.

The decisive physical quantity in this process is theseismic impedance (also called the sonic resistance orwave resistance), the result of the product of the density ofthe medium the sound passes through and the S-wave ve-locity in the ground body passed through. This means thata reflection of the S-wave depends on a sufficient imped-ance contrast, which is to be expected in strongly jointedand fractured rock (faults) or through water-filled joints orcavities.

The reflected S-wave runs back to the face as an S-wave. There it is again partially converted into a Rayleighwave, which runs back along the tunnel surface and canbe detected with cemented geophones. This type of waveis called an RSSR-wave.

The wave travel times are measured, and the data isprocessed according to the relevant geometry and metho -dology to produce a migration (a process of assigning seis-mic signals to the location of origin from known wave ve-locities and measured times) and thus an interpretation.

2.1.2 Sources

Two pneumatically operated impact hammers are used asthe seismic source to input energy into the rock (Fig. 1). Inorder to ensure access to the undisturbed rock, the impacthammers are either installed on the grippers of an openhard rock machine or on a mounting bracket in the shieldof a TBM, in which case a contact has to be created to therock behind the shield.

2 Einrichtungen zur Vorauserkundung auf einer TBM2.1 Integrated Seismic Imaging System (ISIS)

In Zusammenarbeit mit dem GeoForschungsZentrumPotsdam (GFZ) entwickelte die Herrenknecht AG das fürdie vortriebsbegleitende Vorauserkundung im Hartgesteinkonzipierte Vorauserkundungssystem ISIS. Es besteht imWesentlichen aus drei Baugruppen: − Quellen, − Empfänger mit Datenloggern,− Rechnereinheit mit Steuerungs-, Kontroll- und Aus-

werte-Software.

Die Besonderheit von ISIS besteht darin, dass es auchnachträglich auf einer TBM installiert werden kann, einehohe Erkundungsreichweite besitzt und somit als Früh-warnsystem für den TBM-Betrieb genutzt werden kann.Geologische Anomalien können so zügig angefahren undkurz vor Erreichen der Anomalie nochmals mit konventio-nellen Vorauserkundungsmethoden wie Kernbohrungenverifiziert und näher untersucht werden. Somit entfallendie je nach geologischem Abschnitt geforderte permanen-te Vorausbohrungen, die Stillstandszeiten der TBM undKosten für den Bauausführenden nach sich ziehen.

2.1.1 Messprinzip

Durch die Anregung der Tunnelwand mittels einer Schlag-quelle werden sowohl Raum- als auch Oberflächenwellen(Rayleigh-Wellen) generiert. Diese laufen entlang der Tun-nelwand in Richtung Ortsbrust. Dort findet unter Ande-rem eine Konversion zu einer S-Welle (Scherwelle; trans-versale Raumwelle) statt. Trifft diese S-Welle im Gebirgeauf ein Hindernis, wird sie teilweise reflektiert.

Die maßgebliche physikalische Größe ist hierbei dieseismische Impedanz (auch Schallhärte oder Wellenwider-stand genannt), die sich aus dem Produkt der Dichte desdurchschallten Mediums und der S-Wellengeschwindig-keit im jeweils durchlaufenen Bodenkörper ergibt. Dasheißt, eine Reflektion der S-Welle hängt von einem hinrei-chenden Impedanzkontrast ab, wie er in stark zerklüfte-tem und zerlegtem Fels (Störungen) bzw. durch wasserge-füllte Klüfte oder Höhlen zu erwarten ist.

Die reflektierte S-Welle läuft als S-Welle wieder zu-rück zur Ortsbrust. Dort wird sie wiederum teilweise in ei-ne Rayleigh-Welle konvertiert, die erneut an der Tunnel-oberfläche entlang läuft, und anschließend von den in dieTunnelwand eingeklebten Geophonen registriert werdenkann. Dieser Wellentyp wird als RSSR-Welle bezeichnet.

Die Wellenlaufzeiten werden gemessen, und mithilfeeiner auf die entsprechende Messgeometrie und Methodikauszulegende Verarbeitung der Daten können eine Migra-tion (Verfahren, das bei bekannter Wellengeschwindigkeitden gemessenen Zeitpunkten der seismischen Signale denOrt ihrer Entstehung zuordnet) und somit eine Interpreta-tion erstellt werden.

2.1.2 Quellen

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



About every two metres of drive, according to thestroke length of the machine, the impact hammers are dri-ven against the tunnel wall, pressed tight, prepared for animpact and activated. This is done during the pause whenthe cutting wheel is not turning, i.e. while the ring is as-sembled with a shielded TBM or shortly after regrippingan open hard rock machine.

The impact is repeated up to five times, which re-quires about two minutes altogether. No other standstilltimes 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 an-chors. In order to ensure adequate bonding of these mea-surement anchors into the rock, holes are drilled into therock with the anchor drilling drill installed on the ma-chine. With gripper machines, 1 m long measurement an-chors are used, and with shielded machines the anchors

gewährleisten, werden die Schlaghämmer entweder aufden Grippern einer offenen Hartgesteinsmaschine oderauf einer Anbaukonsole im Schild einer TBM installiert.Hier muss zusätzlich eine Kontaktmöglichkeit zum Felshinter dem Schild geschaffen werden.

Etwa alle zwei Vortriebsmeter, je nach Hublänge derTBM, werden die Schlaghämmer gegen die Tunnelwandgefahren, angepresst, zum Schlag vorbereitet und schließ-lich ausgelöst. Dies geschieht während der Ruhephasensolange das Schneidrad nicht dreht, also während desRingbaus bei einer geschildeten TBM oder kurz nach demUmsetzen der Gripper bei einer offenen Hartgesteinsma-schine.

Der Schlag wird an jedem Schlagpunkt bis zu fünfMal wiederholt, was insgesamt ca. zwei Minuten in An-spruch nimmt. Zusätzliche Standzeit der TBM wird durchdie Messungen nicht verursacht. Bild 2 zeigt die Schlag-und Detektionsgeometrie.

2.1.3 Empfänger

Die seismischen Empfänger bestehen aus Dreikomponen-ten-Geophonen, die in den Spitzen wiederverwendbarerMessanker platziert sind. Um eine ausreichende Anbin-dung dieser Messanker an den Fels zu gewährleisten, wer-den mit dem auf der Maschine installierten Ankerbohrge-rät Löcher in den Fels gebohrt. Bei Grippermaschinenwerden 1 m lange Messanker genutzt, bei geschildetenTBM haben die Anker aufgrund der Tübbingdicke und desRingspalts eine Länge von 2 m.

Als Aufnahme für den wiederverwendbaren Messan-ker dient ein Aluminiumrohr, das mit einem Zweikompo-nentenkleber fest im Gebirge verankert wird. In diesesRohr wird der Messanker eingeschraubt und verklemmt.Anschließend wird er mit einem mobilen Datenlogger be-stückt, der die registrierten Daten über eine WLAN-Ver-bindung zur Rechnereinheit senden.

In die Felswand werden zwischen vier und acht Emp-fängersysteme eingesetzt, zwei bzw. vier auf jeder Seite imKämpferbereich der Tunnelwölbung (10- und 2-Uhr-Positi-on). Die Distanz zwischen den Empfängern beträgt zwi-schen 10 und 15 m. Die Empfängersysteme werden kurzvor Erreichen des Spritzbetonbereichs einer Gripper-TBMzur Wiederverwendung aus den Aluminiumrohren ge-

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

Fig. 2. Perspective view of the tunnel with the planned dis-tribution of recording points (blue) with geophones and theimpact points (red)Bild 2. Perspektivische Ansicht des Tunnels mit der geplan-ten Verteilung der Aufzeichungspunkte (blau) mittels Geo-phonen und der Schlagpunkte (rot)



have a length of 2 m due to the segment thickness and theannular gap.

The fitting for the reusable measurement anchors isprovided by an aluminium tube, which is fixed into therock mass with two-part adhesive. The measurement an-chor is screwed into the tube and clamped. It is then fittedwith a mobile data logger, which transmits the data over aWLAN connection to the computer unit.

Between four and eight receiver systems are installedin the rock wall, two or four on each side around thespring line area of the tunnel vault (10 and 2 o’clock posi-tions). The distance between the receivers is between 10and 15 m. The receiver systems are unscrewed out of thealuminium pipes for reuse shortly before reaching theshotcrete area of a gripper TBM. With a shielded machine,the measurement anchors are drilled into the rockthrough the already existing grouting holes in the seg-ments. The aluminium pipes remain in the rock with bothtypes of machine.

2.1.4 Data recording and computer unit

The data is recorded by independent, battery-powered ra-dio data loggers (UDL), which are plugged directly intothe connections in the measurement anchors. The record-ed data is then transmitted to a computer unit andprocessed further. The computer unit consists of a laptop,which queries the navigation data and the machine statusfrom the PLC of the TBM. This is necessary for the spatialdefinition of the overall measurement system with all com-ponents, the release of the impact of the impact hammerand 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 ofboring under ideal conditions, but a maximum of 150 m infront of the face. An initial distance of about 50 m is re-quired for data acquisition before the data is firstprocessed in order to calibrate the system. The resolutionor positional accuracy of the detected structures is 5 to10 m. The system can detect cavities, whether full of wateror air, and geological weaknesses/fault zones in the rockmass.

As with all geophysical investigation methods, a com-bination of various methods is advantageous for the verifi-cation of the momentary suspicions and detections. Ad-vance drilling does not, however, have to be performedpermanently but only closely targeted after a detection. Ei-ther the borehole radar technology described below or ifrequired a core can be drilled in order to directly investi-gate the geology.

2.1.6 References

ISIS has so far been implemented for test purposes in thefollowing 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.

schraubt. Auf einer geschildeten Maschine werden dieMessanker durch bereits vorhandene Verpresslöcher derTübbingsegmente in den Fels gebohrt. Die Aluminiumroh-re verbleiben bei beiden Maschinenarten im Fels.

2.1.4 Datenaufnahme und Rechnereinheit

Die Datenaufnahme erfolgt über autarke, akkubetriebeneFunkdatenlogger (UDL). Diese werden direkt auf die An-schlüsse an den Messankern aufgesteckt. Die akquiriertenDaten werden dann an die Rechnereinheit gesendet unddort weiter verarbeitet. Die Rechnereinheit besteht aus ei-nem Laptop, der die Navigationsdaten und den Maschi-nenstatus aus der SPS der TBM abfragt. Diese sind für dieräumliche Definition des Gesamtmesssystems mit allenKomponenten, die Schlagfreigabe der Schlaghämmer undschließlich die anschließende korrekte Verarbeitung undDarstellung der Daten notwendig.

2.1.5 Leistungsvermögen

Die Erkundungsreichweite liegt idealerweise bei 50 bis100 m in Vortriebsrichtung, maximal aber 150 m vor derOrtsbrust. Dabei wird für die erste Datenverarbeitung eineVorlaufstrecke für die Datenakquise von ca. 50 m benö-tigt, um das System zu kalibrieren. Die Auflösung bzw. La-gegenauigkeit der detektierten Strukturen liegt bei 5 bis10 m. Das System kann Hohlräume, sowohl wasser- alsauch luftgefüllt, und geologische Schwäche-/Störungszo-nen im Gebirge detektieren.

Wie bei allen geophysikalischen Erkundungsmetho-den so ist auch hier die Kombination verschiedener Mess-methoden zur Verifizierung von Verdachtsmomenten undDetektionen empfehlenswert. Vorausbohrungen müssenjedoch nicht mehr permanent sondern nur im Detektions-fall sehr gezielt durchgeführt werden. Hier kann dann ent-weder zusätzlich die unten beschriebene Bohrloch-Radar-Technologie eingesetzt oder bei Bedarf eine Kernbohrungdurchgeführt werden, bei der die Geologie direkt begut-achtet werden kann.

2.1.6 Referenzen

ISIS wurde bisher streckenweise zu Testzwecken an fol-genden Tunnelbauwerken bzw. TBM-Projekten eingesetzt:− Glendoe Hydro Scheme (UK), Gripper-TBM,− Blessberg-Tunnel (DE), konventioneller Vortrieb, Karst -

erkundung,− 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), Gripper-

TBM.

2.2 Auf der TBM installierte Bohrgeräte

Die konventionelle Vorauserkundung nutzt die auf derTBM vorhandenen Bohrausrüstungen, die je nach Erkun-dungsziel entsprechend angepasst werden. Die Erstellungvon Vorauserkundungsbohrungen ist auch Grundvoraus-



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 drillingequipment provided on the TBM, which is then adaptedaccording to the aims of the investigation. The drilling ofadvance probe holes is a precondition for the geophysicalinvestigation methods described below.

Practical example: Gotthard Base Tunnel (CH) [1]In order to optimise probe drilling, the drilling equipmentprovided on the gripper TBMs was adapted: instead of thespecial drill carriage, a core drill equipped with preventerwas used for the probing of the Pioramulde from the sta-tionary TBM. The preventer was designed for 250 bar wa-ter pressure, corresponding to the theoretical free head ofwater from the overburden at this location. The core wasdrilled 300 m deep at the head of the machine over the fin-ger shield (Fig. 3). The drilled hole was not subsequentlyfilled.

One further adaptation applied at the Gotthard wasthe use of two additionally developed drill carriages.These were mounted as additional carriages on the anchordrilling carriages already fixed to the ring beam. Thesehorizontal drill carriages could then be used to drill andprobe up to 20 m obliquely forwards in a canopy shape,starting behind the shield. The holes were finally filledwith grout, which also achieved an improvement and sup-port of the collapsed area.

2.3 MWD – Measurement While Drilling

This system abbreviation refers to a data logging systemdeveloped by Herrenknecht AG, which can be connectedto the hydraulic advance drilling equipment installed onthe TBM. The MWD system can record the direct reac-tion of the drill to the geology encountered. Sensors regis-

setzung für die weiter unten beschriebenen geophysikali-schen Vorauserkundungsmethoden.

Praxisbeispiel Gotthard-Basistunnel (CH) [1]Um eine optimale Vorauserkundung zur ermöglichen,wurde die auf den Grippermaschinen bereits vorhandeneBohrausrüstung angepasst: Statt der Sondierbohrlafettewurde ein mit einem Preventer ausgerüstetes Kernbohrge-rät für die Erkundung der Pioramulde von der stehendenTBM aus eingesetzt. Der Preventer war dabei auf 250 barWasserdruck ausgelegt, entsprechend der aufgrund der da-maligen Gebirgsüberdeckung theoretisch anstehendenfreien Wassersäule. Die Kernbohrung wurde auf 300 mLänge im Kopfbereich der Maschine über den Finger-schild hinweg abgeteuft (Bild 3). Eine anschließende Ver-füllung des Bohrlochs fand nicht statt.

Eine weitere am Gotthard angewandte Adaption wardie Nutzung von zwei zusätzlich entwickelten Horizontal-bohrlafetten. Diese wurden auf die beiden am Ringträgerbefestigten Ankerbohrlafetten als Aufsatzlafetten mon-tiert. Mit diesen Horizontalbohrlafetten konnte dannschirmförmig, hinter dem Schild beginnend, bis zu 20 mschräg nach vorne gebohrt und erkundet werden. DieBohrungen wurden anschließend mit Injektionsmaterialverfüllt, wodurch wiederum eine Ertüchtigung und Siche-rung des Verbruchbereichs erreicht wurde.

2.3 MWD – Measurement While Drilling

Hinter diesem Systemkürzel verbirgt sich ein von der Her-renknecht AG entwickeltes Datalogging-System, das andie auf der TBM installierten hydraulischen Vorausbohr-geräte angeschlossen werden kann. Mit dem MWD-Sys-tem wird die direkte Reaktion des Bohrgeräts auf die an-getroffene Geologie aufgezeichnet. Sensoren registrierenVortriebsgeschwindigkeit, Penetrationsrate, Drehzahl undVorschubkraft des Bohrgeräts. Die gewonnenen Datenwerden bezüglich der Gesteinsfestigkeit verrechnet undauf einem Farbdiagramm mit unterlegter Tunnelabwick-lung dargestellt (Bild 4). Ein Anwendungsbeispiel für die-ses System sind die Tunnelvortriebe im Projekt Arrow -head (US).

Zusätzlich zu den aufgezeichneten Daten könnendurch Inaugenscheinnahme Erkenntnisse aus dem Bohr-gut und Bohrwasser sowie zum Vorhandensein von Hohl-räumen bei drucklosem Vorschub der Bohreinrichtung ge-troffen werden.

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

Das grundlegende Prinzip für die Bohrloch-Radar-Techno-logie [2] [3] ist das Geo-Radar-Verfahren, das zu den Im-puls-Reflexionsverfahren zählt. Über eine Sendeantennewerden kurze elektromagnetische Impulse abgestrahlt.Diese breiten sich im Gestein aus und werden an Schicht-grenzen, die sich in ihren dielektrischen Eigenschaften un-terscheiden, teilweise reflektiert. Die Reflexionssignalewerden von einer Empfängerantenne erfasst. Aus der ge-messenen Laufzeit zwischen Sende- und Empfangssignalkann bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der elek-tromagnetischen Wellen im Untergrund nach entspre-chender Signalbearbeitung auf die Teufenlage nachgewie-

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)



ter advance rate, penetration rate, revolution speed andthrust force of the drill. The recorded data is processed re-garding rock strength and displayed on a coloured dia-gram according to the position in the tunnel (Fig. 4). Anexample of the application of this system is the tunnel dri-ves at the Arrowhead Project (US).

In addition to the recorded data, the drill muck andwater can be visually inspected and cavities can be detect-ed 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] isthe geo-radar process, an impulse reflection process. Shortelectromagnetic impulses are transmitted from a transmit-ter antenna. These propagate through the rock and are par-tially reflected at strata interfaces, which have contrastingelectrical properties. The reflected signals are received by areceiver antenna. The presence of reflectors along thedepth of the hole can be demonstrated, after appropriateprocessing of the signal, from the measured travel times be-tween signal transmission and reception, since the propa-gation velocity of the electromagnetic waves in the mediumis 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 underly-

ing the tunnel tube.

This measurement process can be used in active tunneldrives both in reflection mode and in the form of cross-hole measurements or for tomographic images (Fig. 5).

sener Reflektoren geschlossen werden. Dieses Verfahrendient im TBM-Vortrieb der − Ortung von Störungs- und Kluftzonen, Verkarstungen

und Hohlräumen im unverritzten Vorfeld,− Ortung von offenen Hohlräumen im unmittelbaren Tun-

nelvortriebsbereich,− Charakterisierung der Bettungsbedingungen im Liegen-

den der Tunnelröhre.

Dieses Messverfahren kann bei aktiven Tunnelvortriebensowohl im Reflexionsmodus als auch in Form von Cross-hole-Messungen beziehungsweise für tomographische Auf-nahmen eingesetzt werden (Bild 5).

Zur Anwendung der Bohrloch-Radar-Technologiemüs sen von der TBM aus Bohrungen leicht schräg durchim Schild vorgesehene Öffnungen abgeteuft werden. DieBohrungen reichen maximal 30 m vor das Schneidrad.Generell gilt, je mehr Bohrlöcher desto variabler und ge-nauer kann die Bohrloch-Radar-Technologie eingesetztwerden. Bei einem Bohrloch ist nur eine Reflexionsmes-sung möglich, bei zwei Bohrlöchern kann eine Crosshole-Messung sowie mit erhöhtem Messaufwand eine Tomo-graphie-Messung durchgeführt werden. Sofern ein drittesBohrloch abgeteuft wird, können statt der zeitintensiverenTomographiemessung weitere günstigere Crosshole-Mes-sungen erfolgen.

Die Detektionsauflösung liegt im Zentimeterbereich,die Erkundungsreichweite kann in Abhängigkeit der Ge-steinseigenschaften bis mehrere Dekameter um die Tun-nelröhre betragen. Zudem können quantitative Abschät-zungen der Kluft- und Karststrukturen sowie Aussagen zurKarstfüllung getroffen werden.

Das Bohrloch-Radar wurde beim Katzenbergtunnel(DE) erfolgreich zur vortriebsbegleitenden Karsterkun-

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



In order to use borehole radar technology, holes haveto be drilled from the TBM at a slight angle through theopenings provided in the shield. The holes extend max. 30m in front of the cutting wheel. In general, the more holesare drilled, the more variable and precise are the results ofborehole radar technology. If there is only one hole, onlyone reflection measurement is possible, while two holesenable crosshole measurement and, with more measure-ment work, a tomographic image can be produced. If athird hole is drilled, further cheaper crosshole measure-ment can be carried out instead of the more time-intensivetomographic measurements.

The detection resolution is of the magnitude of cen-timetres and the probing range can be many decametresaround the tunnel tube, depending on the rock properties.In addition, quantitative estimations of the fissure andkarst structures and statements about karst filling can bemade.

Borehole radar has been used successfully in theKatzenberg Tunnel (DE) for the probing of karst struc-

dung eingesetzt. Dabei wurden Crosshole-Messungendurchgeführt.

3 Einrichtungen zur Gebirgsvorausbehandlung auf einer TBM3.1 Vorausbohrungen

Vorausbohrungen dienen nicht nur der Vorerkundungsondern auch der vorlaufenden Gebirgsvergütung zur Si-cherstellung eines ungestörten Vortriebs. Das Praxisbei-spiel zeigt ein an die bautechnischen Erfordernisse ange-passtes Bohrschema.

Praxisbeispiel Arrowhead (US) [4]Beim Projekt Arrowhead mussten besondere geolo-gisch/hydrologische Herausforderungen bewältigt wer-den. Bereichsweise stand in der Ortsbrust vollflächig ent-festigtes, körniges Material an. Gleichzeitig mussten Was-serzutritte von bis zu 32 l/s bei einem Wasserdruck von10 bar beherrscht werden. Hierzu kam ein spezielles Vo-rausbohr- und Injektionsschema zur Anwendung, bei dem

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



tures during the drive. In this case, crosshole measure-ments were used.

3 Equipment for advance ground treatment on a TBM3.1 Advance drilling

Advance drilling serves not only for probing but also foradvance ground improvement to ensure an undisruptedadvance. The practical example shows a drilling patternadapted to suit the constructional requirements.

Practical example: Arrowhead (US) [4]On the Arrowhead Project, particular geological/hydro-logical challenges had to be overcome. In some sections,the full face consisted of softened, grained material. At thesame time, water inflows of up to 32 l/s at a pressure of10 bar had to be coped with. A special advance drillingand grouting scheme was used, with the drilling of 15holes at 1.5° and 19 holes at an angle of 4° in a canopy pat-tern into the face (Fig. 6). The overlapping of the drilledcanopies was intended to be at least 6.5 m in order to en-sure a permanent grouted plug in front of the TBM.

3.2 Grouting

Grouting serves to strengthen and waterproof the rockmass. In addition to drills for the drilling of the groutingboreholes, this requires tanks for the grout, mixing plantand pumps. Advance probe boreholes are also grouted inorder to close the bypass routes provided.

Practical example: Hallandsas (SE) [5]An intensive grouting programme was necessary on thisproject. 10 to 15 holes were drilled into the face as re-quired with lengths of up to 40 m in front of the cuttingwheel. Through these, the grout, so far 3,000 m3 of Rheo-cem 650, is injected at a pressure of up to 30 bar in orderto overcome the formation water pressure and fill cracksand fissures in the rock. When demanded by the geologi-cal conditions, a fan-shaped drilling pattern was drilledaround the tunnel profile for additional grouting.

15 Bohrungen mit 1,5° und 19 Bohrungen mit 4° Neigungjeweils schirmförmig in die Ortsbrust abgeteuft wurden(Bild 6). Die Überlappung der Bohrschirme sollte mindes-tens 6,5 m betragen, um einen permanenten vorlaufendenInjektionspfropfen vor der TBM zu gewährleisten.

3.2 Gebirgsinjektionen

Gebirgsinjektionen dienen der Verfestigung und Abdich-tung des Gebirges. Neben den Bohrgeräten zur Erstellungder Injektionsbohrlöcher sind Vorratsbehälter für das In-jektionsmaterial, Mischanlagen und Pumpen notwendig.Vorauserkundungsbohrungen werden ebenfalls mit Injek-tionsmaterial verfüllt, um die geschaffenen Wegigkeiten zuverschließen.

Praxisbeispiel Hallandsas (SE) [5]Ein intensives Injektionsprogramm war hier notwendig.Es wurden je nach Bedarf 10 bis 15 Bohrungen mit Län-gen bis zu 40 m durch das Schneidrad in die Ortsbrust ab-geteuft. Durch diese wurde das Injektionsmaterial, bisher3.000 m3 Rheocem 650, mit einem Druck von bis zu30 bar injiziert, um den Gebirgswasserdruck zu überwin-den und Risse und Klüfte im Fels zu verschließen. Sofernes die geologischen Umstände erforderten, wurde einfächer förmiges Bohrmuster um das Tunnelprofil zu an-schließenden Injektionszwecken abgebohrt.

Praxisbeispiel Arrowhead (US)In diesem bereits beschriebenen Projekt wurde eine Viel-zahl unterschiedlicher Injektionszemente und -mörtel mitjeweils sehr unterschiedlichen Anwendungszwecken ein-gesetzt. So kam mikrofeiner Zement zur Eindämmung desWasserzutritts und strukturellen Ertüchtigung des Gebir-ges zur Verwendung. Für die Verpressung im Anschluss andie Injektion mit mikrofeinem Zement wurde Typ II- undTyp III-Zement verwendet. Kolloidale Silikamörtel undPolyurethanharze kamen zur Kontrolle und Verminde-rung des Wasserzutritts sowie chemische Mörtel zur Ver-festigung von losem, brekziösem Gestein und zur Wasser-zutrittskontrolle zum Einsatz.

Fig. 6. Arrangement of the advance drilling and groutingschemeBild 6. Anordnung des Vorausbohr- und Injektionsschemas

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



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

3.3 Pipe arch

A further method of advance ground treatment is the pipearch. In order to bore through a fault zone, for examplewith a blocky rock mass, the relevant area (crown, invertor even a full perimeter screen) is drilled and pipes in-stalled at a flat angle from the tunnel alignment and grout-ed with suitable material as required (Fig. 7). The pipesalone act as a load-bearing and stabilising component ofthe rock support and can, as they are outside the tunnelprofile, remain in the rock mass. This can ensure the con-tinuation of a safe TBM advance.

4 Final comments

The methods presented here represent a cross-section ofthe available ways of advance ground probing and treat-ment from the TBM. When the problems described in thearticle become apparent during a tunnel drive, differentsolutions are often sought and found. No tunnel drive islike another; every geological anomaly has its special fea-tures and requires a detailed and specifically adapted anddiscussed procedure. The most successful solutions are of-ten combinations of both probing methods and treatmentmethods of the rock mass.

References

[1] Classen, J.: Bautechnische Bewältigung geologischer Pro -blemzonen mittels TBM am Gotthard-Basistunnel (Lucomag-no/Piora/Tenelin). STUVA-Tagung 2011.

[2] Richter, T.: Geophysikalische Vorauserkundung von Stö -rungs zonen und Verkarstungen durch Einsatz der Bohrloch-Radar-Technologie. geotechnik 31, (2008), No. 2, pp. 150–154.

[3] Richter, T., Boll, S., Weh, M.: Geophysikalische Voraus er -kundung von Verkarstungs- und Störungszonen bei derTVM-Auffahrung des Katzenbergtunnels. Geomechanik undTunnelbau 1 (2008), No. 5, pp. 450–459.

[4] Fulcher, B., Bednarski, J., Bell, M., Tzobery, S., Burger, W.:Piercing the Mountain and Overcoming Difficult Groundand 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.

3.3 Rohrschirme

Eine weitere Variante der vorauseilenden Gebirgsbehand-lung ist der Rohrschirm. Hierbei wird bei der Durchfah-rung einer Störzone mit z.B. blockigem Gebirge der beein-trächtigte Bereich (Firste, Sohle oder sogar ein vollständi-ger umlaufender Schirm) mit flach aus der Tunneltrasselaufenden Rohren abgebohrt und bei Bedarf mit geeigne-ten Verpressmaterialien injiziert (Bild 7). Die Verrohrungan sich wirkt dabei bereits als ein tragender und stabilisie-render Bestandteil der Felssicherung und kann, da sie au-ßerhalb der Bohrtrasse der TBM liegen, im Gebirge ver-bleiben. Somit ist die Fortsetzung des sicheren TBM-Vor-triebs gewährleistet.

4 Schlussbemerkung

Die hier vorgestellten Methoden stellen einen Querschnittder Möglichkeiten zur Baugrundvorauserkundung und -behandlung von einer TBM aus dar. Häufig werden beimAuftreten der geschilderten Probleme während eines Vor-triebs von diesen Methoden abweichende Lösungswegegesucht und gefunden. Kein Vortrieb ist wie der andere, je-de geologische Anomalie hat ihre Besonderheiten und be-darf einer eingehenden und speziell angepassten und ab-gestimmten Handlungsweise. Am erfolgversprechendstensind häufig Kombinationen sowohl der Vorgehensweisenzur Vorauserkundung als auch zur Vorausbehandlung desGebirges.

Dipl. Geol. André HeimHerrenknecht AGSchlehenweg 277963 [email protected]

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Kundenservice:Wiley-VCHBoschstraße 12D-69469 Weinheim


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Dieses Buch vermittelt das Grundwissen über die Anforderungen an die Stand-sicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken und über den Entwurf und die Bemessung von Tragelementen und Tragwerken, unabhängig vom verwendeten Bau- oder Verbundbaustoff. Dabei werden die Bauarten Holzbau, Stahlbau, Massivbau und Verbundbau gleichermaßen behandelt, um durch vergleichende Betrachtungen das

Erkennen von Zusammenhängen zu erleichtern. Durch den ganzheitlichen Ansatz werden neben den Kriterien der Standsicherheit und Wirtschaftlichkeit auch Aspekte des Gestaltens und der Funktionalität berück-sichtigt und die Baustoffe ihren jeweiligen Eigenschaften gemäß eingesetzt. Die zahlreichen durchgerechneten Beispiele dienen der schnellen Einarbeitung in die Planungspraxis.

Grundwissen für Studium und Berufseinstieg.

Dieser Band behandelt zunächst Bauteile unter Berücksichtigung von Stabilitäts-betrachtungen für Stabwerke, Scheiben und Schalen. Anschließend wird die Bemes-sung von Bauteilen, Tragwerkskomponenten und Gesamtragwerken für Hallen- und Geschossbauten dargestellt.

Die Autoren haben mit der entwurfsorientierten und werkstoffübergreifenden Lehre an der Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universität Stuttgart einen neuen Standard gesetzt. Balthasar Novák ist Professor für Massivbau und Ulrike Kuhlmann ist Professorin für Stahl-, Holz- und Verbundbau an der Universität Stuttgart. Mathias Euler ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut von Frau Prof. Kuhlmann und forscht im Bereich des Stahlbaus.

B A LT H A S A R N O VÁ K ,U L R I K E K U H L M A N N , M AT H I A S E U L E R

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Werkstoffübergreifendes Entwerfen und KonstruierenDie Bücher Werkstoffübergreifendes Entwerfen und Konstruieren knüpfen an den jahrelangen Erfolg der entwurfs- und baustoffübergreif-enden Lehre an der Universität Stuttgart an. Neben den Kriterien der Standsicherheit und Wirtschaftlichkeit werden auch Aspekte des Gestaltens und der Funktionalität berücksichtigt und die Baustoffe ihren jeweiligen Eigenschaften gemäß eingesetzt.


The Palomino HPP, with an installed capacity of 80 MW, is underconstruction in the Central Mountains of the Dominican Republic.The geological investigations for the 13.53 km long headrace tun-nel were highly restricted due to difficult access in the mountainareas, high tunnel overburden as well as precautionary environ-mental 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 pressurisedgroundwater in advance.

Palomino HRT – Erkundungsbohrungen in zwei geologischenGebirgsartenIm zentralen Bergland der Dominikanischen Republik wird dasWasserkraftwerk Palomino mit einer Nennleistung von 80 MW errichtet. Aufgrund der schwierigen Zugänglichkeit, der hohenÜberlagerungen und der naturschutzbedingen Einschränkungenim Nationalpark José del Carmen Ramirez war die geologischeErkundung entlang des 13,53 km langen Druckstollens stark ein-geschränkt. Für den etwa 12,4 km langen TBM-Abschnitt wurde,um Störzonen oder das Antreffen druckhafter Gebirgswässer imVortrieb vorab zu erkennen, ein ausführliches Vorauserkundungs-program konzipiert.

1 Introduction

In the Dominican Republic, renewable energy offered byhydroelectric power has become more and more impor-tant to cover the requirements of a comprehensive net-work on the energy market. One of the initial projects,the Palomino Hydroelectric Power Plant, was awarded tothe Brazilian contractor C.N. Odebrecht as a drill-and-blast project and is in the final stage of construction. Itwill start generating electric power by mid 2012. Thescheme comprises a 60 m high and 145 m wide concretedam, more than 18 km of challenging tunnel works, a360 m deep vertical shaft including surge tank, as well asa powerhouse cavern with a total volume of approximate-ly 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 drillingunit of the TBM and the concept of detection of fracturedzones as well as of the presence of pressurised groundwa-ter in advance are highlighted in the following para-graphs.

Topics

Palomino HRT – Exploration drillings in two geological formations

DOI: 10.1002/geot.201200007Andreas WalterCarlos GuimarãesReinhold Gerstner

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 hardrock double shield TBM (Figure 1, left) with a specified ex-cavation diameter of 4.6 m. The heading unit includingbackup system amounts to a length of about 265 m.

The TBM tunnel has an internal diameter of 3.96 mand is lined with a precast segmental lining (Figure 1,right). The 20 cm thick segments are designed to cover thepredicted external loadings including external water head,TBM thrust, grouting loads as well as loading during han-dling and transport. The final design of the lining providesan unsealed, parallel ring system composed of an invertsegment, two similar sidewall segments and a roof seg-ment acting as a keystone. Thus the TBM backup systemdemands a double track system to separate backup androlling stock, the invert segment was designed with a cen-trally located flat invert and fitted precast sleepers as wellas two lateral consoles for rail support. After the comple-tion of excavation, the sleepers were removed to offer opti-mised hydraulic conditions in the headrace tunnel.

In principle, the lining is designed for straight-line ap-plication. To manage the curve characteristic of the align-ment with a minimum radius of 600 m and to cope withslight deflections of the TBM excavation, timber spacersare placed in the circumferential joints.

The bedding of the lining is provided by filling the an-nular gap with pea gravel, followed by contact grouting.Localised borehole grouting was carried for rock masstreatment and sealing where required.

3 Geology of the headrace tunnel

Along the headrace tunnel, three main geological forma-tions are present (Figure 2): The Ventura Formation, theTireo Formation and the Granodiorite del Rio Yaque delSur. The rock cover of the 12.43 km long TBM tunnel isgenerally in the range of 100 to 500 m.

The first approximately 6,500 m were excavated inthe sedimentary Ventura Formation of Eocene age, whichmainly consists of siltstone with intercalated layers ofsandstone and marl. The rock strength (UCS) does not ex-ceed 60 MPa in general. The permeability of the rockmass is low; therefore the groundwater inflows to the tun-nel have been restricted to small inflows. The rock masshas been classified mainly in RMC III and IV.

From chainage ∼6+500 to chainage ∼12+000, the tun-nel was driven in the Tireo Formation of Upper Creta-ceous age. The Tireo Formation comprises volcanic andvulcano-sedimentary rocks: andesitic and basaltic lava,pyroclastica, ignimbrite, volcanic tuffs and volcanic brec-cias. The values of the rock strength (UCS) range from 80

to 240 MPa. The permeability of the rock mass is low tomedium, during excavation a number of moderate ground-water inflows have been encountered and at places higherinflows happened, especially in jointed zones and at thecontact of Ventura Formation to Tireo Formation. Therock mass has been classified mainly in RMC II and III, inthe fault zones mainly in RMC IV.

The last part of the tunnel at the upstream end with alength of 480 m was excavated in the Granodiorite del RioYaque del Sur, which forms a big batholith of Palaeoceneage. This granodiorite is a strong and abrasive rock, therock strength (UCS) is in the range of 100 to 250 MPa, thequartz content amounts to 30 to 40%. The permeability ofthe rock mass is low to medium in general.

Due to the difficult access to the mountainous areasand the overburden up to 500 m, the geological investiga-tions were limited, especially the number of core drillings.Some geological hazards were predicted, as there arefaults, high external water head and squeezing potentialwithin weak rock zones, so the heading had to be preparedto react accordingly when faced with critical conditions.As a consequence, the TBM concept included methods ofinvestigation during excavation in order to identify criticalzones in advance.

4 Specific specifications of the TBM

To cope with the predicted hazards, additional specifica-tions for the TBM drive were defined. In case squeezingrock was encountered, an increased TBM thrust of24,000 kN, the possibility of adjustable over-excavation upto 62 mm as well as the installation of lubrication nozzlesat the shield were considered in order to minimize the riskof getting jammed. The opening of the telescopic shield byup to 800 mm offers a broad accessibility for any activitiesat the tunnel wall. In order to handle pressurised ground-water, the machine was equipped to use polyurethane orsilica foam for sealing measures.

For systematic probing in advance, a movable and rotating drilling rig was installed behind the erector (Fig-ure 3, left). The 25 kW powered Atlas Copco percussiondrill could bore holes up to a depth of 120 m in the Ven-tura and Tireo Formations. For effective drilling proce-dures, rods with a length of 1.45 m and 32 mm in diametercould be handled on the drilling unit. 10 regularly parti-tioned drilling lines with an opening of 3.5′′ (≈ 89 mm) of-fer a broad exploration field in advance (Figure 3, right).For any rock mass improvements in advance, a groutedcanopy could be ordered if required.

As an additional measure to explore the geologicalconditions in advance, a sonic test device was installed.The test was carried out from chainage 5+000 to chainage

Fig. 2. Geological longitudinal sectionBild 2. Geologischer Längenschnitt



5+400. The recording was compared with the results ofthe exploration drilling at chainage 5+100. A comparisontable of both seismic measurements and explorationdrillings was prepared, but without any useful results. Dueto the fact that the recordings of the sonic test deviceshow uncertain results regarding the geological condi-tions, especially in the presence of water, this method wasnot used for further explorations during the heading.

5 Probing in advance

With respect to the predicted geological conditions de-rived from core drillings and field mapping, the explo-ration drillings on the TBM had been started before pass-ing the first critical zones at chainage 5+100 for a first test.During the drilling process, some modifications weremade to the drilling unit to be well prepared for the sys-tematic probing. One of the adjustments belongs to thewell known problem of controlled guiding of the drillingrods. Because of the small inclination of the drilling line ofjust 9° and the presence of inhomogeneous rock mass, es-pecially in the Ventura Formation, a guiding device wasneeded suitable for a variable annular gap width betweengripper shield and tunnel wall. As a final solution, a coni-cally shaped steel wedge was placed between shield andtunnel wall (Figure 4). In addition, an L-shaped clampingdevice fixed the guiding wedge in position. Access for theinstallation of the guiding system was available from thetelescopic shield after opening.

After the adaptation of the drilling unit and appropri-ate equipment, probing was carried out systematicallystarting from chainage 5+660 m. The last explorationdrilling was ordered in the last tunnel section of Tireo For-mation at chainage 11+650 m, where a fault zone was pre-dicted. No probing was performed in the granodiorite sec-tion.

Generally the exploration drilling was scheduled dur-ing the daily maintenance shift of 4 hours, in order not tointerrupt the TBM advance. With respect to the drillingperformance of 2 m/min in average, and considering aneffective utilisation factor of 30% (positioning of thedrilling unit and removing, fitting the drilling rods, addi-tional dead times), one exploration bore hole with a depthof approximately 110 m could be completed within themaintenance shift. In case of special events, such as highwater ingress or highly fractured zones, additional explo-ration drillings were carried out during the stoppage of themachine.

The drilling position was varied continuously (Fig-ure 5) in order to cover a broad scope. As already mentioned ten drilling lines were available to explore thegeological conditions in advance. The depth of the bore-holes was adapted based on the advance rates, to ensureoverlapping of the exploration drillings of 10 m mini-mum.

For the entire tunnel length, 151 exploration drillingswere carried out, with an average length of 50 m, which ismore than one and a half days of production.

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

Fig. 4. Guiding wedge, drilling crownBild 4. Führungskeil, Bohrkrone



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

The classified rock according to the exploration was com-pared to the geological mappings. For the TBM drive, geo-logical mapping consisted of a visual inspection of the tun-nel face during the maintenance shift. In addition, the tun-nel wall could be inspected at the open telescopic shieldand in the bottom area of the tail shield (open tail shield).

6 Special events

After the transition of the contact from Ventura Forma-tion to Tireo Formation at chainage ∼6+700, pressurizedgroundwater of the jointed basalt was discovered duringprobing. The water was clear, without the presence of fines(Figure 6). As a consequence, the decision was taken todrain the rock mass by drilling in advance, without anypre-treatment of the rock. During drilling, the wateringress increased continuously with the number ofdrillings. While the TBM was designed to manage a tem-porary high amount of water up to 500 l/s, the problemsarose that the pea gravel of the bedding was washed outthrough the grouting holes. To keep the pea gravel in theannular gap, filter pipes were fitted into all penetratingholes. After stabilizing the rings the TBM heading couldproceed.

At chainage 6+880 another zone of pressurised wateringress was encountered. After passing this zone a waterinflow up to 280 l/s was measured at the portal area. With-in a short time (≈ five days) the amount of water decreased

significantly and a steady state flow of about 70 l/s re-mained. With respect to the specific requirements of theheadrace tunnel, contact grouting was carried out system-atically for the entire tunnel length. Locally boreholegrouting was done for rock mass consolidation where re-quired. During grouting procedures the amount of waterinflow could be reduced to a minimum. In some tunnelstretches, drainage pipes were installed for to relieve pres-sure in the surrounding rock mass.

Besides the challenge of passing zones with high wa-ter ingress, some critical zones with local rock mass disin-tegration were encountered. Instabilities of lining beddingand the occurrence of segment cracks had been urging thebolting of the segments to ensure stable conditions for pre-liminary rock support. In a further step, the contact grout-ing procedure as well as final consolidation grouting werecarried out, to stabilize the lining and to improve the bed-ding in the long term.

Fig. 5. Exploration drillingsBild 5. Erkundungsbohrungen

Fig. 6. Water ingressBild 6. Wasserzutritt



7 Review and site experience

Reviewing the TBM drive, a successful drive with 27 mdaily advance as well as the mastering of a number of high-ly challenging events, the 12.43 km long TBM tunnel cele-brated the breakthrough on the 8th April 2011. Worthmentioning is the successful passing of the jointed basaltwith the presence of high water ingress as well as the sta-bilisation of the lining bedding and final improvementmanaged by a step by step grouting concept to complywith the requirements of the headrace system. The explo-ration concept provided a broad view of the geologicalconditions in advance and offered safe heading conditionsduring the excavation works.

Dipl.-Ing. Reinhold GerstnerVorarlberger Illwerke AGBatloggstraße 366780 [email protected]

Ing. Carlos GuimarãesProyecto Hidroeléctrico PalominoCalle Pedro Henrique Ureña # 152Ensanche La Esperilla, Torre Diandy XIXNoveno Piso, Santo DomingoRepública [email protected]

Dipl.-Ing. Andreas WalterViglconsult ZT GmbHBatloggstraße 366780 [email protected]

72 © 2012 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 1

Topics

DOI: 10.1002/geot.201200005

In the last 15 years, a number of transport tunnels for AustrianRailways ÖBB have been tendered for mechanised tunnelling byTBM and some have already been completed. The questionwhether to use one or two layers of lining was considered onpractically all these projects. This either led to a decision whichsystem to tender, or else the two alternatives were held to beequally suitable and the decision was left to market forces. Thesefundamental considerations about the lining system normally in-volved a systematic comparison and evaluation of the features ofeach system regarding the structural system (actions and resis-tance), serviceability (waterproofing, durability), the propertiesduring and after a fire and operational and maintenance consid-erations.

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 withmaintenance,

− the basic features of single- or two-layer construction for con-tinuously advanced tunnels, which are presented and brieflydescribed,

− the system matrix used to make system decisions and the eval-uation procedure,

− the economic considerations, mentioning the contrasting con-ditions in neighbouring European countries, including con-struction price and time considerations.

The system decisions or recommendations are analysed and ar-gued through the example of rail tunnels in Germany and Switzer-land as well as ÖBB tunnel projects. This overall treatment is intended to clarify how system decisions or recommendationswere reached on ÖBB projects and what assistance can be de-rived for future projects, also considering foreseeable technicaldevelopments.

1 Introduction

The Wienerwald Tunnel, the significant sections of theLower Inn Valley line and the three tunnels in the Per-schling chain in Austria have all been driven continuouslyby tunnel boring machines (TBM) [1]. These railway tunnelswere built under very different local conditions and differ-ent methods of lining were upplied. Contract KAT 2 of theKoralm Tunnel has now been started, and further tunnelson 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 Ver-kehrstunneln der ÖBB für einen kontinuierlichen Vortrieb mittelsTVM ausgeschrieben und zum Teil auch schon ausgeführt. Beipraktisch all diesen Projekten wurden Grundsatzüberlegungenzur Frage der Ein- oder Zweischaligkeit angestellt. Daraufhinwurden entsprechende Systementscheidungen getroffen oderunter Wahrung der Gleichwertigkeit die Systemwahl im Hinblickauf die Wirtschaftlichkeit dem Markt überlassen. Bei den Grund-satzüberlegungen zum Auskleidungssystem wurden in der Regeldie Systemmerkmale hinsichtlich des statisch konstruktiven Sys-tems (Einwirkung und Widerstand), der Gebrauchstauglichkeit(Dichtheit, Langlebigkeit), der Eigenschaften während und nacheinem Brandereignis sowie die Eigenschaften im Bezug auf denBetrieb und die Erhaltung einander systematisch gegenüberge-stellt und bewertet.

Im Beitrag sollen:− Die wesentlichen Systemanforderungen hinsichtlich Einwir-

kung und Widerstand, Gebrauchstauglichkeit und Brandsicher-heit exemplarisch dargelegt werden,

− Die Grundsatzanforderungen an Betrieb und Erhaltung bei ÖBBTunneln beschrieben werden und es soll auf bisherige Erfah-rungen bei der Erhaltung eingegangen werden,

− Die grundsätzlichen Systemmerkmale der ein- oder zweischali-gen Bauweise bei kontinuierlichen Vortrieben vorgestellt undkurz beschrieben werden,

− Die bei den bisherigen Systementscheidungen verwendete Be-wertungsmatrix und das angewendete Bewertungsverfahrenvorgestellt werden,

− Die wirtschaftlichen Überlegungen mit Hinweis auf unter-schiedliche Bedingungen im Europäischen Umfeld unter Ein -beziehung von Leistungsansätzen und Bauzeitüberlegungenerörtert werden.

Die Systementscheidungen bzw. Systemempfehlungen werdenan Hand von Eisenbahnprojekten aus Deutschland und derSchweiz sowie ÖBB-Tunnelprojekten grob nachvollzogen und ar-gumentiert. Aus der gesamten Betrachtung soll hervorgehen, wiedie bisherigen Systementscheidungen bzw. Systemempfehlungenbei ÖBB Projekten begründet waren und welche Entscheidungs-hilfen sich für weitere Projekte unter Einschätzung der technolo-gischen Entwicklung ableiten lassen.

1 Einleitung

In Österreich wurden in den letzten Jahren der Wiener-waldtunnel, die maßgeblichen Tunnelstrecken der Unter-inntaltrasse sowie die drei Tunnel der Tunnelkette Persch -

Two-layer lining for ÖBB railway tunnel projects with TBM

Ein- und zweischalige Auskleidung bei Tunnelbau -projekten der ÖBB mit kontinuierlichem Vortrieb

Günter StrapplerAlois ViglRudolf Scheutz


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

nels like the Semmering Base Tunnel, the Brenner BaseTunnel and the route around Seekirchen are planned forTBMs and are at various stages of design. The selection of alining system is thus a currently significant theme, and in-fluential system decisions have already been made.

In total, about 255 km of TBM-driven tunnels are cur-rently underway, about 16 % under construction, awarded(approx. 13 %) or in the design phase (approx. 70 %). Thisdistance corresponds to nearly the width or half the lengthof Austria. The decisions which lining system to use werereached individually, with the essential evaluation factorsbeing structural safety, fire safety, durability, constructioncosts, time and risk, as well as maintenance. Some of theseevaluation factors represent measurable quantities likeprojected construction cost and time, some which cannotbe easily quantified like risk costs, some which can only beapproximately formulated like quality and recognised stateof the technology, and quantities with various degrees oftime-relevance like construction, financing and mainte-nance.

On the one hand, dealing with very individual pro-ject-specific conditions and the very different nature of theevaluation factors rule out a “cooking recipe” for the deci-sion-making process. On the other hand, a manner of“general concept” has developed in the course of the deci-sion-making process, which has become established as asort of “common denominator” for decisions. This articleintends to describe and explain the decisions made usingthe selected decision-making aids, and specify the “generalconcept”. This does not of course alter the need to investi-gate each individual project in detail and base the selec-tion of a lining system on this detailed investigation.

If two solutions have equal technical value and thedesign team cannot make any definite recommendationbased on the other evaluation factors and cost estimates, itcan be sensible to complete the design work and tenderboth variants to leave the decision to market forces.

2 System features of single- and two-layer liningconstruction with continuous advance

2.1 Basic requirements

The basic requirements for a lining system comprise:– secure support of the cavity during tunnelling work un-

der the given local conditions of geology, geomechanicsand hydrogeology (structural safety),

– serviceability with regard to waterproofing require-ments, durability, fire protection and geometric require-ments,

– the requirements of environmental impact consideringthe specific local conditions,

– quality requirements regarding maintenance, operationand availability of the facilities,

– the basics of optimised economics considering the costsresulting from financing, construction, maintenance,and risks from each sphere.

2.2 Typical standard cross-sections

Two-layer – Wienerwald TunnelThe approximately 11.5 km long Wienerwald Tunnel hastwo bores and was initially driven through molasse and

ling im kontinuierlichen Vortrieb mittels Tunnelvortriebs-maschinen (TVM) aufgefahren [1]. Diese Eisenbahntunnelwiesen sehr unterschiedliche Randbedingungen auf, undes wurden auch unterschiedliche Auskleidungssysteme an-gewandt. Das Baulos KAT 2 des Koralmtunnels wurdemittlerweile begonnen, und weitere Tunnel der Koralm-strecke [2] sowie der Pummersdorfer Tunnel [3] wurdenbzw. werden für TVM ausgeschrieben. Eine ganze Reiheweiterer Tunnel wie der Semmering Basistunnel, der Bren-ner Basistunnel, die Umfahrung Seekirchen sind mit TVMangedacht und befinden sich in unterschiedlichen Pla-nungsstadien. Dabei wurde die Entscheidung über dasAuskleidungssystem eingehend thematisiert, und es wur-den bereits weitreichende Systementscheidungen getrof-fen.

In Summe geht es dabei um ca. 255 km TVM-Tunnel-röhren von denen zurzeit ca. 16 % im Bau, in Ausführung(ca. 13 %) oder in Planung (ca. 70 %) sind. Dies entsprichtimmerhin beinahe der Breite bzw. der halben Länge Öster-reichs. Die Entscheidungen für das Auskleidungssystemwerden individuell getroffen. Dabei werden im Wesentli-chen die Tragsicherheit, der Brandschutz, die Dauerhaftig-keit, Baukosten, Bauzeit und Risiko sowie Erhaltung be-wertet. Bei den Bewertungsgrößen geht es zum Teil umEinflussgrößen, die konkret in Zahlen zu fassen sind, wieprojektierte Baukosten und Bauzeit, solche, die nur un-scharf fassbar sind, wie Risikokosten, solche, die nur un-scharf formulierbar sind, wie Qualität und erprobter Standder Technik sowie um Größen mit unterschiedlicher zeitli-cher Relevanz wie Errichtung, Finanzierung und Erhal-tung.

Der Umgang mit sehr individuellen Projektrandbe-dingungen einerseits und die sehr unterschiedlichen Na-tur der Evaluierungsgrößen andererseits schließen ein„Kochrezept“ bei der Entscheidungsfindung weitgehendaus. Andererseits hat sich im Zuge der Entscheidungsfin-dungen doch eine Art „Leitbild“ entwickelt, das sich alsein quasi „gemeinsamer Nenner“ bei den Entscheidungenetabliert hat. Der vorliegende Beitrag versucht die Ent-scheidungen anhand der gewählten Entscheidungshilfenverständlich und nachvollziehbar zu machen und das„Leitbild“ zu diskretisieren. Was jedoch auch in Zukunftbleiben wird, ist das Erfordernis sich individuell mit jedemProjekt auseinanderzusetzen und die Systementscheidungfür das Auskleidungssystem von dieser Auseinanderset-zung maßgeblich abhängig zu machen.

Wenn sich für beide Lösungen eine technischeGleichwertigkeit ergibt und von Seiten der Planung keineeindeutige Empfehlung auf Basis der übrigen Bewertungs-parameter und der Kostenschätzung gegeben werdenkann, kann es sinnvoll sein, beide Varianten durchzupla-nen und auszuschreiben und die Entscheidung demMarkt zu überlassen.

2 Systemmerkmale der einund zweischaligen Bauweisebei kontinuierlichem Vortrieb

2.1 Grundsatzanforderungen

Die Grundsatzanforderungen an das Auskleidungssystembestehen aus:– einer sicheren Hohlraumstützung während des Vor-

triebs unter den jeweils gegebenen Randbedingungen



then mainly flysch with overburden depths of between 150and 250 m. Despite the moderate level of primary stress,the poor rock mass properties expected in places meantthat the lining had to be designed for not inconsiderableloading. The formation water pressure, with little actualinflow, was also expected to be high due to the generallylow rock permeability and the high groundwater table,which required a pressure-relieved waterproofing system.The evaluation carried out for the lining system compareda single-layer lining against a two-layer system. Due to thewide range of possible external loading cases includingwater pressure, the decision was made to use a two-layerpressure-relieved system with an economic unsealed outersegmental lining and an unreinforced in-situ concrete in-ner lining with a pressure-relieved waterproofing mem-brane between (Figure 1).

Single layer with fire protection lining – Lower Inn Valleyline contract H3–4Along the northern approach routes to the Brenner BaseTunnel, the main contract H3–4 has a two-track tunnelwith a length of approx. 5.8 km mainly running throughthe alluvium under the water table in the Inn Valley. A hy-droshield was used with a cutting wheel diameter of13.03 m [4]. The cover above the crown was between 12and 44 m with a groundwater table of 6 to 28 m. This re-sulted in a required support pressure of 0.8 to 3 bar andthe specification of an immediately available, watertightand pressure-resistant lining. As part of the evaluation, asingle-layer lining was compared with a two-layer solutionand also a fire protection lining. A two-layer solution wasselected, mainly due to the fire safety requirements. Theouter layer provides a full-value, single-layer system meet-ing the structural and serviceability requirements, and theinner lining is thin and only designed to meet the fire pro-tection requirements (Figure 2).

aus Geologie, Geomechanik und Hydrogeologie (Tragsi-cherheit),

– der Gebrauchstauglichkeit im Hinblick auf die Abdich-tungsansprüche, die Dauerhaftigkeit, den Brandschutzund die geometrischen Vorgaben,

– den Ansprüchen aus der Umweltverträglichkeit unterBerücksichtigung der jeweiligen projektspezifischenRandbedingungen,

– dem Qualitätsanspruch im Hinblick auf die Erhaltung,den Betrieb und die Anlagenverfügbarkeit

– dem Grundsatz der optimierten Ökonomie unter Beach-tung der Kosten zufolge Finanzierung, Errichtung, Er-haltung und Risiko aus den jeweiligen Sphären.

2.2 Typische Regelquerschnitte

Zweischalig – WienerwaldtunnelDer ca. 11,5 km lange Wienerwaldtunnel hat mit zweiRöhren zunächst Molasse und dann in der HauptsacheFlyschgestein bei Überlagerungshöhen zwischen 150 und250 m aufgefahren. Trotz des bescheidenen Primärspan-nungsniveaus war zufolge zum Teil erwarteter mäßiger Ge-birgseigenschaften doch mit einer nicht unerheblichenGebirgslast auf die Auskleidung zu rechnen. Auch derBergwasserdruck war zufolge der überwiegend geringenGebirgsdurchlässigkeit und hohem Bergwasserspiegel, beigeringen Wasserzutritten, eher hoch anzusetzen, was eindruckentlastetes Abdichtungssystem erforderte. Für dasAuskleidungssystem wurde im Rahmen einer Evaluierungein einschaliges Auskleidungssystem einer zweischaligenAuskleidung gegenübergestellt. Gewählt wurde aufgrundder großen Bandbreite möglicher äußerer Lasten ein-schließlich Bergwasserdruck, ein zweischaliges, druckent-lastetes System mit einer kostengünstigen, nicht gedichte-ten Tübbing-Außenschale und einer unbewehrten Ortbe-ton-Innenschale mit dazwischen liegender, druckentlaste-ter Abdichtungsbahn (Bild 1).

Fig. 1. Typical section Wienerwald,two-layer, water pressure-relieved struc-tureBild 1. Regelquerschnitt Wienerwald-tunnel, zweischalig, druckentlastet



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 mi-ca schist followed by shale gneiss with a length of approx.7.9 km and overburden of up to 800 m, followed by a crys-talline section through various gneisses with a length ofapprox. 9.8 km and overburden up to 1,225 m [2]. The pri-mary stress level is impressive and considerable loadinghas to be expected in parts of the first section. In the sec-ond section, very good rock mass properties can generallybe expected, so that high loading is only to be expectedalong the pronounced fault zones. Accordingly, a two-lay-er lining system with unreinforced concrete inner liningand pressure-relieved waterproofing membrane betweenthe layers, similar to the Wienerwald Tunnel, was selectedfor the first section, and for the second section the optionwas left open to omit the inner lining and provide the wa-terproofing function in the form of an umbrella water-proofing with pressure-relieved single-layer segment con-struction. In fault zones, with corresponding loading, two-layer construction is also specified in the second section(Fig. 3).

Single layer – Pummersdorfer TunnelThe Pummersdorfer Tunnel was tendered for either con-ventional or continuous (TBM) tunnelling [3]. It passesthrough a molasse zone with a length of approx. 3.5 km inthe so-called Miocene Schlier of the St.Pöltner Beckenwith a single tube two-track tunnel. The excavated diame-ter for TBM is 12.58 m. The overburden above the crownis mostly between 15 and 20 m, with a length of almost2 km passing under shallow Quaternary gravels, which al-so represent a groundwater aquifer that is to be disturbedas little as possible by the tunnel construction. As with theLower Inn Valley line, this requires an immediately effec-tive waterproof lining, which can also meet the require-ments of active sidewall support up to approx. 2.5 bar. Incontrast to the Lower Inn Valley line, the danger potentialhere is slightly less onerous; the requirements for con-

Einschalig mit Brandschutzgewölbe – UnterinntaltrasseH3–4Entlang der nördlichen Zulaufstrecke zum Brenner Basis-tunnel unterquert das Hauptbaulos H3–4 auf einer Längevon ca. 5,8 km mit einer zweigleisigen Röhre in der Haupt-sache das Inntal in Alluvionen und unter dem Grundwas-serspiegel. Eingesetzt wurde ein Hydroschild mit einemSchneidraddurchmesser von 13,03 m [4]. Die Firstüberla-gerung lag bei 12 bis 44 m bei einem Grundwasserspiegelvon 6 bis 28 m. Daraus ergab sich ein erforderlicher Stütz-druck von 0,8 bis 3 bar und für die Auskleidung das Erfor-dernis nach einem sofort verfügbaren, dichten und druck-haltenden Ausbau. Im Rahmen einer Evaluierung wurdeein einschaliger Ausbau einem zweischaligen Ausbau undeinem solchen mit Brandschutzgewölbe gegenübergestellt.Gewählt wurde, maßgeblich zufolge der Brandschutzan-forderungen, ein zweischaliges System. Die Außenschalebietet dabei, im Sinne der Tragsicherheit und Gebrauchs-tauglichkeit, ein vollwertiges, sofort verfügbares einschali-ges System, während für den konstruktiven Brandschutzein schlankes und nur für den Brandfall dimensioniertesInnengewölbe verfügbar ist (Bild 2).

Hybridmodell ein-/zweischalig – Koralmtunnel KAT 2:Der zentrale Bauabschnitt des Koralmtunnels, das BaulosKAT 2, durchörtert mit zwei eingleisigen Röhren zunächstGlimmerschiefer und Schiefergneis auf einer Länge vonca. 7.9 km bei Überlagerungshöhen bis 800 m und an-schließend einen Kristallinabschnitt mit unterschiedli-chen Gneisen auf eine Länge von ca. 9,8 km und bei Über-lagerungshöhen bis 1.225 m [2]. Das Primärspannungsni-veau ist beachtlich und entlang des ersten Abschnitts istauch abschnittsweise mit erheblichen Beanspruchungender Auskleidung zu rechnen. Im zweiten Abschnitt istüberwiegend von sehr guten Gebirgseigenschaften auszu-gehen, sodass eine erhebliche Beanspruchung nur entlangausgeprägter Störungen zu erwarten ist. Entsprechendwurde für den ersten Abschnitt, ähnlich wie beim Wiener-waldtunnel, ein zweischaliges System mit unbewehrter

Fig. 2. Typical section H3–4, single-layer, watertight with fire retardant inner liningBild 2. Regelquerschnitt H3–4; ein-schalig, druckhaltend mit Brandschutz-gewölbe



structional fire protection are not as stringent and can bemet by the addition of the appropriate quantity ofpolypropylene fibres to the segment concrete with single-layer construction. In addition, the standard cross-sectionprovides an intervention space, which would make it pos-sible to install an additional inner lining in case of a fire(Figure 4).

The Pummersdorfer Tunnel has now been awardedand according to the bids received will be constructedwith conventional advance.

Single layer – New Kaiser Wilhelm Tunnel near Cochemon the MoselThis tunnel is about 4 km long and was driven by an earthpressure balanced (EPB) machine. Due to the relativelydense ground and low water ingress, a solution was select-ed with a singlelayer pressure-resistant segment lining

Ortbeton-Innenschale und dazwischen liegender druck-entlasteter Abdichtungsbahn gewählt, während im zweitenAbschnitt die Option offen gelassen wurde, die Innenscha-le wegzulassen und die Abdichtungsfunktion im Sinne ei-ner Regenschirmabdichtung mittels druckentlasteter, ein-schaliger Tübbingbauweise zu realisieren. In Störungszo-nen ist bei entsprechender Beanspruchung auch im zwei-ten Abschnitt eine zweischalige Bauweise vorgesehen(Bild 3).

Einschalig – Pummersdorfer TunnelDer Pummersdorfer Tunnel wurde für zyklischen und kon-tinuierlichen Vortrieb (TVM) ausgeschrieben [3]. Erdurchörtert auf einer Länge von ca. 3,5 km eine Molasse-zone im so genannten Miozänschlier des St.Pöltner Be-ckens mit einer einzelnen Doppelspurröhre. Der Aus-bruchsdurchmesser für TVM beträgt 12,58 m. Die Überla-

Fig. 3. Typical section Koralm KAT 2,two-layer, water pressure-relieved struc-ture, optionally without inner liningBild 3. Regelquerschnitt KAT 2; zwei-schalig, druckentlastet, mit Option fürEntfall der Innenschale

Fig. 4. Typical section Pummersdorf,single-layer, watertight with extra spacefor interventionsBild 4. Regelquerschnitt Pummersdorf;einschalig, druckhaltend mit Interven -tionsraum



designed for only 3 bar with the pressure being relieved insections with a particularly high groundwater table bydraining the small quantities of water through the seg-ments into a separate drainage pipe in the carriageway [5](Figure 5).

3 Basics of system evaluation3.1 Flow diagram

The procedure shown diagrammatically in Table 1 hasproved successful for the comparison of lining systems. Incase the construction time is significant for the compari-son of single and two-layer linings, this can be taken intoaccount 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 andtime, it is essential to determine the costs of the standardmeasures as base costs with equivalent detailing per runningmetre of tunnel for all systems. Firstly, a realistic standardsection is derived for each system, which is then used to de-rive and price the quantities per item. For the realistic esti-mation of the construction time, a method of schedule de-termination with the display of critical and uncritical con-struction time has proved successful, with the time-relatedcosts of the employer being considered in the listing of costs.

The evaluation of the selected system is then per-formed with regard to the initially mentioned basic re-quirements. The evaluation can be qualitative or quantita-tive according to the processing depth.

4 Experience with existing railway tunnels in Austria4.1 The condition of existing tunnels and recommendations

for new construction

Due to the development of the New Austrian TunnellingMethod (NATM) and the aim of working with a tempo-rary support system as slender and adaptable as possible,

gerung über Firste erreicht maximal ca. 22 m und liegtmeist zwischen 15 und 20 m wobei über eine Länge vonbeinahe 2 km quartäre Kiese den Tunnel seicht überla-gern und zugleich einen Grundwasserkörper darstellen,der durch den Vortrieb möglichst nicht gestört werdensollte. Wie bei der Unterinntaltrasse erfordert dies einensofort wirksamen, dichten Ausbau, der sich gleichzeitigauch aus dem Erfordernis nach aktiver Leibungsstützungbis zu ca. 2,5 bar ergibt. Anders als bei der Unterinntaltras-se liegen hier aufgrund eines geringeren Gefährdungspo-tenzials etwas geringere Anforderungen an den baulichenBrandschutz vor, die sich durch entsprechende Zugabevon Polypropylenfasern zum Tübbingbeton auch kosten-günstig mit einer einschaligen Bauweise erfüllen lassen.Zusätzlich wird im Regelquerschnitt ein Interventions-raum vorgehalten, der es nach einem Brandereignis erlau-ben würde, im Rahmen der Instandsetzung ein zusätzli-ches Innengewölbe einzubauen (Bild 4).

Der Pummersdorfer Tunnel wurde zwischenzeitlichvergeben und wird zufolge der Angebotslage im zyklischenVortrieb ausgeführt.

Einschalig – Neuer Kaiser-Wilhelm-Tunnel bei Cocheman der MoselBei diesem rund 4 km langen Tunnel, der mit einer Erd-druckschildmaschine aufgefahren wurde, wird aufgrunddes relativ dichten Gebirges und geringer Wasserzutrittedie Lösung ausgeführt, die einschalige druckhaltende Tüb-bingschale nur auf 3 bar Wasserdruck auszulegen und inBereichen mit höherem Bergwasserspiegel den Druck zuentlasten und die geringen Wassermengen durch die Tüb-binge durchzuleiten und in einer separaten Leitung in derFahrbahn abzuführen [5] (Bild 5).

3 Grundsätze der Systemevaluierung3.1 Ablaufschema

Als Vorgangsweise für den Vergleich von Auskleidungssys-temen hat sich das in Tabelle 1 dargestellte Ablaufschema

Fig. 5. Typical section NKWT (NewKaiser Wilhelm Tunnel); single-layer,watertight (up to 3 bar) with extra space for interventionsBild 5. Regelquerschnitt NKWT (NeuerKaiser-Wilhelm-Tunnel); einschalig,druckhaltend (bis 3 bar) mit bautechni-schem Nutzraum



Austrian railway tunnels in recent times have been exca-vated conventionally and constructed with two layers con-sisting of conventional temporary support, full-surface waterproofing and unreinforced concrete inner lining.

Railway tunnels constructed like this have to bemountained 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 lowerspeed. On the route of the Westbahn line, some test runshave been carried out at vmax = 250 km/h.

The cracking patterns experienced in unreinforcedconcrete inner linings generally show longitudinal cracksin the crown and in some cases, under challenging geolog-ical conditions, also at the sides or near the spring line.Crack widths have been documented from the character ofhair cracks (0.2 mm) up to the millimetre range. Steps atthe edge of cracks are seldom and spalling has never beendetected so far. Years of observation and measurement ofthe crack widths have not found any serious deteriorationin most tunnels. The same applies to radial and inclinedcracks, which are encountered from very fine up to themillimetre range. Minimal, slight steps between individual

bewährt. Falls die Bauzeit für den Vergleich des ein- undzweischaligen 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 Zeiteinflüs-se ist es unerlässlich, die Kosten der Regelmaßnahmen alsBasiskosten mit einer für alle Systeme gleichwertigen De-taillierung je Laufmeter Tunnel zu erfassen. Basis dazu istdie Herleitung eines realistischen Regelquerschnitts für jedes System und darauf aufbauend die Herleitung undAuspreisung der Massen je Position. Zur realitätsnahenErfassung der Bauzeit hat sich eine Bauzeitermittlung mitDarstellung einer kritischen und unkritischen Bauzeit be-wehrt, wobei die zeitgebundenen Kosten des Auftragneh-mers einschließlich der zeitgebundenen Kosten des Auf-traggebers in der Kostenaufstellung berücksichtigt werden.

Die Evaluierung der ausgewählten Systeme erfolgtdann unter Bezug auf die eingangs erwähnten Grundsatz-anforderungen. Die Bewertung kann je nach Bearbei-tungstiefe qualitativ oder quantitativ erfolgen.

Table 1. Flow chart for the selection of lining systemsTabelle 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)

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

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)

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

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

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

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

Evaluation and description of the suitable systems, or exclusion of systems due to the of costs and risk costs in the compilationCompilation 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

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concrete elements are possible, but not common. In someplaces, inclined cracks are detected at the corner of nich-es, which have to be interpreted as stress cracking.

Shell-shaped, sickle-shaped cracks have been ob-served at the ends of block joints, and these can also rangeup to millimetres. These were probably caused by the hy-draulic pressing of the formwork onto the last block to beconcreted. These formwork cracks sometimes also show aslight step, but no loosening of the concrete has yet beenobserved

4.2 Drainage pipes in newer tunnels

Drainage pipes are an anxiety for tunnel maintenance per-sonnel when the necessary flushing cannot be carried outregularly due to the lack of track closures and mainte-nance windows. This has the consequence for basic tunneldesign decisions that a sustainably functioning drainagesystem is one of the most important preconditions for adurable railway tunnel. If the regular drainage of forma-tion water and groundwater does not function or cannotbe ensured in the long term, then water build-up can resultin additional attack on the unreinforced concrete innerlining with associated secondary damage.

4.3 Tunnel availability

There are currently no doubts about the fitness of Austrianrailway tunnels for operation due to crack formation in un-reinforced concrete inner linings, but incidents connectedwith drainage systems (blockages of the side drains) have al-ready led to disruptions and flooding of tunnels.

5 System decisions in the neighbouring European countries

The situation in nearby countries is mainly determined bygeology and the relevant requirements of the rail opera-tors. If Switzerland and Germany are considered, the im-mediate neighbours of Austria, then many railway tunnelsin Switzerland and most in Germany are situated in theAlpine foreland from the molasse to the Quaternary.Switzerland and Austria also share the central Alps, wherethe large Alpine crossings are located. Table 2 shows a selection of rail tunnel projects, which are under construc-tion or have been completed in Switzerland or Austria.

5.1 Design tradition

Considering Table 2, it is noticeable that two-layer liningsare predominant in Switzerland. In Germany, single-layerlinings with waterproofed segments have been growing inpopularity in recent years.

Investigation of the relevant national codes for thedesign and construction of railway tunnels (SIA 197/2004“Design of tunnels – Basic principles” (chap. 8.4) [6] forSwitzerland and guideline 853 “Design, construction andmaintenance of railway tunnels” (modules 853.4004 and853.4005) [7] for Germany) shows that single-layer con-struction with waterproof segments and two-layer con-struction with unreinforced or reinforced inner lining andwith or without waterproofing are all dealt with as permis-sible methods of construction.

4 Erfahrung mit bestehenden Eisenbahntunneln in Österreich4.1 Zustand bestehender Tunnel und Empfehlungen für die

Bauphase

Aufgrund der Entwicklung der Neuen ÖsterreichischenTunnelbauweise (NÖT) und dem Ziel, mit einer möglichstschlanken und anpassungsfähigen Erstsicherung zu agie-ren, wurden die österreichischen Eisenbahntunnel der Neu-zeit zyklisch aufgefahren und zweischalig mit konventionel-ler Vorauskleidung, flächenhafter Abdichtung und unbe-wehrter Tunnelinnenschale ausgeführt.

Verteilt auf das österreichische Bundesgebiet sind so-wohl entlang der Westbahn als auch auf anderen wichtigenDurchzugsstrecken diese Bauweisen zu betreuen. Zurzeitwerden einige Tunnelbauwerke mit einer Höchstgeschwin-digkeit von vmax = 200 km/h befahren, die meisten Tunnelsind aber für eine niedrigere Streckengeschwindigkeit kon-zipiert. Entlang der Westbahn wurden vereinzelt Versuchs-fahrten mit vmax = 250 km/h durchgeführt.

Angetroffen werden bei den unbewehrten Innenscha-len die allgemein bekannten Rissbilder, die hauptsächlichin der Firste Längsrisse zeigen und fallweise bei anspruchs-vollen Gebirgsverhältnissen auch seitlich an den Ulmenoder im Kämpferbereich Längsrisse aufweisen. Rissweitenmit Haarrisscharakter (0,2 mm) bis in den Millimeterbe-reich sind dokumentiert. Versätze an den Rissufern wurdenkaum, Abplatzungen eigentlich bis dato gar nicht vorgefun-den. Nach jahrelangen Beobachtungen und Messungen derRissbreiten wurden in den meisten Tunnels keine gravieren-den Verschlechterungen festgestellt. Gleiches gilt auch fürRadial- und Schrägrisse, die von ganz fein bis in den Milli-meterbereich angetroffen wurden. Minimale, geringe Ver-sätze einzelner Betonteile sind möglich, aber nicht die Re-gel. Vereinzelt sind Schrägrisse an den Nischenecken fest-zustellen, die als Spannungsrisse gedeutet werden müssen.

Schalenförmige, sichelförmige Risse sind an den En-den der Blockfugen zu beobachten, die ebenfalls in den Mil-limeterbereich reichen können. Wahrscheinlich sind siedurch das hydraulische Anpressen des Schalwagens an denzuletzt betonierten Block entstanden. Diese Schalenrisseweisen manchmal auch einen leichten Versatz auf, aber Ab-lösungen des Betons wurden bis dato nicht beobachtet

4.2 Entwässerungsleitungen neuer Tunnelbauwerke

Sorge bereiten den Tunnelerhaltern Entwässerungsleitun-gen, wenn die notwendigen Spülungen durch fehlendeGleissperren und Wartungsfenster nicht regelmäßig durch-geführt werden können. Dies bedeutet bereits für Grund-satzentscheidungen der Planung, dass eine nachhaltigfunktionierende Entwässerungslösung zu den wichtigstenGrundvoraussetzungen eines langlebigen Eisenbahntun-nels gehört. Ist eine ordnungsgemäße Ableitung der Berg-u. Grundwässer nicht gegeben oder auf Dauer nicht gesi-chert, so kann es durch Wasseraufstau zu zusätzlichen Be-lastungen der unbewehrten Tunnelinnenschale mit ent-sprechenden Folgeschäden kommen.

4.3 Tunnelverfügbarkeit

An der Betriebstauglichkeit der österreichischen Eisen-bahntunnel wegen Rissbildung der unbewehrten Innen-



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

Tunnel Tracking Lining systemTunnel Vortrieb Ausbausystem

Switzerland/Schweiz

Zurich Thalwil, Zurich sidfe Rock, hard rock, TBM Two-layer, pressure resistant, bolted with gaskets; Loose ground hydroshield rock bolted without gaskets

Zürich Thalwil, Seite Zürich Fels: Hartgesteins TVM; Zweischalig, druckhaltend; Lockergestein: verschraubt gedichtet; Lockergestein: Hydroschild Fels: verschraubt ohne Dichtung

Zürich Thalwil, Thalwil side Hard rock TBM-S Two-layer crown, invert single-layer, open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane

Zürich Thalwil, Seite Thalwil Hartgesteins TBM-S Zweischalig oben, Sohle einschalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Oenzenberg Tunnel Hard rock TBM-S Two-layer, pressure-resistant, open segment system, Loose ground: hydroshield pressure-relieved waterproofing with membrane

Oenzenbergtunnel Fels: Hartgesteins TVM; Zweischalig, druckhaltend; offenes Tübbingsystem, Lockergestein: Hydroschild druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Murgenthal Tunnel Hard rock TBM-S Two-layer crown, invert single-layer, open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane

Tunnel Murgenthal Hartgesteins TBM-S Zweischalig oben, Sohle einschalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Zürichberg Tunnel Hard rock TBM-S Two-layer open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane

Zürichbergtunnel Hartgesteins TBM-S Zweischalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Grauholz Tunnel Hard rock TBM-S Single-layer, pressure-resistant (pressureless); loose ground and rock – bolted with gaskets

Grauholztunnel Hartgesteins TBM-S Einschalig, druckhaltend (drucklos); Lockergestein und Fels verschraubt gedichtet

Gubrist Tunnel Hard rock TBM-S Two-layer crown, invert single-layer, open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane

Gubristtunnel Hartgesteins TBM-S Zweischalig oben, Sohle einschalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

dÀrrissoules Tunnel Hard rock TBM-S Two-layer open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane

Tunnel dÀrrissoules Hartgesteins TBM-S Zweischalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Sachseln Tunnel Hard rock TBM-S Two-layer open segment system, pressure-relieved waterproofing with membrane

Tunnel Sachseln Hartgesteins TBM-S Zweischalig; offenes Tübbingsystem, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Lötschberg Base Tunnel Open hard rock TBM Two-layer; conventional temporary support, pressure-relieved waterproofing with membrane

Lötschberg Basistunnel Hartgesteins TBM-offen Zweischalig; konventionelle Vorauskleidung, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Gotthard Base Tunnel Open hard rock TBM Two-layer; conventional temporary support, pressure-relieved waterproofing with membrane

Gotthard Basistunnel Hartgesteins TBM-offen Zweischalig; konventionelle Vorauskleidung, druckentlastet gedichtet mittels Abdichtungsbahn

Basle EPB shield Single-layer, pressure-resistant, bolted with gaskets Basel EPB-Schild Einschalig, druckhaltend verschraubt gedichtet

Germany/Deutschland

Elbe Tunnel Hydroshield Single-layer, pressure-resistant, bolted with gaskets Elbe Tunnel Hydroschild Einschalig, druckhaltend verschraubt gedichtet

Katzenberg Tunnel EPB shield Single-layer, pressure-resistant, bolted with gaskets Katzenbergtunnel EPB-Schild Einschalig, druckhaltend verschraubt gedichtet

Schlüchtener Tunnel EPB shield Single-layer, pressure-resistant, bolted with gaskets Schlüchtener Tunnel EPB-Schild Einschalig, druckhaltend verschraubt gedichtet

New Kaiser Wilhelm Tunnel EPB shield Single-layer, pressure-resistant (up to 3 bar), bolted with gaskets Neuer Kaiser Wilhelm Tunnel EPB-Schild Einschalig, druckhaltend (bis 3 bar) verschraubt gedichtet



Regulations in SwitzerlandIn the code SIA 197/2004 [6], single-layer and two-layerlinings are defined and recommendations are made for theapplication of each method under the appropriate condi-tions. Two-layer lining systems were selected for many ofthe tunnels in the Alps due to the deep overburden. Thelong Trans-Alpine tunnels at Lötschberg and Gotthardwere driven either convertionally or with open TBMs,which ruled out single-layer lining from the start.

The widely prevalent presence of formation water ca-pable of attacking concrete resulted, after bad experienceand costly redesign and rebuilding work, in the planneduse of a two-layer lining system at the Bözberg Tunnel [8].The possibility of installing a relatively cheap unrein-forced in-situ concrete inner lining also appears to makethe decision easier in Switzerland to construct tunnelswith two layers of lining, particularly when formation wa-ter has to be drained in any case due to high water pres-sures.

Regulations in GermanyIn Germany, the use of single-layer construction with wa-terproof segments developed in urban underground rail-way construction, where groundwater pressure relief orlowering was not possible due to the risk to buildings.Mechanised tunnelling with waterproof segment liningand the use of a earth pressure or hydroshield representsan alternative to sequential tunnelling under compressedair. Relevant experience has been available since the con-struction of the Munich underground in 1974. As the yearspassed, the method was developed further to cope withthe larger diameters of other traffic tunnels. The guidelineRiL 853 “Design, construction and maintenance of rail-way tunnels” [7] has been developed as the relevant guide-line for railway tunnels.

Due to the decision of German Railways DB to stopusing unreinforced concrete inner linings for railway tun-nels, cost arguments for single-layer lining and the omis-sion of the inner lining are of more significance than inAustria or Switzerland, where the inner linings of two-lay-er tunnels have generally been unreinforced except forsome special applications. As many railway tunnels inGermany lie in ground formations with only shallow over-burden compared to Alpine tunnels, it is possible to usesingle-layer construction to meet the technical require-ments and also save construction costs, time and mainte-nance costs, yet still meet the requirements of RiL 853without pressure limitation systems (Ril 853, module853.4101).

Technical developments in recent years seem to makeit possible to construct a pressure-tight lining even underformation water pressures up to 10 bar.

The scarcely 10 km long twin-bore Katzenberg Tun-nel in the line from Karlsruhe to Basel in Germany, for example, has already been designed for single-layer liningunder 8 bar water pressure, and the waterproofing had tobe demonstrated by the contractor under twice that pres-sure.

It is not currently possible to finally judge the extentto which such solutions will become more common in thefuture. On many current tunnel projects with single-layerconstruction, contractual discussions are still underway

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

5 Systementscheidungen im europäischen Umfeld

Das europäische Umfeld ist im Wesentlichen durch diegeologische Situation und die entsprechenden Vorgabender Bahnbetreiber geprägt. Zieht man die Schweiz undDeutschland als unmittelbare Nachbarn Österreichs he-ran, so finden sich in der Schweiz viele sowie in Deutsch-land die meisten Eisenbahntunnel im Alpenvorland vonder Molasse bis ins Quartär. Die Schweiz und Österreichhaben zudem den zentralalpinen Raum gemeinsam, wodie großen Alpenquerungen positioniert sind. Tabelle 2zeigt eine Reihe von Eisenbahn-Tunnelprojekten, die inder Schweiz und in Österreich ausgeführt wurden bzw. inder Endausfertigung stehen.

5.1 Planungstradition

Bei Betrachtung der Tabelle 2 fällt auf, dass in der Schweizzweischaliger Ausbau vorherrscht. In Deutschland ist inden letzten Jahren der einschalige Ausbau mit gedichtetemTübbingsystem im Vormarsch.

Eine Untersuchung der jeweiligen nationalen Richtli-nien für die Planung und Ausführung von Tunnelbauwer-ken für die Eisenbahn (SIA 197/2004 „Projektierung Tun-nel, Grundlagen“ (Kap. 8.4) [6] für die Schweiz und Richt-linie 853 „Eisenbahntunnel planen, bauen und instandhalten“ (Module 853.4004 und 853.4005) [7] für Deutsch-land) ergibt, dass sowohl die einschalige Bauweise mit ge-dichteten Tübbingen als auch die zweischalige Bauweisemit unbewehrter oder bewehrter Innenschale und mitoder ohne Abdichtung als zulässige Bauweisen behandeltwerden.

Grundlagen in der SchweizIn der SIA 197/2004 [6] sind der einschalige sowie derzweischalige Ausbau definiert, und es werden Empfehlun-gen zur Anwendung der jeweiligen Bauweise unter ent-sprechenden Bedingungen gegeben. Bei vielen Tunneln inalpiner Lage wurden zufolge großer Überlagerung zwei-schalige Bauweisen gewählt. Die langen Tunnel der Alpen-querungen beim Lötschberg und Gotthard wurden entwe-der zyklisch oder mit offenen TVM aufgefahren, sodass ei-ne einschalige Bauweise von vornherein ausschied.

Auch das weit verbreitete Vorkommen von stark be-tonangreifendem Bergwasser führte nach den Erfahrun-gen und kostspieligen Umplanungs- und Umbauarbeitenbeim Bözbergtunnel [8] zum planerischen Ansatz einerzweischaligen Bauweise. Die Möglichkeit, eine billige un-bewehrte Ortbeton Innenschale einzubauen, machte inder Schweiz auch offensichtlich die Entscheidung leichter,zweischalig auszubauen, besonders wenn aufgrund hoherWasserdrücke eine Bergwasserabfuhr jedenfalls erforder-lich ist.

Grundlagen in DeutschlandIn Deutschland hat sich die einschalige Bauweise mit ge-dichteten Tübbingen aus dem städtischen U-Bahnbau ent-



between employer and contractor, the results of which willinfluence the consideration of cost-effectiveness and willpossibly lead to different results than at the start of theproject.

5.2 Regulations and decisions so far in Austria

In Austria, the following design guidelines have been pro-duced with relevance to the lining system:– Design guideline for conventional tunnelling [9]– Inner lining guideline [10]– Guideline for concrete segmental systems [11]

wickelt, bei dem eine Grundwasserentspannung oder -ab-senkung aufgrund der Gefährdung der darüberliegendenBebauung nicht möglich war und der maschinelle Tunnel-vortrieb mit gedichteten Tübbingen und Einsatz einesErddruck- oder Hydroschildes eine Alternative zum zyk -lischen Vortrieb unter Druckluft darstellt. EntsprechendeErfahrungen liegen seit 1974 aus dem U-Bahnbau in Mün-chen vor. Im Laufe der Jahre erfolgte die Weiterentwick-lung auch für die größeren Querschnitte anderer Ver-kehrstunnel. Als einschlägiges Regelwerk für Eisenbahn-tunnel wurde die RiL 853 „Eisenbahntunnel planen, bau-en und instand halten“ [7] erarbeitet.

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

Project Tunnel system Length Max. overburden Lining systemProjekt Tunnel-System Länge max. Überlagerung Auskleidung

Wienerwald-Tunnel twin tube, monotrack 11.5 km 250 m double shellZwei Röhren, einspurig zweischalig

Tunnelkette Perschling single tube-double track 7.4 km 60 m double shellEinröhren-Doppelspursystem zweischalig

Brenner Zulaufstrecke Nord H3/4 single tube-double track 5.8 km 44 m monoshell with inner fire protective shell

Einröhren-Doppelspursystem einschalig mit Brand-schutzgewölbe

Brenner Zulaufstrecke Nord H 7 single tube-double track 5.4 km 250 m double shell with 50 cm segment sealed, 20 cm

reinforced inner fire protective shell

Einröhren-Doppelspursystem zweischalig mit 50 cm Tübbing gedichtet,

20 cm Brandschutz-gewölbe bewehrt

Koralmtunnel KAT 2 twin tube-monotrack 16.5/18 km 1.220 m double shell; partialle mono shell

Zwei Röhren, einspurig zweischalig; zt.einschalig

Pummersdorfer Tunnel single tube-double track 3.5 km 22 m monoshell with space for interventions

Einröhren-Doppelspursystem einschalig mit Interventionsraum

Semmering Basistunnel twin tube-monotrack 27.9 km 870 m double shellZwei Röhren, einspurig zweischalig

Koralmtunnel KAT 3-Neogen twin tube-monotrack 4.5 km 200 m monoshell with space for interventions

Zwei Röhren, einspurig einschalig mitInterventionsraum

Koralmtunnel KAT 3-Kristallin twin tube-monotrack 8 km 1.200 m monoshell with space for interventions

Zwei Röhren, einspurig einschalig mitInterventionsraum

Koralmbahn Tunnelkette Granitztal twin tube-monotrack 2.5 km 140 m double shell(Tunnel Deutsch Grutschen) Zwei Röhren, einspurig zweischalig

Brenner Basistunnel twin tube-monotrack 55 km 750 m double shellZwei Röhren, einspurig zweischalig

Umfahrung Seekirchen twin tube-monotrack 13,1 km 120 m double shell(Varianten noch offen) Zwei Röhren, einspurig zweischalig



The decisions reached in Austria, mostly through the ap-plication of the procedure described above, are collectedin Table 3.

5.3 Objective aspects

Table 4 is intended to show the advantages and disadvan-tages of single- and two-layer solutions for the final tunnellining in tabular form.

5.4 Evaluation of the advantages and disadvantages

Two-layer construction with cast in situ concrete inner lin-ing is a proven system in Austria with high operationalsafety, as shown by the experience from the maintenance

Aufgrund der Entscheidung der Deutschen Bahn, un-bewehrte Innenschalen für Eisenbahntunnel nicht mehreinzusetzen, werden die kostenseitigen Argumente für deneinschaligen Ausbau und für den Verzicht auf die Innen-schale bei Eisenbahntunneln gewichtiger als in Österreichoder in der Schweiz, wo Tunnelinnschalen bei zweischa -liger Bauweise bis auf Sonderbereiche generell unbewehrtausgeführt werden. Da viele Eisenbahntunnel in Deutsch-land in Geländeformationen liegen, bei denen im Verhält-nis zu alpinen Lagen nur eine geringe Überdeckung vor-liegt, ist es möglich, mit einschaligen Bauweisen einerseitsdie technischen Anforderungen zu beherrschen und ande-rerseits Baukosten, Bauzeit und Unterhaltskosten zu spa-ren und die Forderungen der RiL 853 ohne Druckbegren-zungssysteme (Ril 853, Modul 853.4101) zu erfüllen.

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 Segments with gaskets have The segments in the outer After the tunnel drive has tion time passed through and the to be installed very carefully layer can be thinner, which passed through and the

segments are installed, the and this leads to longer simplifies handling and outer layer of segments are tunnel structure is complete installation times than for installation. Segments installed, further activities except for the connection segments without gaskets without gaskets or bolting are necessary: installation of of side structures and any can be installed more full-surface waterproofing, grouting required quickly than sealed and formation water drainage

bolted segments and concreting of the inner lining

Construc- The outer lining also acts Segments and ring Less stringent requirements The following activities like tion cost as inner lining and water- installation have to be con- for the precision of segment the installation of full-area

proofing system structed of high-grade production, ring installation waterproofing, formation concrete and installed with and concrete quality water drainage and con -a high degree of precision – creting of the inner lining requires expensive quality leads to higher time-related assurance costs, if the inner lining is

on the critical path of the overall schedule

Quality/ If the level of water pressure With pressure-tight con- This construction has been Construction or quality risk makes pressure-resistant struction, the segment tried and tested over many defects affecting the

construction possible – thickness has to be designed years. Experience with waterproofing or drainage omission of the formation to resist the pressure – quality and construction are detected late and can water drainage and its main- which at pressures > 3 bar defects to waterproofing and normally only be expensively tenance costs leads to very thick segments drainage has led to impro- or inadequately remedied

and difficult handling and vement of the valid regu-installation. No long-term lations in German-speaking operational experience is countries. In Austria, no available with the perma- cases are known of defects nent waterproofing of rail affecting the inner lining or tunnels with single-layer waterproofing of rail tunnels pressure-resistant linings in operation, which have of sealed segments. The resulted in the disruption of pressure-tight connection operations. Simple connec-of side structures is tion of side structures to the expensive and liable to full-area waterproofingdefects

Main- If the construction is High cost of sealing any In-situ inner linings are per- The maintenance of tenance pressure-tight, no formation - leaks, which are only detec- manent and low-mainten- formation water drainage

water drainage is required ted after opening for service, ance. Later fixings to unrein- is expensive over the lifetime or are the result of operation. forced linings (A, CH) is of a tunnel and can only be Later fixings of new equip- simple to perform by drilling performed with operational ment by drilling and and plugging interruptions on heavily plugging is difficult due to the density of reinforcement



of rail tunnels for Austrian railways ÖBB. The expense forthe maintenance of formation water drainage systems is,however, enormous.

When the formation water pressure does not exceed 3bar, the use of waterproof segments as outer and simulta-neously inner lining can be practical. To resist formationwater pressures up to 10 bar does indeed seem to be tech-nically possible, as demonstrated by current examples

Die technischen Entwicklungen der letzten Jahre lassenes möglich erscheinen, auch beim Vorliegen von Bergwas-serdrücken bis 10 bar druckdichten Ausbau auszuführen.

Der knapp 10 km lange zweiröhrige Katzenbergtun-nel auf der Strecke Karlsruhe-Basel in Deutschland wurdez.B. mit einschaligem Ausbau bereits auf 8 bar Wasser-druck ausgelegt und die Dichtheit musste von den Ausfüh-renden mit dem doppelten Prüfdruck nachgewiesen werden.

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

Vorteile einschalig Nachteile einschalig Vorteile zweischalig Nachteile zweischalig

Bauzeit Nach Vortriebsdurchgang Versetzen gedichteter Tübbinge der Außenschale Nach Vortriebsdurchgang und Einbau der Tübbinge Tübbinge muss mit beson- können schlanker ausge- und dem Versetzen der ist die Tunnelröhre bis auf derer Sorgfalt erfolgen und führt werden und erleichtern Tübbinge der Außenschale die Anschüsse von seitlichen führt zu längeren Versetz- das Handling beim Trans- sind weitere Arbeitsvorgänge Bauwerken und abgesehen zeiten als bei nicht port und beim Versetzen. wie Einbau der flächenhaftenvon allfällig erforderlichen gedichteten Tübbingen Versetzen von nicht ge- Abdichtung, der Bergwassser-Injektionen im Rohbau dichteten und nicht ver- drainagen und der Ortbeton fertig schraubten Tübbingen geht Innenschale erforderlich

schneller von statten als bei gedichteten Tübbing-systemen

Baukosten Außenschale ist zugleich Tübbinge und Ringbau Geringere Anforderungen an Die weiteren Arbeitsvorgänge die Innenschale und Ab- müssen mit hoher Betongüte die Genauigkeit bei der wie Einbau der flächenhaften dichtungssystem und hohen Anforderungen Tübbingherstellung und den Abdichtung, der Bergwasser-

an die geometrische Ge- Ringbau sowie an die Beton- drainagen und der Ortbeton nauigkeit hergestellt werden qualität Innenschale führen zu – erfordert kostenintensive höheren zeitgebundenen Qualitätssicherung Kosten, sofern die Innen-

schale auf dem kritischenWeg der Gesamtbauzeit liegt

Qualität/ Wenn eine druckdichte Tübbingstärke muss bei Die Ausführung stellt ein be- Ausführungs- oder Qualitäts-Risiko Ausführung auf Grund der druckdichter Ausführung auf währtes System dar, für das mängel an Abdichtung oder

anstehenden Bergwasser- den Wasserdruck ausgelegt langjährige Erfahrung vor- Bergwasserdrainagen werden drücke möglich ist – Entfall werden – führt bei Wasser- liegt. Die Erfahrung mit spät erkannt und können in der Bergwasserdrainage und drücken > 3 bar zu großen Qualitäts- und Ausführungs- der Regel nur aufwändig oder deren Wartungskosten Tübbingstärken und er- mängeln an Abdichtung und unvollständig behoben

schwertem Handling bei Bergwasserdrainagen hat in werden.Transport und Versetzen. den deutschsprachigen Langjährige Betriebs- Ländern zu einer Ver-erfahrungen mit der dauer- besserung der einschlägigen haften Dichtigkeit von ein- Regelwerke geführt. In schalig druckdicht mit Österreich sind keine, den gedichteten Tübbingen Betrieb störenden Mängel ausgebauten Eisenbahn- an Innenschale und Ab-tunneln liegen nicht vor. dichtung der in Betrieb be-Druckdichter Anschluss von findlichen Eisenbahntunnel seitlichen Bauwerken ist bekannt. Einfacher An-aufwändig und fehleranfällig schluss von seitlichen Bau-

werken an die flächenhafte Abdichtung.

Wartung Bei druckdichter Ausführung Hoher Aufwand bei der Ortbetoninnenschalen sind Die Wartung und Pflege von Entfall der Bergwasser- Nachdichtung von ev. Leck- dauerhaft und pflegeleicht. Bergwasserdrainagen auf die drainagen stellen, die erst nach der In- Nachträgliche Montage von Lebensdauer des Tunnel-

betriebnahme bzw. durch Anbauteilen mit Dübel- bauwerks ist kostenintensiv den Betrieb auftreten. Nach- technik bei unbewehrten und auf stark belasteten trägliche Montage von Aus- Innenschalen (A, CH) Eisenbahnstrecken ohne rüstungsteilen mit Dübel- problemlos möglich. Betriebseinschränkungen nur technik auf Grund des schwer unterzubringen.hohen Bewehrungsgrades der Tübbinge erschwert.



from Germany, but the required technical expense withthick segments, elaborate sealing systems and expensiveremediation of leaks poses questions of cost-effectiveness.

The question of the durability and maintenance in-tensity of segment gaskets, particularly when designed toresist high water pressures, cannot be finally judged for therailway tunnels currently being operated.

It has to be considered that in single-track tunnels, adistance of 1,000 m from the portal counts as the area af-

Inwieweit solche Lösungen in der Zukunft vermehrtpraktiziert werden und sich bewähren, kann aus heutigerSicht noch nicht abschließend beurteilt werden. Bei vielenaktuellen Tunnelprojekten mit einschaliger Bauweise sindnoch bauvertragliche Diskussionen zwischen Auftragneh-mer und Auftraggeber im Gang, deren Endergebnisse indie Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen einfließen müssenund möglicherweise zu anderen Ergebnissen führen alsbei Projektstart.

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

Result

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

Overburden < 30 m 5 4 1 2 3 1 4 20 16

Overburden > 30 m < 100 m 5 4 1 1 2 1 3 17 14

Overburden > 100 m geotechnically simple 1 1 2 4 4 2 4 18 14

Overburden > 100 m geotechnically challenging 1 1 2 2 2 2 4 14 10

Two-layer with unreinforced inner lining and formation water drainage

Overburden < 30 m 1 1 4 4 2 3 1 16 151

Overburden > 30 < 100 m 1 1 4 4 2 3 1 16 151

Overburden > 100 m 1 1 4 4 2 3 1 16 151

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 leaksafter 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 thedefects 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 theadditional time for the construction of an inner lining for two-layer construction

With evaluation of the construction Sum of the evaluation points with evaluation of the construction timetime

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

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fected by frost and drips from the crown thus have to beruled out to avoid ice formation.

The time advantage resulting from single-layer con-struction resulting from the omission of the inner liningcan sometimes be lost due to the longer advance time andthe remediation of damage and subsequent sealing ofleaks.

The omission of formation water drainage is onlytechnically possible and economically sensible up to a cer-

5.2 Grundlagen und bisherige Entscheidungen in Österreich

In Österreich wurden nachfolgende Planungsrichtlinienerarbeitet, die besonders auf die Auskleidungssysteme ein-gehen:– Planungsrichtlinie für kontinuierlichen Vortrieb [9]– Innenschalen Richtlinie [10]– Richtlinie für Tübbingsysteme aus Beton [11]

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

Ergebnis

Einschalig mit gedichteten Tübbingen, druckdicht bis 100 m Überlagerung

Überlagerung < 30 m 5 4 1 2 3 1 4 20 16

Überlagerung > 30 m < 100 m 5 4 1 1 2 1 3 17 14

Überlagerung > 100 m geotechnisch einfach 1 1 2 4 4 2 4 18 14

Überlagerung > 100 m geotechnisch anspruchsvoll 1 1 2 2 2 2 4 14 10

Zweischalig mit unbewehrter Innenschale und Bergwasserabfuhr

Überlagerung < 30 m 1 1 4 4 2 3 1 16 151

Überlagerung > 30 < 100 m 1 1 4 4 2 3 1 16 151

Überlagerung > 100 m 1 1 4 4 2 3 1 16 151

Erläuterungen zur Tabelle:

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

Wartungskosten Gewertet wird die Wartung der Bergwasserdrainagen bzw. die eventuell fälligeNachdichtung von Leckstellen nach Ende der Gewährleistung

Aufwand f. Qualitätssicherung Gewertet wird der Aufwand für die Qualitätssicherung (Betonqualität, HerstellgenauigkeitTübbinge, 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 außerhalbder 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 gedichtetenTübbingen bzw. bei der zweischaligen Bauweise die zusätzliche Bauzeit für das Herstellender 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 dieInnenschale nicht auf dem kritischen Weg liegt

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tain water pressure. Waterproof segment systems as part ofan umbrella waterproofing system in combination withformation water drainage are only sensible for projects, onwhich the overall construction time is of decisive impor-tance.

On tunnel projects where pressure-tight constructionhas to be ruled out due to high formation water pressuresand a longer construction time has to be accepted, a two-layer solution will be the answer. The limit, above whichpressure-tight construction is no longer economically sen-sible, would lie between 3 and 10 bar. In order to preciselydetermine where this threshold lies, more experience is re-quired with railway tunnels designed to resist formationwater pressures of more than 3 bar.

In Table 5, an attempt has been made from the sub-jective point of view of the authors to produce an evalua-tion of the advantages and disadvantages of single-or two-layer construction with a points scoring system between 1and 5, with 5 being the best positive evaluation. Thepoints score is particularly aimed at the risk of construc-tion defects, the incidence of damage and the mainte-nance outlay. As is shown by the evaluation of single-layersegment linings under overburdens of more than 100 m,this has to be considered a borderline, where geologicallydifficult conditions would lead to the selection of a two-layer construction.

The categorisation and weighting of the individual as-pects has to be undertaken for each individual project ac-cording to the specific requirements of the client.

6 Summary

None of the considerations discussed here can be regard-ed as static considering the rapid rate of technological de-velopments, as the technological trend and experiencewith the maintenance of railway tunnels also have to beborne in mind.

So far, two-layer lining systems have been tried andtested to a high degree, so the construction risk is relative-ly low. Two-layer systems are accordingly often used forlonger, deeper tunnels with the resulting variability ofloading. Single-layer, waterproof systems have so far beenpreferred for use in loose and soft ground, under shallowoverburden and combined with the use of tunnelling ma-chines providing active support.

The technological trend for single-layer systems is inthe direction of their universal use in solid rock and hardrock, even in combination with the use of tunnel boringmachines without active support. There is certainly adeficit of experience here, which would pose a higher riskfor an application. The market will, however, contribute tothe steady elimination of this deficit.

References

[1] Bauer, F., Hödl, R., Koinig, J., Lemmerer, J.: Widening ofthe Westbahn line to four tracks: Experience in the selectionof the tunnelling method/Ausbau der Westbahn zur Vier -gleisigkeit: Erfahrungen mit der Wahl der Tunnelbaumetho-de. 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 beschriebe-nen Vorgangsweisen wurden bisher in Österreich die inTabelle 3 zusammengestellten Entscheidungen erarbeitet.

5.3 Objektive Aspekte

In Tabelle 4 sollen Vor- und Nachteile der ein- bzw. zwei-schaligen Lösung für eine endgültige Tunnelauskleidungin Tabellenform dargestellt werden.

5.4 Wertung der Vor- und Nachteile

Die zweischalige Bauweise mit Ortbeton-Innenschale istein in Österreich bewährtes System mit hoher Betriebssi-cherheit, wie die Erfahrungen aus dem Unterhalt derBahntunnel der ÖBB zeigen. Der Aufwand für die Pflegeder Bergwasserdränagen ist allerdings enorm.

Bei Bergwasserdrücken bis zu 3 bar kann der Einsatzvon gedichteten Tübbingen als Außen- und gleichzeitig In-nenschale sinnvoll sein. Die Aufnahme von Bergwasser-drücken bis zu 10 bar erscheint zwar technisch möglich,wie aktuelle Beispiele aus Deutschland zeigen, der erfor-derliche Aufwand mit großen Tübbingstärken, den auf-wändigen Dichtsystemen und der höchst kostenintensivenBeseitigung von Fehlstellen wirft allerdings die Frage derWirtschaftlichkeit auf.

Die Frage der Lebensdauer und der Wartungsintensi-tät von Tübbingdichtungen, speziell bei Auslegung auf ho-he Bergwasserdrücke, kann derzeit für in Betrieb befindli-che Eisenbahntunnel noch nicht abschließend beurteiltwerden.

Es ist zu berücksichtigen, dass bei Einspurtunneln ei-ne Länge von 1.000 m ab Portal als von Frosteinwirkungbetroffener Bereich gilt und daher tropfende Feuchtstellenin der Firste zur Vermeidung von Eisbildung ausgeschlos-sen werden müssen.

Der Zeitvorteil, der sich bei der einschaligen Bauwei-se durch den Entfall der Innenschale ergibt, kann unterUmständen durch die längere Vortriebsdauer und durchdie nachträgliche Beseitigung von Fehlstellen und dienachträgliche Abdichtung von Leckstellen verloren gehen.

Der Entfall von Bergwasserdränagen ist nur bis zu be-stimmten Wasserdrücken technisch möglich und wirt-schaftlich sinnvoll. Gedichtete Tübbingsysteme im Sinneeiner Regenschirmabdichtung in Kombination mit Berg-wasserdränagen sind nur bei Projekten sinnvoll, bei denendie Gesamtbauzeit eine entscheidende Rolle spielt.

Bei Tunnelprojekten, bei denen eine druckdichte Aus-führung aufgrund hoher Bergwasserdrücke ausscheidetund eine längere Gesamtbauzeit in Kauf genommen wer-den kann, wird eine zweischalige Lösung im Vordergrundstehen. Die Grenze, ab der ein druckdichter Ausbau wirt-schaftlich nicht mehr sinnvoll ist, wird zwischen 3 und 10 bar liegen. Um eindeutig festzustellen, in welchem Be-reich dieser Grenzwert liegt, müssen die Erfahrungen mitdem Betrieb von Eisenbahntunneln, die auf Bergwasser-drücke über 3 bar ausgelegt wurden, abgewartet werden.

In Tabelle 5 wird aus der subjektiven Sicht der Auto-ren beispielhaft der Versuch einer Wertung der Vor- undNachteile der ein- oder zweischaligen Bauweise mit einerPunktebewertung zwischen 1 und 5 unternommen, wobei5 die beste positive Bewertung darstellt. Die Punktebewer-

example of the Koralm Tunnel/Kriterien zur Wahl der Vor-triebsarten am Beispiel des Koralmtunnels. Geomechanicsand Tunnelling 4 (2011), No. 4, pp. 305–316.

[3] Bach, D., Hödl, R., Lemmerer, J., Vigl, A.: Risk analysis forthe selection of a suitable method of tunnelling for the Pum-mersdorf Tunnel/Risikoanalyse zur Wahl der geeigneten Vor-triebsmethode für den Tunnel Pummersdorf. Geomechanicsand Tunnelling 4 (2011), No. 5, pp. 499–507.

[4] Raderbauer, B.: Zulaufstrecke Nord zum Brenner Basis-tunnel, Hauptbaulos H3–4 Münster /Wiesing – Österreichsgrößter Hydroschildvortrieb. Porr-Nachrichten 157, 2010.

[5] Tauch, B., Handke, D., Reith, M.: Kaiser Wilhelm Tunnel –mechanical tunnelling at the limits of experience/Kaiser-Wilhelm-Tunnel – Maschinenvortrieb im Grenzbereich derErfahrungen. Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 5,pp. 562–568.

[6] SIA 197:2004 Bauwesen, Projektierung Tunnel, Grund -lagen.

[7] Richtlinie 853, railway tunnel planen, bauen und instand-halten, 1.6.2002.

[8] Bözbergtunnel, aus Tunnelling Switzerland 2001, S. 188–193.

[9] RVS 9.251 (Merkblatt): Tunnel/Projektierungsrichtlinie/Bautechnische und geotechnische Arbeiten – Kontinuier -licher 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 StrapplerÖBB-Infrastruktur AG Praterstern 31020 WienAustria

Dipl.-Ing. Dr.techn. Alois Viglviglconsult ZTBatloggstraße 366780 [email protected]

tung zielt insbesondere auf das Risiko von Ausführungs-mängeln, das Auftreten von Fehlstellen und den Wartungs-aufwand ab. Wie die Wertung der einschaligen Tübbingin-nenschale bei Überlagerungen über 100 m zeigt, bewegtman sich hier in einem Grenzbereich, der bei geotechnischschwierigen Verhältnissen zur Wahl eines zweischaligenAusbaus führen wird.

Die Gliederung und Gewichtung der einzelnen As-pekte muss für jedes einzelne Projekt nach den besonde-ren Anforderungen der jeweiligen Bauherren vorgenom-men werden.

6 Resümee

Alle hier angestellten Betrachtungen dürfen angesichtsder rasant fortschreitenden technologischen Entwicklun-gen keine statischen Betrachtungen sein, sondern müssenden technologischen Trend sowie die Erfahrungen mitdem Betrieb der Eisenbahntunnel im Auge behalten.

Bisher sind zweischalige Systeme zu einem sehr ho-hen Grad ausgereift, sodass das Ausführungsrisiko ent-sprechend gering ausfällt. Zweischalige Systeme wurdenentsprechend häufig bei langen, tiefliegenden Tunnelbau-werken mit entsprechender Variabilität der Beanspru-chungen eingesetzt. Einschalige, gedichtete Systeme wur-den bisher bevorzugt im Lockergestein und weichem Ge-stein, bei seichter Überlagerung und beim Einsatz vonVortriebsverfahren mit aktiver Stützung eingesetzt.

Der technologische Trend geht bei einschaligen Syste-men hin zu einem universelleren Einsatz im Festgesteinsowie im Hartgestein und dort auch im Zusammenwirkenmit Tunnelbohrmaschinen ohne aktive Stützung. Dort bestehen zweifelsohne noch Erfahrungsdefizite, welchedie Anwendung unter ein entsprechend höheres Risikostellen. Der Markt wird jedoch dazu beitragen, diese Defi-zite zunehmend zu eliminieren.

Dipl.-Ing. Rudolf ScheutzÖBB-Infrastruktur AGBahnhofstraße 34020 LinzAustria


Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 188


1st Vienna Underground Railway Conference

expansion is being worked on intensive-ly. This includes the extension of the U2to Aspern, which is currently under con-struction and was the subject of the fol-lowing talks. The architecture of thisnew elevated line was described, and al-so the construction in various sections.The extension of Line 2 demonstrateshow the extension of the network is fol-lowed by city development; at the end ofthe line, the new Seestadt will become acomplete new city district with flats, offices and commercial space.

After some interesting explanationsabout operations technology, the finaltalks mainly had a geotechnical empha-sis. A quick overview through 40 yearsof underground railway constructionshowed clearly how specialised civil en-gineering and tunnelling have developed

There are many cities with older andlarger underground railway networksthan Vienna, but Vienna has rapidly ex-panded its underground system to about75 km, and further extension is under-way. Specialist events in Austria andabroad have often heard reports of thework of the active specialists (clients,consultants, contractors, operators), butno local event has so far been dedicatedto the Vienna underground. This deficithas now been remedied with the 1st Vienna Underground Railway Confer-ence. About 160 participants were wel-comed by the organisers on 3 November2011 in the newly renovated events hallof the Austrian Association of Engineersand Architects (ÖIAV). The 1st ViennaUnderground Railway Conference wasinitiated by the Institute for Interdisci-plinary Construction Management ofthe TU Vienna and the Wiener LinienGmbH & Co KG, and was intended toprovide an exchange of ideas betweenthe academic and practical sides aboutthe past and future of underground railconstruction in Vienna.

In ten specialist talks, the speakersgave a good overview of the questionsand solutions, which arise in the design,construction and operation of the Vien-na underground system. The first pre-sentation discussed the significance ofthe underground for the city and its pub-lic transport, the financing of the under-ground, future traffic planning and thenext phase of expansion. It was madeclear that the underground not onlymakes a considerable contribution to in-ner-city mobility in Vienna, but also pro-vides important impulses for the devel-opment of the city. The undergroundlines could be described as the lifelinesof the city, and as the Viennese “lovetheir U-Bahn” and make frequent use ofit, the preparation of the fourth phase of

in this period. Inner-city undergroundconstruction will continue to demandinnovative solutions in the future, andthe coming extension of the U1 will already require to overcome new geo -technical challenges.

An excursion to the Aspernstraße un-derground station and to constructionsections of the U2 extension to theSeestadt on the next day supplementedthe talks of the previous day. At the end,Professor Hans Georg Jodl could reflecton a successful conference, which foundready acceptance among practical andacademic experts. The successful starthas whetted the appetite, and the sec-ond Vienna Underground Railway Conference is already being planned for2013.

Helmut Richter

1. Wiener U-Bahn-Tagung

2011 im frisch renovierten Festsaal desÖsterreichischen Ingenieur- und Archi-tektenvereins (ÖIAV) begrüßen. Die1. Wiener U-Bahn-Tagung wurde vom Institut für interdisziplinäres Baumana-gement der TU Wien und den Wiener Li-nien GmbH & Co KG initiiert und dien-te dem Gedankenaustausch zwischenWissenschaft und Praxis über die Ver-gangenheit und die Zukunft des U-Bahnbaus in Wien.

In zehn Fachvorträgen gaben dieVortragenden einen guten Überblicküber Fragestellungen und Lösungen, diebei Planung, Bau und Betrieb des Wiener U-Bahnnetzes auftreten. In den

Es gibt viele Städte, die über ältere undgrößere U-Bahnnetze als Wien verfügen.Wien hat jedoch in einer relativ kurzenZeit das U-Bahnnetz zügig auf rund75 km ausgeweitet, und der weitere Aus-bau ist im Gang. Über die Leistungender beteiligten Fachleute (Bauherr, Pla-ner, Ausführende, Betreiber) wurde beiin- und ausländischen Fachveranstaltun-gen immer wieder berichtet. Eine eigeneVeranstaltung mit dem Schwerpunktthe-ma Wiener U-Bahn gab es jedoch bishernicht. Diese Lücke wurde nach 43 Jah-ren mit der 1. Wiener U-Bahn-Tagung ge-schlossen. Rund 160 Teilnehmer konn-ten die Veranstalter am 3. November

ersten Präsentationen wurden die Be-deutung der U-Bahn für die Stadt undden öffentlichen Personennahverkehr,die Finanzierung der U-Bahn, die zu-künftigen Verkehrsplanungen und dienächste Ausbauphase behandelt. Dabeiwurde deutlich, dass die U-Bahn inWien nicht nur erheblich zur innerstäd-tischen Mobilität beiträgt, sondern auchfür die Stadtentwicklung wichtige Im-pulse setzt. Die U-Bahnstrecken sind so-zusagen die Lebensadern der Stadt. Undda die Wiener „ihre U-Bahn lieben“ undhäufig nutzen, wird intensiv an der Umsetzung der vierten Ausbauphase ge-arbeitet. Hierzu gehört auch die in Bau

Conference Report

Fig.: 1st Vienna Vienna Underground Railway Conference in the newly renovated eventshall 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)

• Underground structures for storageenergy, water supply and sewer

• Construction methods and technolo-gies, maintenance and rehabilitation

• Fire protection, safety, equipment ofunderground structures

• Contractual development and projectpreparation

Info:www.undercity2012.com

3. Munich Tunnelling Symposium11. May 2012, Munich, Germany

Topics:• Projects in City Centers • Methods and contracting models• Tunnel management

Info:www.unibw.de/geotechnik

World Tunnel Congress 201218 to 23 May 2012, Bangkok, Thailand

Topics:• Tunnelling and underground excava-

tion in urban area• Planning and management in under-

ground 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

19. Conference on Geotechnics15 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 Practice22 and 23 March 2012, Vienna, Austria

Topics:• Mechanics of rock slopes and mass

movements including modelling ofrun outs

• Mechanics of foundations in and onrock

• Mechanics of underground excava-tions in rock

Info:www.ig.tuwien.ac.at

27. Christian Veder Colloquium12 and 13 April 2012, Graz, Austria

Topics: • Planning and realization of sealing

measures in geotechnics

Info:www.cvk.tugraz.at

Under City12 to 14 April 2012, Dubrovnic, Croatia

Topics:• Planning, design and geological base-

line

EUROCK 201228 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 201213 to 15 June 2012, Lucerne, Switzerland

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 Colloquium2012 – Call for Papers11 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

Diary of Events


Conference Report/Diary of Events

befindliche Verlängerung der U2 nachAspern, mit denen sich die anschließen-den Vorträge befassten. So wurde überdie Architektur der neuen als Hochbahnausgeführten Strecke und die Bauaus-führung in verschiedenen Abschnittenberichtet. Bei der Verlängerung der Linie 2 wird sichtbar, dass der U-Bahn-ausbau die Stadtentwicklung nach sichzieht. Am künftigen Endpunkt der Linieentsteht mit der so genannten Seestadtein komplett neues Stadtviertel mitWohnungen, Büro- und Gewerbe -flächen.

Nach interessanten Erläuterungenzur Betriebstechnik gab es mit den beiden letzten Vorträgen noch einenkleinen geotechnischen Schwerpunkt.Ein Schnelldurchgang durch 40 Jahre U-Bahnbau zeigte eindrucksvoll auf, wiesich die Verfahren des Spezialtiefbausund des Tunnelbaus in dieser Zeit ent -wickelt haben. Aber auch in Zukunftwird der innerstädtische Tunnelbau in-novative Lösungen erfordern, und schonbei der anstehenden Verlängerung derU1 werden neue geotechnische Heraus-forderungen zu meistern sein.

Eine Exkursion zur U-BahnstationAspernstraße sowie zu den Bauabschnit-ten der U2-Verlängerung in die Seestadtam Folgetag ergänzte die Vortragsveran-staltung. Am Ende konnte o. Univ.-Prof.Dipl.-Ing. Dr. techn. Hans Georg Jodlauf eine erfolgreiche Tagung zurück -blicken, die von Fachleuten aus Praxisund Wissenschaft gut angenommen wur-de. Der gelungene Auftakt macht Lustauf mehr, und so wird bereits für 2013die zweite Wiener U-Bahn-Tagung ge-plant.

Helmut Richter


The journal “Geomechanics and Tunnelling” publishes internationalarticles about the practical aspects of applied engineering geology, rockand 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 exclusivepublishing rights. Only works are accepted for publication, whose contenthas never appeared before in Germany or abroad. The publishing rightsfor the pictures and drawings made available are to be obtained from theauthor. The author undertakes not to reprint his article without theexpress permission of the publisher Ernst & Sohn. The “Notes forauthors” regulate the relationship between author and editorial staff orpublisher, and the composition of articles. These can be obtained from the publisher or in the Internet under www.ernst-und-sohn.de/zeitschriften.

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Current pricesThe journal Geomechanics and Tunnelling has 6 issues per year. Inaddition to “Geomechanics and Tunnelling print”, the PDF version“Geomechanics and Tunnelling online” is available on subscriptionthrough the online service Wiley InterScience.

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Publishing houseWilhelm Ernst & SohnVerlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co.KGRotherstraße 2110245 Berlin/GermanyTel.: +49 (0)30/47031-200 Fax: +49 (0)30/[email protected], www.ernst-und-sohn.de

EditorsAustrian Society for Geomechanics (OeGG)Bayerhamerstraße 145020 Salzburg/AustriaTel.: +43 (0)662/875519Fax: +43 (0)662/886748E-mail: [email protected]

Editorial staffEditor in chief: Dr.-Ing. Helmut Richter, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/47031-265, Fax: -277E-mail: [email protected] editor: Esther Schleidweiler, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/47031-267, Fax: -277E-mail: [email protected]

Editorial boardChairmen:� Prof. Robert Galler / Montanuniversität Leoben

Austria, 8700 Leoben� Dr. Andreas Goricki / 3G Gruppe Geotechnik Graz

Austria, 8010 Graz

Members:� Prof. Georgios Anagnostou / ETH Hönggerberg

Switzerland, 8093 Zurich� Dipl.-Ing. Nejad Ayaydin / IGT

Austria, 5020 Salzburg� Prof. Giovanni Barla / Politecnico di Torino

Italy, 10129 Turin� Prof. Tarcisio B. Celestino / Themag Engenharia & USP

Brasil, Sao Paulo� Dipl.-Ing. Heinz Ehrbar / AlpTransit Gotthard AG

Switzerland, 6003 Lucerne� Prof. Xia-Ting Feng, The Chinese Academy of Sciences,

China, 430071 Wuhan� Dr. Max John / Zivilingenieur für Bauwesen

Austria, 6020 Innsbruck� Prof. Scott D. Kieffer / Technische Universität Graz

Austria, 8010 Graz� Dr. Harald Lauffer / Porr AG

Austria, 1103 Vienna� Dr. Ulrich Maidl / MTC Maidl Tunnelconsultants

Germany, 47051 Duisburg� Prof. Derek Martin / University of Alberta

Canada, Edmonton� Dr. Bernd Moritz / ÖBB-Infrastruktur AG,

Austria, 8020 Graz � Prof. Phien-Wej Noppadol / Asian Institute of Technology

Thailand, Pathumthani 12120� Prof. Rainer Poisel / Technische Universität Wien

Austria, 1040 Vienna� Dr. Peter Schubert / IC-Consulenten

Austria, 5101 Bergheim� Prof. Wulf Schubert / Technische Universität Graz

Austria, 8010 Graz� Prof. Helmut Schweiger / Technische Universität Graz

Austria, 8010 Graz� Prof. Kurosch Thuro / Technische Universität München

Germany, 80290 Munich� Dr. Alois Vigl / viglconsult

Austria, 6780 Schruns

Advertising managerFred Doischer, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/47031-234E-mail: [email protected]

AdvertisingAnnekatrin GottschalkRotherstraße 21, D-10245 BerlinTel.: 030/47031-249, Fax: 030/47031-230E-mail: [email protected]

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Bauphysik

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Bautechnik Beton- und Stahlbetonbau DIBt Mitteilungen

Mauerwerk Stahlbau

Structural Concrete Unternehmerbrief Bauwirtschaft

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st st

geotechnik Steel Construction

Geomechanics and Tunnelling 2/2012

F. Ciufegni, P. Cuppone, M. Ricchiardone & F. SacchiTorino railway link – In situ seismicsurveys for verification testing of jetgrout plugsEisenbahnverknüpfung Turin – Seis-mische Messungen zur Nachweisprü-fung von Düsenstrahlkörpern

G. Barla, M. Barla & G. GianoglioTorino metro line 1 South extension –Modelling and settlement monitoringduring excavationSüderweiterung der U-Bahnlinie 1 inTurin – Modelle und Setzungsmessun-gen während des Vortriebs

F. Ciufegni, F. Sacchi & L. UtzeriThe Bologna railway station – Retain-ing diaphragm walls and ground im-provement methodsBahnhof Bologna – Schlitzwände undBodenverbesserungsverfahren

A. Fava, P. Galvanini, A. Socci, F. De Sanctis & F. GambaMilano metro line 5 – design and con-struction of a tunnel above the railwaylinkU-Bahnlinie 5 in Mailand – Planungund Ausführung eines Tunnels ober-halb einer Eisenbahnverbindung

G. Barla & M. BarlaTorino subsoil characterization bycombining site investigations and numerical modellingCharakterisierung des Turiner Bau-grunds durch eine Kombination vonBaugrunduntersuchungen und nume-rischen Modellen

S. Rampello, L. Callisto, G. Viggiani &F. SoccodatoEvaluating the effects of tunnelling onhistorical buildings – the example of anew subway line in RomeBeurteilung der Einwirkungen auf his-torische Bauwerke infolge Tunnelbausam Beispiel einer neuen U-Bahnliniein Rom

C. ViggianiNapoli subway line 1 – Design issuesand related geotechnical studiesU-Bahnlinine 1 in Neapel – Planungs-aufgaben und zugehörige geotechni-sche Untersuchungen

journal for ÖGG members

Urban Tunneling – Focus on Italy

Innerstädtischer Tunnelbau – Schwerpunkt Italien

…und aktuell an anderer Stelle

(Änderungen vorbehalten)

Heft 2/2012

Untersuchungen zum Einfluss der Klebstoffart auf den kapillaren Wassertransport in Holz parallel zur Faserrichtung

Untersuchungen zum Einfluss der Klebstoffart auf den Diffusionswiderstand von Holzverklebungen

Messung der Nachhallzeiten in großen und/oder leerenRäumen

Weitere Themen in Planung

Heft 3/2012

Designaspekte bei Gründungen für OffshoreWindenergieanlagen

Tragverhalten von hohen Stahlbetontürmen für Aufwindkraftwerke

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

Untersuchungen zur Effizienz von thermo-aktivenAbdichtungselementen zur thermischen Nutzung des Untergrunds

BerichteGeplante 50 MW Rinnenkraftwerke in Spanien

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

Die Scherzer-Rollklappenbrücke über die Peene in Anklam

Heft 1/2012

Druckfestigkeit von Ziegelmauerwerk – aktuelle Auswertun-gen zur Festlegung von charakteristischen Werten derMauerwerkdruckfestigkeit in DIN EN 1996

Zukünftige Struktur der Normung im Mauerwerksbau

Auslaugverhalten von Putzen und Mörteln

Lehm – Bisherige Ergebnisse der Bauteilversuche

Wieviel Sicherheit braucht das Mauerwerk?

Eigenschaften industrieller Lehmbauprodukte für denMauerwerksbau und Verhalten von Lehmsteinmauerwerk

Heft 3/2012

Zerstörungsfreie Prüfung nach EN 1090 unter Berücksichti-gung der technischen Möglichkeiten und Verfahrensgrenzen

Zähigkeitsdargebote kaltgefertigter Hohlprofile bei tiefenTemperaturen

Einsatz von gebogenem Glas im Bauwesen

Aktuelle Untersuchungen zum Verhalten von Verbundglasunter Schneelasteinwirkung

Risikoorientierte Bemessung von Tragstrukturen – Bedeu-tungsbeiwerte bei der Differenzierung der Zuverlässigkeit fürunterschiedliche Schadens- bzw. Versagensfolgeklassen

Prüfungen im großen MassstabDeformations- und Bruchdynamik von Sicherheitsglas

Qualitätskontrolle von ESG und TVG – Einsatz der Spannungs-optik

Der Bau eiserner Brücken im Südwesten Deutschlands 1844–1889, Teil 3: Vom Gitterträger zum Fachwerk

Heft 3/2012

Nachträgliche Verankerung von Querspanngliedern

Stahlklemmkonstruktionen zum halbseitigen Rückbau derDeelbögebrücke

Ausführungsqualität von Stahlbeton- und Spannbetonbrückenan Bundesfernstraßen

Aktualisierte Vergleichstafeln für militärische Lastenklassenbei Straßenbrücken

Die Rollbrücken der neuen Landebahn Nordwest am FlughafenFrankfurt/ Main

Integrale Großbrücken mit flexiblen WiderlagernErfahrungen beim Bau der Rollbrücke Ost 1 am FrankfurterFlughafen

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

Funktional–Skulptural–IntegralDie Seitenhafenbrücke in Wien

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

Expanding Horizons

UndergroundExpanding hor izons underground

BASF Construction Chemicals Europe AGMEYCO Underground ConstructionVulkanstrasse 110CH-8048 ZürichTel. +41 58 958 22 11www.basf-admixtures.ch

BASF Construction Polymers GmbHGeschäftsbereich BetonzusatzmittelErnst-Thälmann-Str. 9D-39240 GlötheTel. +49 39266 98 310www.basf-cc.de

BASF Performance Products GmbHNiederlassung KrieglachRoseggerstrasse 101A-8670 KrieglachTel. +43 3855 2371 0www.basf-cc.at

Whatever your challenges areIm 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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geomechanics and tunnelling 01/2012 free sample copy

Documents

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the revised and automated

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