Geomechanics and Tunelling 01/2013 Free Sample Copy

1

Volume 6 February 2013 ISSN 1865-7362

Geomechanics and Tunnelling Geomechanik und Tunnelbau

International Projects

- Connecting Kashmir valley and India Verbindung zwischen Kaschmirtal und Indien - Difficult conditions of the Šentvid tunnel, Slovenia Schwierige Verhältnisse im Sentvid-Tunnel, Slowenien - Thirra Tunnel, Albania Thirra Tunnel, Albanien - Tbilisi bypass project, Georgia Umfahrungsprojekt Tiflis, Georgien - SCL structures in London Tunnelbauwerke in Spritzbeton, London

Content

In the summer of 2009 the Thirra motorway tunnel experienced major problems in a central stretch over 1 km: The tunnel showed severe damage, in November 2009 a 60 m long section collapsed. Great concerns called for innovative solutions in this case since the motorway had to be open for traffic in the summer of 2010. A completely new concept modified the design of the tunnel to near-circular with muck-filled bench and heading strengthened by a shotcrete shell.

Im Sommer 2009 war der Thirra Autobahntunnel auf einer Länge von 1 km in einem kritischen Zustand: der Tunnel wies hier große Schäden auf, im November 2009 verbrach ein 60 m langer Abschnitt der Südröhre. Da der Tunnel bereits zu den Sommerferien 2010 wieder nutzbar sein musste, waren hier innovative Lösungen gefragt. Das Konzept beruhte auf Querschnittsoptimierung, extrem kurzem Ringschluss und steifer Schale.

Geomechanics and Tunnelling 1

Volume 6 February 2013 • No 1 ISSN 1865-7362 (print) ISSN 1865-7389 (online) Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG www.ernst-und-sohn.de Editor

Editorial 2

Peter Schubert There is more than one way to build a tunnel Unterschiedliche Wege führen zum Ziel

Topics 13

Wolfgang Holzleitner, Martin Kraft-Fish, Bernd Imre, Thomas Preuth Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India Österreichische Tunnelbaukompetenz verbindet das Kaschmirtal und Indien

25

Jure Klopcˇicˇ, Tina Živec, Marko Žibert, Tomazˇ Ambrozˇicˇ, Janko Logar Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Sentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel Einfluss der Geologie auf die in einem Erkundungsstollen vor der Ortsbrust des Sentvid-Tunnels gemessenen Verschiebungen

48

Peter Schubert Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success Thirra Tunnel Albanien – mit einem klaren Konzept zum Erfolg

57

Igor Prebeg Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia Eisenbahntunnel für das Umfahrungsprojekt Tiflis, Georgien

66

Panagiotis Spyridis, Ali Nasekhian, Gerald Skalla Design of SCL structures in London Entwurf von Tunnelbauwerken in Spritzbeton-Bauweise am Beispiel London

Rubrics 4 81 83 84 86

News Conference Reports Product Information Site Report Diary of Events

Wiley InterScience is now Wiley OnlineLibrary

www.wileyonlinelibrary.com, the portal for Geomechanics and Tunnelling online subscriptions.

Bautechnik 81 (2004), Heft 1

1

Editorial

There is more than one way to build a tunnel Unterschiedliche Wege führen zum Ziel The tunnelling industry is very highly internationally networked. When I was released into the practice at the start of the 80s, I got to know many colleagues who had already worked in Japan, Korea, Taiwan, USA, India, Singapore, etc. This was generally connected with the application of the NATM in countries, which had less experience with it. Today, 30 years later, there are still vigorous international business relationships in tunnelling.

The former predominance of the NATM has been replaced by a wide range of mechanical and sequential tunnelling methods together with regional modifications of the basic ideas. Many consultants and construction firms operate in this international pond with the most varied market requirements and it is remarkable how our diverse colleagues are active and in demand all over the world.

Projects involving participants from various countries do not generally lead to easy tasks and there are language, cultural, contractual and tax challenges on top of the usual technical questions.

My Call for Papers resulted in proposals from a wide range of fields. Most of the replies came from consultants with a predominantly Austrian background. The projects now being presented with their geomechanical challenges are from Albania, Georgia, Great Britain, India and Slovenia. The articles make it quite clear how varied the local conditions can be in practice and how adaptable the responsible people have to be in order to achieve success.

They also show that it is always a good idea to question established practice and follow new paths, or paths that have been opened up by others. There are usually many possible approaches to the completion of a suitable tunnel.

How this sometimes does not work due to mistaken concepts is shown by the examples from Albania and Georgia.

In one case, this was a cross-section with an unfavourable shape and without ring closure, in the other a curiously large support core, which obstructed sensible working.

The construction of Crossrail, one of the largest construction projects in Europe at the moment, is particularly exciting. Not only are new ideas being tried out, but these

2

Die Tunnelbauindustrie ist sehr stark international vernetzt. Als ich als junger Ingenieur in den 1980’er Jahren in die Praxis entlassen wurde, lernte ich viele Kollegen kennen, die bereits in Japan, Korea, Taiwan, USA, Indien, Singapur, usw. gearbeitet hatten. Das hatte damals hauptsächlich mit der Anwendung der NÖT in jenen Ländern zu tun, wo damit noch weniger Erfahrung vorhanden war. Heute, 30 Jahre später, bestehen unverändert rege internationale Geschäftsbeziehungen im Tunnelbau. Die einstige Alleinstellung der NÖT ist einem breiten Angebot von maschinellen und zyklischen Tunnelbaumethoden gewichen, und regionalen Modifikationen von Konzepten. In diesem internationalen Teich unterschiedlichster Marktanforderungen bewegen sich zahlreiche Planer und Baufirmen, und es ist erstaunlich, wo unsere Kollegen überall aktiv und gefragt sind. In der Regel sind Projekte mit Teilnehmern aus unterschiedlichen Ländern keine einfache Aufgabe und neben den technischen Fragen stehen sprachliche, kulturelle, vertragliche und steuerliche Herausforderungen an.

Auf meinen Call for Papers wurden Vorschläge aus sehr unterschiedlichen Bereichen eingebracht. Die Rückmeldungen kamen in erster Linie von Planern mit überwiegend österreichischem Hintergrund. Die nunmehr vorstellten Projekte und deren geomechanische Herausforderungen stammen aus Albanien, Georgien, Großbritannien, Indien und Slowenien. Die Beiträge zeigen anschaulich, wie unterschiedlich die Randbedingungen sein können, und wie anpassungsfähig die handelnden Personen sein müssen, um erfolgreich zu sein.

Sie zeigen auch, dass es immer sinnvoll ist, eingefahrene Schienen zu hinterfragen und neue Wege zu gehen oder Wege, die andere eingeschlagen haben, mitzugehen. Es gibt meist viele Möglichkeiten, ein brauchbares Tunnelbauwerk herzustellen. Wie es allerdings auch bedingt durch konzeptionelle Fehler nicht funktioniert, zeigen die Beispiele aus Albanien und Georgien. Im einen Fall ist es ein Tunnelquerschnitt mit einer sehr ungünstigen Form und ohne Ringschluss, im anderen Fall ein kurios großer Stützkern, der einer sinnvollen Arbeitsweise im Weg steht.

Der Bau von Crossrail als das derzeit größte europäische Bauprojekt wird besonders spannend. Es werden nicht nur neue konzeptionelle Wege beschritten, diese werden auch mit zahlreichen Bauunternehmun-

© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

are being implemented by numerous contractors from various countries and cultures.

The article about a large tunnel project in northern India places emphasis on ensuring quality by means of contractual incentives. There seems to be plenty of scope for action in this case, and whoever knows the responsible people will assume that this was undertaken meticulously.

The report from Slovenia concentrates on the geomechanical aspects of deformation in front of the face of a tunnel. The authors have grasped their opportunity during the construction of motorway tunnel and undertaken an extensive analysis.

We hope that you find the articles interesting and that you have been able to pick a lesson from these experiences.

Peter Schubert iC consulenten ZT GesmbH

gen aus verschiedenen Ländern und Kulturen umgesetzt.

Der Artikel über ein großes Tunnelbauprojekt in Nordindien hat vor allem die Sicherung der Qualität durch entsprechende Vertragsgestaltung im Auge. Hier scheint noch viel Gestaltungsspielraum vorhanden zu sein, und wer die handelnden Personen kennt, kann annehmen, dass das mit Akribie betrieben wird.

Der Bericht aus Slowenien konzentriert sich auf die geomechanischen Aspekte von Verschiebungen vor der Ortsbrust eines Tunnels. Die Autoren haben eine Gelegenheit beim Bau eines Autobahntunnels am Schopf gepackt und eine umfassende Analyse betrieben.

Wir hoffen, dass Sie Freude an den Beiträgen haben und etwas dabei ist, was auch Ihnen einen kleinen Erkenntniszuwachs ermöglicht.

Peter Schubert iC consulenten ZT GesmbH

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

3

News Germany’s third longest rail tunnel in operation After a construction period of nine years, the third longest rail tunnel in Germany is now in operation. For the opening on 4 December 2012, two trains – a high-speed ICE and a goods train – ran parallel through the two adjacent bores of the 9,385 m long Katzenberg Tunnel. The tunnel consists of two bores, each with 8,984 m of mined tunnel and two cut-and-cover sections 286 and 115 m long, 18 mined cross-passages and two 74 m deep ventilation shafts.

The tunnels were bored by two EPB shield machines with 11.12 m external diameter and segment lining 60 cm thick under a water pressure of up to 9.2 bar, working both in open and closed mode. In order to avoid the sonic boom effect, all portals are provided with hood structures.

The Katzenberg Tunnel is part of the line being newly built and upgraded on the route Karlsruhe-Basle and is situated in the Markgräfler Land district near the Swiss border. The German government, European Union and the EU have invested 610 million EUR in the Katzenberg Tunnel and its connection to the existing Rheintalbahn line, a distance of altogether 17.6 km, with the structural works for the two single-track bores alone costing 340 m EUR.

Katzenberg Tunnel – west bore with connection tunnel Katzenbergtunnel – westliche Röhre mit Verbindungsstollen

The 182 km long new and upgraded line on the route Karlsruhe–Basle is the core link in the goods route RotterdamGenoa. The line is being widened to four tracks in order to provide additional capacity, especially for goods traffic but also for passenger traffic. The construction cost of the entire project is 5.7 billion EUR. The essential section between Karlsruhe and Offenburg is

already in operation; work is currently underway on a section south of the Katzenberg Tunnel in the direction of Basle. The precondition for the construction works was a financing agreement signed between the German government and German Railways DB in October 2012. Work should start from next year on the 16 km northernmost section with the Rastatter Tunnel.

Deutschlands drittlängster Bahntunnel in Betrieb Nach neun Jahren Bauzeit ist Deutschlands drittlängster Bahntunnel fertig.

Zur Eröffnung am 4. Dezember 2012 fuhren zwei Züge – ein ICE und ein Güterzug – parallel durch die beiden nebeneinander liegenden Röhren des 9.385 m langen Katzenbergtunnels. Der Tunnel besteht aus zwei Röhren mit 8.984 m bergmännischem Vortrieb je Röhre und zwei offenen Bauweisen mit 286 und 115 m Länge, 18 bergmännischen Querschlägen und zwei 74 m tiefen Lüftungsschächten. Die Tunnel wurden mit zwei EPB-Schilden mit 11,12 m Außendurchmesser und Tübbingausbau von 60 cm Dicke bei einem Wasserdruck von bis zu 9,2 bar sowohl im offenen als auch geschlossenen Modus aufgefahren. Zur Vermeidung des SonicBoom-Effektes wurden alle Portale mit Haubenbauwerken ausgestattet.

Der Katzenbergtunnel ist Teil der Neu- und Ausbaustrecke KarlsruheBasel und liegt im Markgräfler Land an der Grenze zur Schweiz. In den Katzenbergtunnel und seine Anbindung an die bestehende Strecke der Rheintalbahn, insgesamt 17,6 km, investierten Bund, Europäische Union und DB 610 Mio. Euro. Allein der Rohbau der zwei ein-

4

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

An important milestone has been achieved in the upgrading of the Karlsruhe-Basle line.

After nine years of construction, Germany’s third longest rail tunnel is complete. At the opening ceremony on Monday, two trains – an ICE and a goods train – ran in parallel through the two adjacent bores of the 9,385 m long Katzenberg Tunnel between Bad Bellingen and Efringen-Kirchen (district of Lörrach, Baden-Württemberg). The first passengers on this important journey were German transport minister Dr. Peter Ramsauer, DB boss Dr. Rüdiger Grube and Baden-Württemberg’s transport minister Winfried Hermann. (photos: Deutsche Bahn AG) Wichtiger Meilenstein beim Ausbau der Strecke Karlsruhe-Basel erreicht. Nach neun Jahren Bauzeit ist Deutschlands drittlängster Bahntunnel fertig. Zur Eröffnung am Dienstag fuhren zwei Züge – ein ICE und ein Güterzug – parallel durch die beiden nebeneinander liegenden Röhren des 9.385 Meter langen Katzenbergtunnels zwischen Bad Bellingen und EfringenKirchen (Landkreis Lörrach, Baden-Württemberg). Erste Passagiere bei dieser symbolischen Durchfahrt waren Bundesverkehrsminister Dr. Peter Ramsauer, DB-Chef Dr. Rüdiger Grube und Baden-Württembergs Verkehrsminister Winfried Hermann. (Fotos: Deutsche Bahn AG)

News gleisigen Tunnelröhren kostete 340 Mio. Euro.

Die 182 km lange Aus- und Neubaustrecke Karlsruhe-Basel ist Herzstück des Güterverkehrskorridors RotterdamGenua. Die Strecke wird viergleisig ausgebaut, um zusätzliche Kapazitäten insbesondere für den Güterverkehr, aber

auch für Personenfern- und Nahverkehr zu schaffen. Die Baukosten des Gesamtprojekts betragen 5,7 Mrd. Euro. Wesentliche Abschnitte zwischen Karlsruhe und Offenburg sind bereits in Betrieb; gebaut wird derzeit in einem Abschnitt südlich des Katzenbergtunnels Richtung Basel. Mit einer Finanzierungsverein-

barung zwischen Bund und Deutscher Bahn im Oktober 2012 wurde die Voraussetzung geschaffen, ab dem kommenden Jahr auch den 16 km langen nördlichsten Projektabschnitt mit dem Rastatter Tunnel in Angriff nehmen zu können.

Current status of design on the Rastatt Tunnel In the new and upgraded line on the route Karlsruhe-Basle, the Rastatt Tunnel is part of planning section 1.2. This section has had planning approval since 11 August 1998, although the escape and rescue plan for the Rastatt Tunnel required a new approval. The essential changes are: – Shortening of the spacing of the connecting tunnels between the tunnel bores from about 1,000 to 500 m,

– Increasing the lock lengths in the connecting tunnels from 8 to 12 m, – Enlarging the rescue areas at the ends of the groundwater troughs, – The construction of sonic boom structures at the portals.

The Rastatt Tunnel passes below the entire urban area of Rastatt and the Federbachniederung with a length of 4,270 m.

The tunnel is being designed for a run-

ning speed of 250 km/h. According to the terrain, the tunnel bores have an overburden of 3 to 20 m and run mostly in the groundwater. The subsoil consists of sands and gravels – typical deposits of the adjacent Rhine. The geological and hydrological conditions require the use of a tunnel boring machine (TBM) for lone stretches.

Aktueller Planungsstand bei Tunnel Rastatt Im Rahmen der Ausbau- und Neubaustrecke Karlsruhe-Basel ist der Tunnel Rastatt Bestandteil des Planfeststellungsabschnitts 1.2. Für diesen Abschnitt besteht seit dem 11. August 1998 Baurecht, allerdings bedurfte ein neues Fluchtund Rettungskonzept für den Tunnel Rastatt der Genehmigung. Wesentliche Änderungen sind: – Verkürzung des Abstands der Verbindungsstollen zwischen den Tunnelröhren von rund 1.000 auf 500 m, – Die Erhöhung der Schleusenlängen innerhalb der Verbindungsstollen von 8 auf 12 m, – Vergrößerung der Rettungsplätze an den Enden der Grundwasser wannen, – Bau von Sonic-Boom Bauwerken in den Tunnelportalen.

Der Tunnel Rastatt unterquert das gesamte Stadtgebiet Rastatt sowie die Federbachniederung mit einer Länge von 4.270 m. Der Tunnel wird für eine Geschwindigkeit von 250 km/h ausgelegt. Je nach Geländeverlauf haben die Tunnelröhren eine Überdeckung von 3 bis 20 m und verlaufen überwiegend im Grundwasser. Der Untergrund besteht

6

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Layout plan of the Rastatt Tunnel Lageplan des Tunnels Rastatt

aus Sanden und Kiesen – typische Ablagerungen des benachbarten Rheins.

Die geologischen und hydrologischen

Verhältnisse erfordern über weite Strecken den Einsatz von Tunnelvortriebsmaschinen (TVM).

News DB awards the Widderstall Tunnel (NBS) The Deutsche Bahn AG awarded the construction of the 962 m long Widderstal Tunnel on the new line WendlingenUlm to a consortium under the technical lead of Wayss & Freytag Ingenieurbau AG, Stuttgart at the start of December 2012. The contract volume is about 37 m EUR. The tunnel is part of the Albhochfläche section, the longest on the project with a distance of 21 km. The construction approval for the planning section 2.3 was issued by the federal rail

authority in November 2008. The consortium under the lead of Wayss & Freitag won the contract in a field of eight bidders.

The tunnel will be constructed in cutand-cover. The entire length runs parallel to the federal autobahn A8, which can be widened to six lanes after the completion of the tunnel. The autobahn services area with WC and parking (PWC facilities) above the line of the tunnel will have to be closed during the

construction works. The PWC facilities will be demolished before excavation and rebuilt after the completion and backfilling of the tunnel. In order to keep the duration of this closure as short as possible, the tunnel is being constructed in two sections. The first section will then be backfilled with the spoil from the second section. In this way, DB will achieve a reduction to a minimum of the area required for the temporary storage of spoil for reuse.

seit November 2008 vor. Die Arbeitsgemeinschaft um Wayss & Freitag konnte sich im Wettbewerb gegen acht weitere Bieter durchsetzen.

Der Tunnel wird in offener Bauweise hergestellt. Er liegt in seiner gesamten Länge parallel zur Bundesautobahn A8, die nach Fertigstellung des Tunnels auf sechs Fahrstreifen ausgebaut werden kann. Der über dem Tunnel liegende Parkplatz der Autobahn mit WC-Anlage (PWC-Anlage) muss während der Tunnelbauarbeiten geschlossen werden. Die PWC-Anlage wird vor dem Aushub der

Baugrube zurückgebaut und nach Fertigstellung und Verfüllung des Tunnels neu errichtet. Um die Dauer der Schließung möglichst kurz zu halten, wird der Tunnel in zwei Bauabschnitten hergestellt. Dabei wird der erste Abschnitt mit dem Aushubmaterial des zweiten Abschnitts verfüllt. Damit erreicht die Bahn zugleich, dass temporäre Flächeninanspruchnahmen zur Zwischenlagerung des wiedereinzubauenden Aushubmaterials möglichst klein gehalten werden.

DB vergibt Tunnel Widderstall (NBS) Die Deutsche Bahn AG hat Anfang Dezember 2012 den Bau des 962 m langen Tunnels Widderstall an der Neubaustrecke Wendlingen-Ulm an eine Arbeitsgemeinschaft unter technischer Federführung der Wayss & Freytag Ingenieurbau AG aus Stuttgart vergeben. Das Auftragsvolumen umfasst rund 37 Mio. Euro. Der Tunnel gehört zum Projektabschnitt Albhochfläche, der mit 21 km den längsten Neubaustreckenabschnitt darstellt. Das Baurecht für den betreffenden Planfeststellungsabschnitt 2.3 liegt seitens des Eisenbahn-Bundesamtes

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

7

News A14: Half-time for the refurbishment of the Pfänder Tunnel Between 80 and 140 people are currently working at full stretch on the refurbishment of the first bore of the Pfänder Tunnel. The works are right on schedule – in the middle of 2013, a two-bore tunnel will ensure improved safety and less traffic jams in the area around Bregenz The major construction works in the first bore of the Pfändertunnel were already completed at the end of 2012. Four new crosspassages were excavated – in addition to a further eleven, some of which are for

pedestrians and some suitable for emergency services vehicles, between the two bores. The contractors are undertaking the concreting works at record pace. Altogether 50,000 m2 of carriageway is being laid. 80 % of the tunnel coatings are already complete. Until summer 2013, the main works will be the electrical installation and the installation of safety systems and ventilation.

After the renewal and installation of the extinguishing water supply pipeline in

January 2013, the new command room for emergency services at the north portal will also enter service. Together with the existing centre in the operations building at the south portal in Weidach, an essential part of the project is the improvement of safety. Asfinag is investing 205 m. EUR in the construction of the second bore and the refurbishment of the first bore.

A14: Halbzeit bei der Sanierung des Pfändertunnels Zwischen 80 bis 140 Personen arbeiten derzeit mit Hochdruck an der Fertigstellung der Sanierung der ersten Röhre des Pfändertunnels. Die Arbeiten liegen absolut im Zeitplan – Mitte 2013 sorgt dann im Großraum Bregenz ein zweiröhriger Tunnel für mehr Sicherheit und weniger Staus. Die größten Bauarbeiten in der ersten Röhre Pfändertunnel waren Ende 2012 bereits abgeschlossen. Vier neue Querschläge wurden ausgebrochen – zusätzlich zu den weiteren elf teilweise be-

gehbaren, teilweise mit Einsatzfahrzeugen befahrbaren Querschlägen zwischen den beiden Tunnelröhren. Mit wahrem Rekordtempo bauten die Firmen die Betonfahrbahn ein. Insgesamt mussten 50.000 m2 Fahrbahn eingebaut werden.

Bereits 80 % der Tunnelbeschichtung sind fertig gestellt. Bis Sommer 2013 stehen vor allem der Einbau der Elektrik, der Sicherheitssysteme und der Lüftung an.

Nach der Erneuerung und Einbau der Löschwasserversorgung im Januar

2013 wird auch der neue Kommandoraum der Einsatzkräfte am Nordportal in Betrieb gehen. Zusammen mit der bereits bestehenden Einsatzzentrale im Betriebsgebäude Weidach am Südportal ist dies ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit. In den Neubau der zweiten Röhre und die Sanierung der Bestandsröhre investiert die Asfinag 205 Mio. Euro.

Reißeck II: Half time at the largest power station site in Austria At the highest power station site in Austria, the successful completion of tunnelling works in the mountain were celebrated on St. Barbara’s day. In addition to the large power house with a height of 39 m for the new Reißeck combined pumped storage works, an extensive tunnel system has been constructed inside two years with a total length of almost 9 km by drill and blast or boring. A tunnel boring machine 220 m long with a weight of more than 800 t was used, which had to be assembled at an altitude of 2,200 m above sea level.

In the course of next year, the main components will be delivered to the power house on heavy goods transporters and installed. After completion, the power station will have two powerful pump-turbines, motor generators and block transformers with a weight of more than 200 tonnes each to be installed in their own transformer cavern in the heart of the mountain.

In operation as a power station, Reißeck II will cover peaks of electricity demand by using water from the upper basin at 2,300 m above sea level to drive

the turbines in the mountain at 1,600 m.

If, on the other hand, more electricity is available in the European grid than is required at the time, then Reißeck II can be switched to pumping operation and pump the water back from the lower compensation basin to the upper basin.

The total investment in the 430 MW pumped storage power station Reißeck II with a volume of 385 m. EUR is being borne by the Verbund (Alliance), Kelag and Energie AG Oberösterreich. The most modern pumped storage scheme in Austria will start operation in 2014.

Reißeck II: Halbzeit auf Österreichs größter Kraftwerksbaustelle Auf Österreichs höchstgelegener Kraftwerksbaustelle wurde am Barbaratag der erfolgreiche Abschluss der Vortriebsarbeiten im Berg gefeiert. Neben der großen Kraftwerkskaverne mit einer Höhe von 39 m für das neue VerbundPumpspeicherkraftwerk Reißeck wurde innerhalb von zwei Jahren ein weitläufiges Stollensystem mit einer Gesamtlänge von knapp 9 km in den Berg gesprengt bzw. gefräst. Zum Einsatz kam auch eine 220 m lange und mehr als 800 t schwere Tunnelbohrmaschine, die in einer Seehöhe von 2.200 m zusammengebaut wurde..

8

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Im Lauf des nächsten Jahres werden die Hauptkomponenten mittels Schwertransporten bis hinauf in die Kraftwerkskaverne angeliefert und eingebaut.

Das Kraftwerk verfügt nach der Fertigstellung über jeweils zwei leistungsstarke Pumpturbinen, Motor-Generatoren sowie jeweils mehr als 200 Tonnen schwere Blocktransformatoren, die in einer eigenen Trafokaverne im Inneren des Bergs installiert werden.

Im Kraftwerksbetrieb wird Reißeck II Strombedarfsspitzen decken, indem Wasser aus dem Oberbecken in 2.300 m Seehöhe zu den Turbinen im Berg auf

1.600 m Seehöhe geleitet wird. Ist hingegen zu verbrauchsschwachen Zeiten mehr Strom im europäischen Netz vorhanden, als benötigt wird, dann kann Reißeck II auf Pumpbetrieb geschaltet werden und Wasser aus dem unteren Ausgleichsbecken zurück in das Oberbecken pumpen. Die Gesamtinvestition für das 430 MW Pumpspeicherkraftwerk Reißeck II in Höhe von 385 Mio. Euro wird gemeinsam von Verbund, Kelag und Energie AG Oberösterreich getragen. Österreichs modernstes Pumpspeicherkraftwerk wird im Jahr 2014 in Betrieb gehen.

News Construction contract awarded for the Stadtbahn Dortmund The construction company Alpine has been awarded a contract for a partial section of the S-Bahn (urban rail) line 1a, with a contract volume of 11.5 m EUR. The works started in January 2013 and should be completed by the end of

2014. As part of the contract, the current overground urban railway will be diverted into a cut-and-cover tunnel. Alpine will build two 150 m troughs, a tunnel with a length of 268 m and associated roads and drainage works. The public

transport system in the city of Dortmund has been successively improved since 1969 and now has a network length of 75 km; a good quarter of which runs underground.

Bauauftrag für Stadtbahn Dortmund vergeben Der Baukonzern Alpine erhielt den Auftrag von der Stadt Dortmund zum Bau eines Teilabschnitts der Stadtbahnlinie 1a. Das Auftragsvolumen beträgt 11,5 Mio Euro. Die Bauarbeiten begannen im Januar 2013 und sollen bis Ende 2014 abgeschlossen sein. Im Rahmen

des Auftrags wird die zurzeit oberirdisch verlaufende zweigleisige Stadtbahnlinie in offener Bauweise in Tieflage geführt.

Alpine wird zwei 150 m lange Trogbauwerke, ein Tunnelbauwerk mit einer Länge von 268 m sowie Straßen und Kanalarbeiten durchführen. Die Nah-

verkehrsysteme der Stadtbahn Dortmund wird seit 1969 sukzessive ausgebaut: Mittlerweile besitzt das Netz eine Länge von 75 km; ein gutes Viertel des Streckennetzes wird unterirdisch geführt.

Strabag wins a contract for part of the Westbahn line After the opening of the high-speed line through the Tullnerfeld, ÖBB Infrastruktur AG is extending the Westbahn line still further. The Austrian construction company Strabag AG den has been awarded a contract for the construction of the western section between St. Pölten and Loosdorf, with a volume of € 32.6 m. An essential part of this contract is the construction of the Radleiten Tunnel, Radleitenwanne with wild animal bridge and the Bründlkapellen Tunnel. The project also includes not only reinforced concrete structures but earthworks, track, drainage, road works and the construction of noise protection measures.

The closing of the gap St. Pölten-Loosdorf (formerly the St. Pölten goods bypass) will considerably reduce the nuisance at St Pölten station and its surroundings from heavy goods and transit traffic from 2017. Goods trains will run for a distance of 24.7 km around the centre of St. Pölten on the new two-track line. The line is being built as part of the four-

track improvement of the Westbahn line and is part of the section Vienna-Salzburg. This links to the existing Westbahn in the west at the node at Wagram. In the west, there is a link to the existing line near Loosdorf.

Strabag erhält Auftrag für Teilstück der Westbahn Nach Eröffnung der Hochleistungstrecke durch das Tullnerfeld baut die ÖBB Infrastruktur AG die Westbahnstrecke weiter aus. Hier erhielt das österreichische Bauunternehmen Strabag AG den Auftrag über die Errichtung des Teilabschnitts West zwischen St. Pölten und Loosdorf. Das Auftragsvolumen beträgt € 32,6 Mio. Wesentlicher Bestandteil des Auftrags ist die Errichtung des Radleitentunnels, der Radleitenwanne mit Wildbrücke und des Bründlkapellentunnels.

Darüber hinaus umfasst das Projekt neben Stahlbetonobjekten auch Erdarbeiten und Gleisunterbauten, Entwässerungsanlagen, Straßenbauarbeiten und den Bau von Lärmschutzmaßnahmen.

Durch den Lückenschluss St. Pölten-Loosdorf (vormals Güterzugumfahrung St. Pölten) werden die Belastungen des Güter- und Durchgangsverkehrs für den Bahnhof St. Pölten und seine Anrainer ab 2017 deutlich reduziert. Auf der zweigleisigen Neubaustrecke werden die Güterzüge auf einer Länge von 24,7 km um das Stadtzentrum St. Pölten geleitet.

Die Strecke wird im Rahmen des viergleisigen Ausbaues der Westbahn errichtet und ist Bestandteil des Abschnitts WienSalzburg. Sie schließt im Osten über den Knoten Wagram an die bestehende Westbahn an. Im Westen erfolgt die Verknüpfung mit der Bestandsstrecke im Bereich Loosdorf.

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

9

News Development of resource-efficient and advanced underground technologies – Montan Universität Loeben coordinates the EU-Project DRAGON In the near future Europe’s underground construction industry is expected to excavate around 800 mio tons of mineral resources from tunnels, metros and other underground constructions. Currently, this excavation material is usually disposed of in landfills. Efficient re-use and recycling on site or in other industrial sectors is therefore of great economic and environmental interest. This approach would substitute a large amount of primary mineral resources and substantially reduce environmental problems and CO2 emissions involved in landfilling and transport.

The DRAGON project (Development of Resource-efficient advance underground technologies) is aimed at achieving resource efficiency in tunnelling and other underground construction processes by turning the excavation material into a valuable resource for other processes and sectors such as the cement, steel, ceramic or glass industries.

The project sets out to solve this challenge by developing a prototype system for the automated online analysis, separation and recycling of excavated materials in underground construction sites.

The entire chain from characterisation to classification and processing of the excavated material will be conducted completely underground.

The use of excavation material for various purposes is designed to save natural primary resources while also providing a high economic value.

Another important objective is to assess the resource efficiency of different usage scenarios on a quantifiable basis and thus provide a sound basis for decision making by authorities.

Photo-optical technologies, x-ray, gamma-ray and microwave units will be used to analyse the continuous mass flow of material directly behind the cutter head. This automated online sampling and characterisation of physical, chemical and mineralogical properties provides the basis for assessing the suit-

A large group of scientists will focus its research on the resource-efficient use of excavated material out of underground works in the project DRAGON (Foto: Montan Universität Loeben)

ability of the excavated material for different recycling options.

A downstream underground separation plant will handle the material depending on the online test results and requirements for intended re-use either as concrete aggregates on site or in various other industrial sectors. All systems will be mounted directly on the backup system of the tunnel boring machine and will thus need to be adapted to the harsh environmental conditions and space restrictions underground.

Methods of Life Cycle Assessment (LCA) and Mass Flow Analysis will be used to compare different scenarios of re-use/recycling or disposal of the excavation material.

The DRAGON project will foster sustainable domestic supply of mineral resources within the EU by maximizing the re-use and recycling of excavation materials both on site and in a wide range of industrial sectors. This approach to create valuable secondary mineral resources is estimated to generate a direct annual value of around 150 mio Euro.

The automated online analysis and processing units to be developed within the DRAGON project will constitute a real breakthrough in the underground construction sector. This will help European companies to gain innovation leadership and strengthen their competitive position in this promising market.

The key environmental benefits include a substantial reduction in environmental pollution, CO2 emissions and land use for the disposal of excavation material thus approaching the aim of achieving zero waste in underground construction.

Project partners: Montanuniversität Leoben (Coordination) Porr Bau GmbH Herrenknecht AG B+G Betontechnologie + Materialbewirtschaftung Jacques Burdin Ingenieur Conseil PE North West Europe Limited Further information: www.dragonproject.eu

Hochtief to build hydropower station in South America Hochtief Solutions together with a partner has won a contract for the construction of the Alto Maipo hydropower station in Chile. The volume of the project near Santiago is about 215 m. EUR, of which about 150 m. EUR is for Hochtief. The client is the Chilean energy company A.E.S. Gener. The company from Essen has now won another power

10

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

station contract in South America after the La Confluencia hydropower station in Chile that they completed in 2011 and the Cheves power station being constructed in parallel in Peru.

Hochtief Solutions will start work on the new power station in 2013. The project includes two complex contracts in the Andes about 50 km southeast

of Santiago at an altitude of about 2,500 m. The essential components are the intake structure, altogether 18.5 km of tunnel driving and a 5 km long steel pipeline. In addition, the consortium will undertake the detailed design. Construction of the 531MW power station will be completed in 2017.

News Hochtief baut Wasserkraftwerk in Südamerika Hochtief Solutions hat gemeinsam mit einem Partner den Zuschlag zum Bau des Wasserkraftwerks Alto Maipo in Chile erhalten. Das Auftragsvolumen des Projekts nahe Santiago beträgt rund 215 Mio. Euro. Davon entfallen etwa 150 Mio. Euro auf Hochtief. Bauherr ist das chilenische Energieunternehmen A.E.S. Gener. Der Essener Konzern erhält damit nach dem bereits 2011 fertig-

gestellten Wasserkraftwerk La Confluencia in Chile und dem parallel in Peru in Erstellung befindlichen Wasserkraftwerk Cheves einen weiteren Auftrag aus dem Bereich der Energieinfrastruktur in Südamerika.

Hochtief Solutions wird mit den Arbeiten für das neue Kraftwerk im Jahr 2013 beginnen. Das Projekt umfasst zwei komplexe Baulose in den Anden

zirka 30 km südöstlich von Santiago in rund 2.500 m Höhe. Wesentliche Elemente sind die Einlaufbauwerke, insgesamt 18,5 km Tunnelvortrieb sowie eine 5 km lange Stahlpipeline. Zudem wird das Konsortium die Ausführungsplanung übernehmen. Die Bauarbeiten für das 531-Megawatt-Kraftwerk werden 2017 abgeschlossen.

3rd International Conference on Computational Methods in Tunnelling and Subsurface Engineering (EURO:TUN 2013) Realistic numerical models and simulation methods have now become essential tools for reliable forecasting in underground construction, both in the design and construction phase and in the operational phase. With the increasingly stringent requirements for the construction of underground infrastructure and the progress in tunnelling technology, the challenges presented for the quality of advance investigation and numerical prognosis models in underground construction also increase. This has resulted in continuous progress in the field of computer-supported methods in underground construction, not only in practically based research and development.

For example, the DFG special research area 837 “Interaction models for mechanised tunnelling”, established in 2010 at the Ruhr University, Bochum, has

demonstrated considerable demand for basic research in the field of computer methods in tunnelling. In SFB 837, the emphasis is on the model-based simulation of the manifold interactions between the ground, tunnelling process and overground building in mechanised tunnelling.

The “Third International Conference on Computational Methods in Tunnelling and Subsurface Engineering” (EURO:TUN 2013), to be held from 17 to 19 April 2013 at the Ruhr University, Bochum, offers a forum for universities, research institutes, consultants and software companies to report and discuss current research and development work in the field of computer-assisted models and methods for the design, construction and maintenance of underground infrastructure. The broad range of sub-

jects covered includes multi-scale spacetime discretisation methods in underground construction, numerical modelling of geological materials, support and lining measures, computer-assisted methods of simulating and monitoring tunnel drives and logistic processes. In addition, numerical methods of risk estimation, parameter identification and uncertainty analysis, advance probing methods and lifecycle management are dealt with. EURO:TUN 2013 is a “Thematic Conference” of the European Community on Computational Methods in Applied Sciences (ECCOMAS). It is supported by ECCOMAS, by the International Tunneling Association (ITA), the Ruhr University, Bochum and the SFB 837.

Further information: www.eurotun2013.rub.de

3rd International Conference on Computational Methods in Tunnelling and Subsurface Engineering (EURO:TUN 2013) Wirklichkeitsnahe numerische Modelle und Simulationsmethoden sind heute unverzichtbare Werkzeuge für zuverlässige Prognosen im unterirdischen Bauen sowohl in der Planungs- und Herstellungsphase als auch Betriebsphase. Mit wachsenden Anforderungen beim Bau unterirdischer Infrastruktur und Fortschritten in der Vortriebstechnologie steigen die Herausforderungen an die Qualität der Vorauserkundung und numerischer Prognosemodelle im unterirdischen Bauen. Nicht nur in der praxisnahen Forschung und Entwicklung sind daher stetige Fortschritte im Bereich computergestützter Methoden im Unterirdischen Bauen zu verzeichnen. So zeigt der im Jahr 2010 an der Ruhr-Universität Bochum etablierte DFG-Sonderforschungsbereich 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“, dass erheblicher Bedarf an Grundlagenforschung im Bereich der

Computermethoden im Tunnelbau besteht. Im SFB 837 liegt der Fokus auf der modellbasierten Erfassung der mannigfaltigen Interaktionen zwischen dem Baugrund, dem Vortriebsprozess und der oberirdischen Bebauung im maschinellen Tunnelbau.

Die vom 17. bis 19. April 2013 an der Ruhr-Universität Bochum veranstaltete „Third International Conference on Computational Methods in Tunnelling and Subsurface Engineering“ (EURO:TUN 2013) bietet ein Forum für Universitäten, Forschungsinstitute, Ingenieurbüros sowie Softwareunternehmen, um über aktuelle Forschungen und Entwicklungen im Bereich computergestützter Modelle und Methoden für Planung, Herstellung und Erhaltung unterirdischer Infrastruktur zu berichten und diskutieren. Das breit angelegte Themenspektrum beinhaltet unter anderem skalenübergreifende räumlich-zeitliche

Diskretisierungsmethoden im unterirdischen Bauen, numerische Modellierung geologischer Materialien, Stützungs-und Ausbaumaßnahmen, computergestützte Methoden für Vortriebssimulation und -kontrolle sowie Logistik-Prozesse. Darüber hinaus werden numerische Methoden für die Risikoabschätzung, Parameteridentifikation, und Unschärfebetrachtung, Vorauserkundungsmethoden und Life-Cycle-Management behandelt.

EURO:TUN 2013 ist eine ,,Thematic Conference“ der European Community on Computational Methods in Applied Sciences (ECCOMAS). Sie wird neben der ECCOMAS auch von der International Tunneling Association (ITA), der Ruhr-Universität Bochum sowie dem SFB 837 unterstützt.

Weitere Informationen: www.eurotun2013.rub.de

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

11

News Herrenknecht takes over Techni-Métal Systemes In December 2012. Herrenknecht AG took over the French manufacturer of tunnel supply vehicles Techni-Métal Systemes SAS (TMS). Techni-Métal Systemes SAS (TMS) designs and makes wheeled special vehicles, which do not run on tracks, used in tunnels for the transport of personnel and materials.

Herrenkencht and Techni-Métal Systemes SAS (TMS) have been cooperating since 2007 on international projects in the Netherlands, Malaysia and Russia. About 209 engineers and specialists from TMS are bringing their expertise in engineering, design and vehicle assembly. TMS vehicles have their own power

unit and double driver’s cabs, with the power being transferred through articulated axles. As directors of TMS, industrial engineer (FH) Philippe Fraunhofer and mechanical engineer PierreMatthieu Hieber will be running the company.

Herrenknecht übernimmt Techni-Métal Systemes Im Dezember 2012 hat die Herrenknecht AG den französischen Hersteller von Tunnelversorgungsfahrzeugen Techni-Métal Systemes SAS (TMS) übernommen. Die Techni-Métal Systemes SAS (TMS) konstruiert und produziert bereifte, nicht schienengebundene Spezialfahrzeuge, die auf Tunnelbaustellen für den Transport von Personen und Mate-

rial verwendet werden. Seit 2007 kooperieren Herrenkencht und Techni-Métal Systemes SAS (TMS) im Rahmen von internationalen Projekten in den Niederlanden, Malaysia und Russland.

Rund 20 Ingenieure und Spezialisten der TMS bringen nun ihr Fachwissen im Engineering, in der Konstruktion und in der Fahrzeugmontage ein. TMS Fahr-

zeuge verfügen über einen Selbstantrieb und Doppelfahrerkabinen, die Kraftübertragung erfolgt mittels gelenkter Achsen. Als Direktoren der TMS übernehmen Diplom-Wirtschaftsingenieur (FH) Philippe Fraunhofer und Maschinenbauingenieur Pierre-Matthieu Hieber die Geschäftsführung.

Call for papers – Themes for the next issues of Geomechanics and Tunnelling The table below shows the themes for the next issues of “Geomechanics and Tunnnelling”, selected by the editing team, and contributions are now being called for. All papers received will first be reviewed prior to publication. In view of the time required to complete this exercise, all contributions should be submitted at least four months before the publication date. Papers can be submitted either to the editors (Verlag Ernst & Sohn,

Dr. Helmut Richter, Rotherstraße 21, D-10245 Berlin, Germany, Tel. +49 – 30 – 47 03 12 65, Fax +49 – 30 – 47 03 12 70, helmut.richter@wiley.com), Professor Robert Galler (University of Leoben, Chair for Subsurface Engineering – Geotechnics and Underground Construction, Erzherzog Johann Straße 3, A-8700 Leoben, Austria, Tel. +43 – 38 42 – 4 02 34 00,

Fax +43 – 38 42 – 4 02 34 02, robert.galler@mu-leoben.at) or to Dr. Andreas Goricki (3G Gruppe Geotechnik Graz ZT GmbH, Triesterstraße 478a, A-8055 Graz-Seiersberg, Austria, Tel. +43 – 3 16 – 33 77 99, Fax +43 – 3 16 – 33 77 99 11, goricki@3-g.at).

Site reports, technical reports and news items from the construction industry are of course also welcome.

Themen für die nächsten Ausgaben der „Geomechanics and Tunnelling“ Die Schwerpunktthemen für die nächsten Ausgaben der „Geomechanics and Tunnelling“ sind in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst. Das Redaktionsteam bittet um Beitragsvorschläge.

Unter Berücksichtigung des Reviews sollten die Beiträge mindestens vier Monate vor dem Erscheinungstermin eingereicht werden. Beiträge nehmen Redaktion (Verlag Ernst & Sohn, Dr. Helmut Richter, Rotherstraße 21, 10245 Berlin, Deutschland, Tel. +49 (0) 30 – 47 03 12 65, Fax +49 (0) 30 – 47 03 12 70, helmut.richter@wiley.com), Professor Robert Galler (Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Subsurface Engineering – Geotechnik und unterirdisches Bauen, Erzherzog Johann Straße 3, A-8700 Leoben,

12

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Tel. +43 (0) 38 42 – 4 02 34 00, Fax +43 (0) 38 42 – 4 02 34 02, robert.galler@mu-leoben.at) oder Dr. Andreas Goricki (3G Gruppe Geotechnik Graz ZT GmbH, Triesterstraße 478a, A-8055 Graz-Seiersberg, Österreich,

Tel. +43 (0) 3 16 – 33 77 99, Fax +43 (0) 3 16 – 33 77 99 11, goricki@3-g.at) gerne entgegen.

Darüber hinaus sind Baustellenreportagen, technische Berichte und Mitteilungen aus der Industrie jederzeit willkommen.

Issue

Publication date

Topics

2/13

April 2013

Czech tunnel projects Tchechische Tunnelprojekte

3/13

June 2013

South American Focus Schwerpunkt Südamerika

4/13

August 2013

Ground improvement Baugrundverbesserung

5/13

October 2013

Proceedings of the 62nd Geomechanics Colloquium Beiträge des 62. Geomechanik Kolloquiums

6/13

December 2013

Koralm tunnel and Semmering base tunnel Koralmtunnel und Semmering-Basistunnel

Topics Wolfgang Holzleitner Martin Kraft-Fish Bernd Imre Thomas Preuth

DOI: 10.1002/geot.201300003

Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India Österreichische Tunnelbaukompetenz verbindet das Kaschmirtal mit Indien When completed, the 292 km long Udhampur-Srinagar-Baramulla Rail Link Project will connect towns in the Kashmir Valley to the lowlands of India. The Government of India declared the railway as a “Project of National Importance” in March 2002. In October 2009 a 119 km section was put into operation. Works are expected to be completed by 2018.

Austrian and other European consultants have been active on the project since its inception. This report concerns the design of a 15 km long central section of the railway between the Sumber and Arpinchala stations awarded to Bernhard Ingenieure ZT GmbH in 2012. Out of a total length of 15 km, 13.0 km are in tunnels, 0.9 km bridges, and the remainder are stations. The alignment section lies in the young Himalaya, passing through mountains on the western side of the Chenab River. Geological conditions are therefore demanding and tectonic activity is frequent.

Although design is ongoing, this report presents the approach taken by the consultant in fieldwork, project optimisation, design and contractual specifications. The issue of muck disposal is also discussed.

1 Project background and motivation The State of Jammu and Kashmir (J&K) is the northernmost part of India, extending deep into the Himalaya. The Pir Panjal Range separates the Kashmir Valley from the lowlands of India. The state’s summer capital, Srinagar, is easiest reached by road through the Kashmir Valley from Pakistan. From the Indian lowlands, all roads to Srinagar cross high mountain ranges, most notably the National Highway 1A from Udhampur over the Pir Panjal range.

This highway, dating back to the time of British occupation, cannot cope with current traffic volumes (Fig. 1). It is considered one of India’s most dangerous highways, regularly blocked by rock falls, landslides and avalanches. In winter, the route is often blocked by heavy snowfall. If conditions are favourable, a car journey from Udhampur to Srinagar (approx. 300 km) on the NH 1A takes a full day.

An alternative to the NH 1A is the even more hazardous Leh-Manali Highway from Himachal Pradesh.

This route, crossing the Rohtang and Taglang Passes, is the highest major road in the world and impassable in winter.

The political situation in the region is tense; parts of J&K are claimed by Pakistan and China. Although the project is located in the relatively secure “Indian-adminis-

Nach ihrer Fertigstellung wird die 292 km lange Eisenbahnstrecke Udhampur-Srinagar-Baramulla das Kaschmirtal mit dem indischen Tiefland verbinden. Aufgrund seiner sozio-ökonomischen sowie strategischen Bedeutung deklarierte die indische Regierung das Projekt im März 2002 als „Projekt von nationaler Bedeutung“. Im Oktober 2009 konnte ein erster, 119 km langer Teilabschnitt in Betrieb genommen werden. Der Abschluss aller Arbeiten ist für das Jahr 2018 geplant. Österreichische und weitere europäische Beratungsgesellschaften sind von Beginn an in dieses Projekt involviert gewesen. Die Bernard Ingenieure ZT GmbH mit Sitz in Hall in Tirol gewann 2012 den Bieterbewerb für ein 15 km langes Teilstück zwischen den Bahnhöfen von Sumber und Arpinchala. Ausgewählte technische und vertragliche Herausforderungen dieses Teilstücks im Hochgebirge, das sich auf etwa 13 km Tunnelstrecke, etwa 0,9 km Brückenbauwerke und zwei Bahnhofsbereiche verteilt, ist Gegenstand dieses Berichts. Die Trasse befindet sich in der so genannten Young Himalaya Range in der Bergregion westlich des Chenab Flusses. Aufgrund der immer noch aktiven Gebirgshebung sind die topographischen, naturgefahrenkundlichen und geologischen Randbedingungen herausfordernd.

1 Hintergrund und Motivation Der Bundesstaat Jammu und Kaschmir (J&K) ist der nordwestlichste Indiens und reicht vom Tiefland rund um die (Winter-) Hauptstadt Jammu bis weit in den Himalaya ins Kashmir-Tal rund um die (Sommer-) Hauptstadt Srinagar.

Zwischen diesen Städten bildet die Pir Panjal Gebirgskette eine topographische Barriere mit Gipfeln bis über 5.000 m Höhe. Die einfachste Straßenverbindung ins Kaschmir-Tal wäre über Pakistan. Auf indischem Staatsgebiet windet sich jedoch der National Highway 1A (NH-1A) aus Udhampur über den Pir Panjal (Bild 1). Diese Straße stellt im Grunde die einzige ganzjährig offene Verbindung ins Kashmir-Tal auf indischem Territorium dar und ist daher von entsprechender sozioökonomischer als auch strategischer Bedeutung. Als Handelsweg für 6 Millionen Einwohner im indischen Kashmir Tal kann diese Straße schon heute das Verkehrsaufkommen nicht mehr aufnehmen, geschweige denn ein weiteres demographisches als auch wirtschaftliches Wachstum dieser doch recht aufstrebenden Region. Als eine der gefährlichsten Straßen Indiens ist sie zudem regelmäßig durch Steinschlag, Murgang oder im Winter durch Lawinen und Schneefälle blockiert. Selbst

© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

13

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

Fig. 1. Typical traffic conditions on the NH 1A Bild 1. Beispielhafte Verkehrssituation auf der NH 1A

tered Kashmir”, terrorist activities are a concern. The section described in this report lies within the mainly Hindu Ramban district. The proportion of Muslims increases as the alignment proceeds northwards. The majority of the population in the neighbouring Doda and Anantang districts is Muslim. Almost 96 % of the 283,300 population in the Ramban district live in rural areas [1] [2].

The geo-political situation and difficulties of travel in the region mean that the Udhampur-Srinagar-Baramulla Rail Link Project (USBRL) is of great socio-economic and strategic importance. When completed, the railway will enable the quick mobilisation of troops into the western and northern parts of J&K.

2 Project description The 292 km long USBRL follows a similar route to that taken by the NH 1A, crossing the Pir Panjal Range close to the Banihal pass (2,832 m a.s.l.). The Government of In-

bei guten Bedingungen benötigt man für die 300 km Distanz zwischen Jammu und Srinagar einen vollen Tag. Als Alternative zur NH-1A steht lediglich der als noch gefährlicher zu betrachtende Leh-Manali Highway zur Verfügung. Diese Straße überquert die Rohtang und Taglang Pässe und ist damit einerseits eine der höchstgelegenen Straßen der Welt, andererseits daher aber im Winter auch unpassierbar.

Die politische Situation in der Region ist immer noch angespannt; Teilgebiete von J&K werden von Pakistan und China beansprucht. Das vorgestellte Projektgebiet befindet sich hauptsächlich im hinduistisch geprägten Bezirk Ramban. Nach Norden hin steigt der Anteil der Menschen muslimischen Glaubens an. In den angrenzenden Bezirken Doda und Anantang sind vorwiegend Menschen muslimischen Glaubens ansässig. Fast 96 % der 283.000 Einwohner im Bezirk Ramban leben in ländlichen Gegenden [1] [2].

Die momentan vorliegende geostrategische Situation und die übermaßen strapazierte Verkehrssituation zeigen die herausragende sozioökonomische und strategische Bedeutung des Udhampur-Srinagar-Baramulla Rail Link Project (USBRL) auf und erklären die Deklaration des Projekts als „Unternehmung von nationaler Bedeutung“ durch die indische Regierung im März 2002.

2 Projektbeschreibung Die 292 km lange USBRL folgt einer Route ähnlich der des NH 1A und unterquert die Pir Panjal Kette nahe des Banihal Passes (2.832 m ü.M.). Alle Tunnel der Strecke sollen nach den Grundsätzen der NÖT aufgefahren werden. Die Strecke ist in drei Teilabschnitte unterteilt (Tabelle 1).

Die 119 km lange Strecke zwischen Qazigund und Baramulla wurde im Oktober 2009 in Betrieb genommen.

Die gesamte Strecke soll 2018 fertiggestellt werden. Dieser Bericht konzentriert sich auf den zweiten Teilabschnitt, insbesondere die 15 km lange Strecke zwischen den Bahn-

Table 1. Sections of the USBRL, derived from [3] Tabelle 1. Abschnitte der USBRL, abgeleitet von [3] Leg

Executing company Ausführendes Unternehmen

Estimated lengths of tunnels Voraussichliche Tunnellängen [km]

Estimated number of bridges Voraussichliche Anzahl an Brücken

Leg 1: 25 km from Udhampur to Katra Abschnitt 1: 25 km von Udhampur nach Katra

Northern Railway

10.90

38

Leg 2: 148 km from Katra to Qazigund Abschnitt 2: 148 km von Katra nach Qazigund

Northern Railway KRCL IRCON

109.60

119

IRCON

0

704

Abschnitt

Leg 3: 119 km from Qazigund to Baramulla Abschnitt 3: 119 km von Qazigund nach Baramulla

14

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

dia declared the railway as a “Project of National Importance” in March 2002. All tunnels on the alignment are being constructed by NATM. The alignment is split into three legs, as shown in Table 1. The 119 km long Qazigund–Baramulla entered operation in October 2009. Completion of the entire alignment is expected by 2018. This paper focuses on Leg 2, in particular the 15 km long section of the railway between the Sumber and Arpinchala stations, which is currently being designed by Bernard Ingenieure ZT GmbH (Austria).

The client, IRCON, is an undertaking of the Government of India. Regarding its ownership and activities, it is comparable to undertakings in Austria such as the former HLAG or BEG. Other European consultants have also worked on Leg 2. Between 2008 and 2010, Amberg Engineering Ltd. (Switzerland) studied the alignment and recommended alternatives for this section. A key structure on the alignment, the 11 km Pir Panjal Tunnel, the longest railway tunnel in India and second longest in Asia, was designed by the Austrian company Geoconsult ZT GmbH. Construction of this tunnel was the first large-scale use of NATM for excavation and support of a railway tunnel in India. It also has the highest overburden of any tunnel in India (1,100 m) [3]. Excavation was completed in October 2011, and lining works are currently in progress.

The Swiss consultancy Lombardi designed the 10.1 km long T-48 tunnel and Geodata S.p.A. (Italy) the 8.6 km long T-74R tunnel.

höfen von Sumber und Arpinchala, die gerade von der Bernard Ingenieure ZT GmbH geplant wird. Der Auftraggeber, IRCON, ist ein Staatsunternehmen der indischen Regierung. Die Aktivitäten und Eigentumsverhältnisse sind mit österreichischen Unternehmen wie der ehemaligen HL-AG oder BEG vergleichbar.

Auch andere europäische Beratungsunternehmen haben am Teilabschnitt 2 gearbeitet. Zwischen 2008 und 2010 wurde eine Trassenstudie inklusive möglicher Alternativen von der Amberg Engineering Ltd. (Schweiz) durchgeführt. Ein Schlüsselbauwerk der Strecke, der 11 km lange Pir Panjal Tunnel, längster Eisenbahntunnel Indiens und zweitlängster Asiens wurde von der österreichischen Geoconsult ZT GmbH geplant. Der Bau dieses Tunnels war der erste NÖT-Vortrieb Indiens. Zusätzlich ist es der Tunnel mit der indienweit höchsten Überlagerung von 1.100 m [3]. Die Ausbrucharbeiten wurden im Oktober 2011 abgeschlossen, zurzeit findet der Innenausbau statt.

Das Anschlusslos südlich des Planungsloses von Bernard Ingenieure ZT GmbH wird vom schweizerische Unternehmen Lombardi betreut und beinhaltet den 10,1 km langen Tunnel T-48. Das nördliche Anschlusslos wird von Geodata S.p.A. aus Italien betreut und beinhaltet den 8,6 km langen Tunnel T-74R. Die Hauptbauwerke des Planungsloses von Bernard Ingenieure ZT GmbH, der Strecke zwischen Sumber und Arpinchala, werden in Tabelle 2 erläutert. Die Morphologie des Projektgebiets ist durch tief eingeschnittene, steile,

Table 2. Structures along the alignment Tabelle 2. Geplante Streckenbauwerke Structure

Length [m]

Bridge/Brücke BR-2

441

Sumber Yard

1,200

Bridge/Brücke BR-3

341

Tunnel T-49

9,120

Tunnel T-51

3,625

Bridge/Brücke BR-4

35

Tunnel T-52

250

Arpinchala Yard

1,200

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

15

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

Table 3. Key design criteria Tabelle 3. Hauptplanungskriterien Design Parameter Planungsgrundsätze

Value Angabe

Design life Betriebsdauer

120 years 120 Jahre

Type of operation Operationsmodus

Electric Elektrifiziert

Number and type of tracks Gleisanzahl und Spurbreite

Single track, broad gauge (= 5′6′′, 1676 mm), ballastless Eingleisig, Breitspur, feste Fahrbahn

Design speed Ausbaugeschwindigkeit

100 km/h

Maximum gradient Maximale Neigung

1 in 80 (= 1.25 %)

Curve compensation Gradientenabminderung in Kurven

0.4 % per degree curvature 0,4 % pro Grad der Kurve

Table 2 shows key components of the alignment between Sumber and Arpinchala. The railway steadily increases in elevation from 1,450 to 1,550 m a.s.l.

The morphology of the project area displays deeply incised, narrow, V-shaped valleys with steep flanks, due to the significant uplift rates of the Himalaya range in recent geological times and the action of rivers. Accordingly, almost 13 km of the railway track runs through tunnels. General design criteria applied to the alignment are given in Table 3.

2.1 Project optimisation One of the consultant’s first activities was to optimise the existing alignment in terms of portal locations, underpassing of valleys and access possibilities during construction.

Teams of tunnel engineers, geologists and bridge designers carried out two site reconnaissance missions in spring 2012. Along with desk-study, this formed the basis of a technical-economic comparison to determine the most appropriate alignment. Factors considered were: – Technical feasibility: – Constructability and geology, – Time for excavation/construction, – Safety during construction, – Cost of construction, – Operational aspects: – Operational safety of railway line, – Access for emergency services, – Escape safety.

The alignment optimisation mostly concentrated on mitigating the effects of natural hazards. This was achieved by shifting tunnels further into hillsides, reducing the number of portal areas (thus reducing the number of tunnels and accesses) and shifting the locations of the portals.

2.2 Local topography and geology The alignment is located south of the main ridge of the Pir Panjal range. The Bishlari and Chenab Rivers, which form one of the main tributaries of the Indus River System, drain the area.

16

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

enge, fluvial geformte V-Täler gekennzeichnet, die sich durch die hohen tektonischen Hebungsraten im Himalaya und der hohen Erosionstätigkeit der Flüsse gebildet haben. Die Trasse im Planungslos steigt beginnend in Süden von 1.450 auf 1.550 m ü.M. im Norden. Dabei ist zu beachten, dass im Süden die Trasse etwa 1.000 m über dem Talboden der Hauptflüsse im Projektraum, Chenab und dem Bishlari, verläuft. Dementsprechend herausfordernd sind Bau und Betrieb der Baustellenzufahrtswege vom Haupttal in die Hochtäler, von denen die Vortriebsangriffe aus erfolgen. Die allgemeinen Planungsgrundlagen sind in Tabelle 3 angegeben.

2.1 Projektoptimierung Zu den ersten Aufgaben gehörte die Prüfung und Optimierung der vorliegenden Streckenplanung in Bezug auf Portalanschläge, Talunterquerungen und Baustellenzugänge. Auf Basis von Felduntersuchungen mit einem multidisziplinären Expertenteam, im Verbund mit einem intensiven Grundlagenstudium wurde die Basis für eine technisch-ökonomische Beurteilung einer bestmöglichen Streckenführung ausgearbeitet. Die Beurteilungskriterien waren: – Technische Machbarkeit: – Realisierbarkeit im Bezug auf die geologischen Verhältnisse, – Zeitaufwand für Ausbruch und Bau, – Arbeitssicherheit beim Bau, – Baukosten, – Operationelle Aspekte: – Betriebssicherheit der Eisenbahn, – Zugang zu Notfalleinrichtungen, – Sicherheit im Selbstrettungsfalle.

Für die Frage der Optimierung der Streckenführung erwies sich der Themenkreis Naturgefahren in zweierlei Hinsicht als maßgeblich. Zum einen sind lange Baustellenzufahrtsstraßen aus dem Haupttal in die Hochtäler extrem anfällig gegenüber Steinschlag, Muren und Böschungsstabilitäten im Allgemeinen. Die Offenhaltung dieser Wege ist zeit- und kostenintensiv, mit häufigen, mehr-

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

The topography is dominated by steep, long slopes cumulating in mountain peaks at an elevation of 4,000 m.

The interplay of uplift and erosion leads to intense incision so that almost no glacial remnants are visible. Even ancient fluvial sediments are only occasionally visible.

The geology is dominated by the presence of two major thrust systems: The Main Boundary thrust (MBT) and Main Central Thrust (MCT). The MBT separates the sedimentary rock (sandstone) of the Himalayan foreland in the footwall from the crystalline rock (predominantly slates and phyllites) of the High Himalaya in the hanging wall.

The alignment crosses a number of geological formations. The southern to central section from the Sumber Valley to the ridge above tunnel T-51 lies in the Salkhala Formation (Fig. 2), the oldest formation in the project area. The formation is represented by slates in the south and east, and phyllite with secondary minerals such as quartz and muscovite in the northwest [4]. The composition is slightly different in the project area. Generally there is a partially closely spaced but morphologically visible interbedding of paragneisses (i.e., sedimentary) and phyllites in varying mineralizations. This begins with partially sericitic phyllites at the boundary to the Ramsu formation in the north, quarzitic and/or chloritic phyllites in the Higni area and ends with gneissic phyllites in the Urnihal area.

The Ramsu Formation, lying discordant on the Salkhala Formation, dominates the northern part of the project area. Schistosity planes are folded but primarily orientated in a northeastern direction. Rock is primarily oriented in a northeastern direction. The formation exhibits three major rock types: phyllite, slate and limestone.

The majority of the alignment is suited to tunnelling by drill and blast, with only short sections in weak zones requiring excavation by roadheader and extensive support measures.

tägigen Unterbrechungen der Baustellenversorgung ist zu rechnen. Eine Reduktion der Zufahrtswege (Länge, Anzahl der Angriffe) erwies sich daher als zielführend. Zum anderen weisen alle Täler ein hohes Hochwasser-, Murgang- und Steinschlagpotenzial auf, das auf Trassenführung und Brückenplanung großen Einfluss hat.

2.2 Lokale Topographie und Geologie Die Strecke befindet sich in den Siwalik Bergen südlich des Hauptrückens des Pir Panjal Gebirgszugs. Die Flüsse Bishlari und Chenab, die Teil des Indus Systems sind, entwässern diese Region.

Die Topographie wird von langen und steilen Hängen dominiert, die in Gipfeln von bis zu 4.000 m Höhe münden. Das Wechselspiel zwischen tektonischer Hebung und Erosion führte zu intensiver fluvialer Einschneidung der V-Täler, sodass annähernd keine glazialen Formen mehr im Gelände zu erkennen sind. Auch alte fluviale Sedimente wie Terrassen sind nur ganz in Norden des Projektraums anzutreffen.

Das Strukturinventar des Gebirges im Projektraum wird von zwei Hauptüberschiebungssystemen dominiert: Die Main Boundary Thrust (MBT) und die Main Central Thrust (MCT). Die MBT trennt die nicht-metamorphen Sedimentgesteine des Tieflands von den metamorphen Schiefer und Phyllitgesteinen des Himalayas.

2.3 Local tectonic features Fig. 3 shows the regional tectonic units [5]. There are three main local tectonic features. The most prominent is the MCT (Fig. 4), crossing the Sumber Nala at bridge BR-3. Smaller faults are associated with this dominant feature, indicated for example, by wedges of Ramban phyllites north of the MCT line.

The second feature is the orthogneiss (i.e. igneous) block, located between the MCT and the Urnihal Nala, thus affecting tunnel T-49. The margins of this block can be mechanically weakened during intrusion; however, no traces of this were found in the field.

The third feature is a series of faults in the northern section of the Urnihal catchment area. These faults are visible and spaced at 20 to 50 m intervals. The superficial features of this fault series are partially heavily weathered kakirite (fault gouge) rock sections and detritic orthogneiss bands, probably reaching down to tunnel elevation.

Within the Bahta, Badarkot and Higni side valleys, faults and disturbances crop out. Generally, fluvial channels follow zones of structural weaknesses; since the general thrusting is from ENE to WSW with a sinistral mo-

Fig. 2. Outcrop of phyllite paragneiss complex of Salkhala Formation in the Higni Valley Bild 2. Aufschluss des Phyllit- Paragneis Komplexes der Salkhala Formation im Hignital

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

17

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

Fig. 3. Main tectonic units of the NW Indian Himalaya [5] Bild 3. Haupttektonische Einheiten des Nordwest Himalayas [5]

ment, it is also likely that lateral forces separate rock bodies normal to the general convergence movement.

2.4 Tunnelling methodology All tunnels along the alignment are to be constructed by NATM. Despite the length of the tunnels, the choice of conventional over mechanised tunnelling is considered advantageous since: – Start-up costs of NATM are lower than for a TBM. – Transporting a TBM to site would be difficult (e.g., shipment to Mumbai and then transport over narrow mountain roads).

– Indian contractors are more experienced in conventional tunnelling.

– NATM requires a significantly greater number of site personnel, which is not a problem in India.

Der Zentralbereich der Strecke befindet sich in der so genannten Salkhala Formation, der tiefsten Einheit im Projektgebiet (Bild 2). Im Wesentlichen finden sich entlang des gegenständlichen Streckenabschnitts Wechselfolgen von Phylliten und Paragneisen, wobei der Phyllit verschiedene Sekundärmineralien anzeigt [4]. Diese sind unter Anderem serizitische Phyllite im Nordosten, quarzitische und chloritische Phyllite bei Ramsu und gneissische, sehr kompakte Phyllite im Bereich um Urnihal.

Die Ramsu Formation, die diskordant auf der Salkhala Formation aufgeschoben ist, dominiert den Norden des Projektgebiets. Die Schieferung ist gefaltet, fällt jedoch meist in Richtung Nordosten ein. In der angesprochenen Decke finden sich metamorphe Sedimente, im Wesentlichen Phyllite, Schiefer und untergeordnet auch Marmor.

Der Großteil der Streckenführung kann in Sprengvortrieb ausgebrochen werden. Es werden nur wenige Schwächezonen vermutet.

2.3 Lokale Tektonik

Fig. 4. View of slope which is crossed by the MCT (red line).

The footwall consists of phyllite and slate (grey) and the hanging wall consists of a massive (gneissic) phyllite (green). On top is a gneiss cap (violet) Bild 4. Ausbisslinie der MCT (rote Linie). Im Liegenden befinden sich Phyllite und Tonsteine (grau), das Hangende ist ein massiver Gneissphyllit (grün). Die Gipfelregion wird von einem Orthogneiss (violett) gebildet

18

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Im Projektgebiet befinden sich drei dominierende tektonische Überschiebungsbahnen (vgl. Bild 3) [5]. Die stärkste ist die MCT (vgl. Bild 4), die mit der Brücke BR-3 überkreuzt wird. Einhergehend mit dieser Großstörung gibt es noch einige seitliche Abscherungen, die sich durch das Auftreten von Phylliten der Rambandecke nördlich der MCT andeuten.

Der Rücken zwischen den Tälern Sumber und Urnihal wird von einem Orthogneisblock gebildet. Weitgehend parallel zur MCT verläuft eine Serie von mehreren Metern mächtigen Störungen im Norden des Urnihal-Tals. Diese Störungen sind an der Oberfläche aufgeschlossen und treten alle 20 bis 50 m auf. Die kakiritische Störungskette ist in der Regel stark verwittert. In den Seitentälern Bahta, Badarkot und Higni treten Störungen und Aufschiebungen auf. In der Regel verlaufen entlang solcher Schwächezonen auch Bäche. Da die generelle Überschiebungsrichtung mit einem sinistralen Moment von ENE nach WSW reicht, ist es möglich, dass diese Störungen durch laterale

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

On the other hand, a TBM would offer increased rates of advance thus avoiding the use of explosives.

The consultant followed the design process recommended in the “Guideline for the geotechnical design of underground structures with conventional excavation” of the Austrian Society for Geomechanics [6]. For the tendering of underground works, a number of “Support Classes” were defined for each tunnel, simplified but in the style of the Austrian standard ÖN 2203-1. In order to determine the appropriate Support Class, the following factors were defined: – The round length, with which the excavation can be performed safely and with acceptable accuracy of profile shape, – The quantity of tunnel support required for reaching a new state of equilibrium, characterised by the decrease or cessation of deformation, – The excavation and support sequence.

As part of their method statements, contractors are required to produce detailed work cycles for each Support Class, specifying equipment to be used for excavation, loading, mucking and support, broken down into single activities with their duration in minutes. This information will assist the client in determining contractor performance during construction.

Kräfte, senkrecht zu dem dominanten Überschiebungsmoment, entstanden sind.

2.4 Vortriebsmethoden Sämtliche Tunnel an der Strecke sollen nach den Grundsätzen der NÖT aufgefahren werden. Trotz der Länge der Tunnel wird der konventionelle Vortrieb als vorteilhaft beschrieben, unter anderem aufgrund folgender Punkte: – Anschaffungskosten sind für NÖT Vortriebe geringer als für TBM-Vortriebe.

– Ein TBM Transport auf die Baustelle wäre eine logistische Herausforderung (Verschiffung nach Mumbai, Weitertransport über z. T. enge Bergstraßen).

– Indische Bauunternehmen haben mehr Erfahrung im konventionellen Vortrieb.

– Die NÖT verlangt mehr Personal, was in Indien jedoch akzeptiert ist.

Andererseits würde ein schnellerer Baufortschritt und der Verzicht auf Sprengmittel für TBM Vortrieb sprechen.

Bei der Planung wurde die ÖGG-Richtlinie für die geotechnische Planung von Untertagebauten mit zyklischem Vortrieb [6] angewandt. Für die Ausschreibung der Untertagearbeiten wurden in Anlehnung an die ON 2203-1 für jedes Bauwerk Stützmittelklassen entwor-

ein Unternehmen der

BERNARD GRUPPE

BERNARD Ingenieure liefert alle Beratungs-, Planungs- und Ingenieurleistungen auf den Gebieten Industrie, Energie, Infrastruktur und Verkehr.

BERNARD Ingenieure steht für interdisziplinäre Ingenieurleistungen, bietet umfassende technische und wirtschaftliche Beratung, verwirklicht komplette Planungen, steuert Projektentwicklungen und kontrolliert Projektabläufe in der Ausführung.

1

www.bernard-ing.com

2

1: Unterinntalbahn - Baulos H3-4; Federführer ÖBA und Vertragsmanagement 2: Unterinntalbahn - Baulos H5; Federführer ÖBA und Vertragsmanagement 3: Krafthauskaverne Daga Chhu, Bhutan; Gesamtanlagenplanung und Bauberatung vor Ort

3

BESTE LÖSUNGEN BEGEISTERN

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

19

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

fen, deren Anwendung durch kostenbeeinflussende Unterscheidungsmerkmale definiert wurden: – Die Abschlagslänge zur Erreichung hoher Sicherheit für Arbeiter und Bauwerk sowie akzeptabler Profilgenauigkeit, – Die Stützmittelmenge zur Erreichung eines sekundären Gleichgewichtszustands gekennzeichnet durch die Abnahme bzw. dem Aufhören der Gebirgsverschiebungen, – Die Abfolge der Arbeiten bei Ausbruch und Stützung des Hohlraums.

Als Teil des anzugebenden Ausbruchverfahrens sind die Baufirmen dazu verpflichtet, detaillierte Arbeitspläne vorzulegen, in denen die für Ausbruch, Schuttern und Stützen notwendigen Geräte und Zeiteinheiten erläutert werden.

An diesen Plänen wird während der Bauphase die Leistungsfähigkeit des Vertragspartners evaluiert.

2.5 Spezifikation der Sicherheitssysteme im Tunnel

Fig. 5. Rockfall-prone Koda Nala gorge with alignment Bild 5. Steinschlaggefährdete Trasse innerhalb der Koda Nala Schlucht

2.5 Specification of tunnel safety systems The design of safety systems for the tunnels is based on UIC 779/9 “Safety in Railway Tunnels” [7], with some project-specific considerations. Emergency services are not nearby, i.e. individuals will escape before emergency services can reach an incident site in the tunnel; therefore, the primary method of reaching safety is the implementation of escape and safety systems. For tunnels longer than 3 km, escape is possible through cross-passages into a parallel safety tunnel. Tunnels between 1 and 3 km are provided with an auxiliary adit.

Due to the remote location of the project and the difficulties in maintaining the line, a key aim is to provide tunnel systems that are low technology and cost effective. Complex electro-mechanical installations should be avoided.

2.6 Rockfall protection bridge A section of the alignment in the deeply incised Koda Nala gorge (Fig. 5) is particularly exposed to rockfall. The frequency of rockfall will be quite high due to the disintegration of the stratified rock above the tunnel portals.

Since it is not possible to avoid a traverse of the gorge, the consultant has proposed a bridge with a rockfall protection roof.

3 Local challenges Although projects in India can be rewarding from a technical standpoint and due to their sheer scale, a number of challenges face designers working in this region in comparison to Europe. These include: – Difficult access: When crossing valleys, it is often necessary to descend over 1.000 m and travel many kilome-

20

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Die Planungen für die Sicherheitssysteme basieren auf UIC 779/9 „Sicherheit in Eisenbahntunneln“ [7] mit einigen projektspezifischen Anpassungen. Rettungsdienste sind nicht schnell vor Ort, daher wird ein größeres Gewicht auf die Selbstrettung gelegt, was dazu führt, dass die Sicherheitsinfrastruktur darauf ausgerichtet werden muss.

Für Tunnel mit über 3 km Länge werden separate, über Querschläge erreichbare, parallele Rettungsstollen gebaut.

Tunnel zwischen 1 und 3 km werden mit einem zusätzlichen Zugangsstollen ausgestattet.

Aufgrund der Abgelegenheit der Region und der zu erwartenden langen Wartungsintervalle der Infrastruktur werden Sicherheitssysteme vor allem in Hinblick auf Robustheit und Kosteneffizienz entwickelt. Wartungsintensive elektromechanische Einbauten sollen vermieden werden.

2.6 Steinschlagschutzbrücke Zwischen den Tunneln T-51 und T-52 liegt das KodaTal, das mit einer Brücke überspannt wird. Das extrem enge Tal mit steilen Flanken ist stark steinschlaggefährdet (Bild 5). Auf Basis der Planungsgrundsätze des dauerhaften Schutzes vor Naturgefahren und den anzustrebenden langen Wartungsintervallen wurde auf klassische Lösungen wie Steinschlagschutznetze verzichtet und stattdessen eine vergleichsweise massive Betonhohlkastenbrücke mit Steinschlagschutzdach vorgesehen.

3 Lokale Herausforderungen Zu den schon genannten Projektrandbedingungen stellen folgende „lokale“ Herausforderungen ein Projektspezifikum dar: – Schwieriger Zugang: Die im Himalaya tief eingeschnittenen Täler sind häufig nur weiträumig passierbar, da es nur wenige Brücken gibt. Dies verursacht in Verbindung mit der allgemeinen Abgelegenheit der Region hohe Zeitverluste beim Erreichen der anvisierten Lokalitäten.

– Lokale Baumethoden, insbesondere bei der Einrichtung der Baustellenzufahren: Die Voraussetzungen für den

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

Fig. 6. Rock slope stability problems with access road construction near Urnihal Bild 6. Böschungsstabilitätsprobleme beim Bau der Zufahrtsstraßen in Richtung Urnihal

–

–

–

–

tres to infrequent bridges. This, coupled with the remoteness of the area, means that reaching sites of interest can take many hours. Inaccessibility increases the difficulty of carrying out terrestrial survey and geotechnical investigations.

Local construction practices, in particular the condition of access roads: It is clear that conditions for creating new access roads are not easy. Mountainsides are exceptionally steep. However, rock strata orientation is rarely considered, with the result that progressive slope failure (often extending for tens of metres above the road) is common and roads are blocked, as shown in Fig. 6.

Moreover, excavated material is typically dumped over the hillside to fall hundreds of metres into valley bottoms, destroying all land and property below (Fig. 7).

Regulations preventing this are not enforced and landowners receive little compensation. Re-use of excavated material is not considered. Access roads are generally unpaved and use by heavy plant without regular maintenance causes a very uneven road surface.

Political pressure: This typically results in unpredictable and often unreasonable requests from clients for submissions.

Re-use of accepted or known solutions: New ideas, although welcome, are often received with scepticism and can be difficult to implement. The preference is to conform to current practices.

Input from many parties often results in conflicting instructions to consultants and decisions may be re-visited many times.

4 Ensuring quality In order to bring about change to local practices and gradually improve the quality of construction, the consultant made non-standard amendments to traditional Indian tender documents. Due to the difficulty in motivating contractors to improve quality, payment deduction clauses have been introduced to influence contractors to do this.

Fig. 7. Impact of access road construction between Digdol and Urnihal Bild 7. Landschaftszerstörung durch schlecht ausgeführten Straßenbau zwischen Digdol und Urnihal

Straßenbau sind aufgrund der Topographie sehr schwierig. Felsmechanik und Geometrie werden von lokalen Auftragnehmern häufig ignoriert was folgend zu stetigen Böschungsstabilitätsproblemen sowohl im Boden als auch im Fels führt (Bild 6). Zusätzlich wird durch ungesicherte Hangeinschnitte die Vegetation zerstört und weiträumige Erosionsherde erzeugt, die sowohl die Zufahrten selbst als auch Recht und Gut Dritter bedrohen (Bild 7). Vorhandene indische Richtlinien und Normen werden nicht umgesetzt und Kompensationsleistungen werden nur in geringer Höhe erbracht. Die vorhandenen Zufahrtsstraßen sind meist nicht asphaltiert und werden bei intensiver Nutzung durch Baufahrzeuge stetig Schaden nehmen.

– Politische Einflussnahme: Dieser Faktor führt häufig zu unvorhersehbaren Planungsänderungen und überraschenden Forderungen an den Planer.

– Gehemmte Innovationsbereitschaft: Obwohl neue und alternative Lösungen grundsätzlich begrüßt werden, besteht dem eine grundlegende Skepsis gegenüber. Es wird zumeist eine (in Indien) bewährte Vorgehensweise bevorzugt.

– Der Einfluss verschiedener Parteien kann zu Unstimmigkeiten zwischen den Vertragspartnern führen, und bereits getroffene Entscheidungen werden öfters in Frage gestellt.

4 Qualitätssicherung Um auf die momentan vorhandenen lokalen Gepflogenheiten Einfluss zu nehmen und die Bauausführung zu verbessern, wurden einige, unkonventionelle Änderungen bei der Erstellung der Ausschreibungsunterlagen durchgesetzt. Da es allgemein schwierig ist, die bauausführenden Unternehmen zu hochwertiger Arbeit zu bewegen, wurden einige Klauseln implementiert, bei deren Nichteinhaltung Vergütungskürzungen fällig werden.

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

21

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

Fig. 8. Schematic diagram of work locations of each team for each heading Bild 8. Schematische Darstellung eines Arbeitsablaufs für verschiedene Teams und Vortriebe

4.1 Equipment

4.1 Baugeräte

Local contractors’ equipment and machinery is often poorly maintained. Moreover, due to the remote location of the project, replacement equipment can take many weeks to arrive on site.

The technical evaluation of contractors’ proposals contains a list of mandatory plant and machinery for tunnel construction. This list defines equipment required at three work sites for each heading (Fig. 8), each of which must operate independently in terms of equipment and manpower. In order to prevent confusion, typical pictures of each item of equipment and machinery are provided in the evaluation key. Contractors who commit to supplying new equipment are awarded a higher technical mark and therefore have a greater chance of winning the project.

However, the list provided by contractors in their proposals becomes binding upon signing of the Contract. If the equipment deployed by the contractor does not comply with the list, pro-rata payment deductions are applied for periods when the proposed equipment is not available.

As part of their proposals, contractors are also required to submit a “Standby Machinery Plan”, “Spare Part Management System”, “Maintenance Programme” and certificates of specific training of electrical and mechanical maintenance personnel.

Generell sind die Baugeräte der ausführenden Firmen in schlechtem Zustand. Insbesondere aufgrund der abgeschiedenen Lage können bis zur Beschaffung notwendiger Ersatzteile Wochen vergehen.

Die technische Beurteilung der Angebote enthält eine verbindliche Liste mit Angaben zu verwendeten Maschinen und Einrichtungen für den Tunnelbau. Diese Auflistung beschreibt das notwendige Equipment für jeden Angriff an drei verschiedenen Vortrieben, die in Bezug auf Maschinen- und Personalverfügbarkeit unabhängig voneinander operieren müssen. Zur Visualisierung sind entsprechende Abbildungen beigelegt (Bild 8). Vertragspartner, die sich zur Anschaffung neuer Maschinen verpflichten, werden mit höheren Einstufungen versehen, welche die Wahrscheinlichkeit eines Losgewinns erhöhen. Nichtsdestotrotz ist die vorgelegte Liste bei Vertragsabschluss bindend. Sollte das mobilisierte Equipment nicht dem der Angebotsliste entsprechen, so sind Zahlungsreduktionen zu erwarten, und zwar solange bis die im Angebot angegebenen Maschinen auch vor Ort sind.

Als Beilagen zu den jeweiligen Angeboten sind die Anbieter dazu verpflichtet einen Baugerätebereitschaftsplan, ein Ersatzteilmanagementsystem ein Wartungspro-

22

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

4.2 Personnel A key issue in India is the retention of personnel, particularly in remote regions. More often than not, workers in India are not employed by the contractors themselves (since according to labour laws, employees may not be fired), but rather rented from middlemen.

The works contracts prepared by the consultant require the contractor to counteract the fluctuation of workers by the implementation of staff training and incentive schemes described in their Method Statement. Furthermore, only skilled or specially trained labour may be deployed at work faces. A payment deduction is imposed if the turnover of key personnel in any given month exceeds 5 %.

4.3 Excavation and support sequence The excavation and support sequence is at the heart of safe and successful NATM tunnelling. The importance of this is highlighted in the specifications and Method Statement requested from contractors. The tender documents also specify the mandatory subdivision of the main tunnel into top heading and bench in any Support Class.

Bidders are required to produce detailed work cycles for each Support Class, which serve as a reference to determine contractor performance during construction.

A payment deduction is imposed if the excavation and support sequences defined in the Technical Specifications (or as otherwise directed by the Engineer) are not followed.

4.4 Additional deductions Predefined deductions built into contracts are imposed for: – Improper handling of muck, – Lack of dewatering systems during tunnel heading, – Insufficient maintenance of roadways.

Since one aim of these deductions is to prevent repeated or continued behaviour, the deduction amount is higher than the value of the relevant service. To ensure fairness, the contractor is given the opportunity to rectify the situation for some of the items. The deduction in payment only becomes permanent if the situation is not rectified within a specified timeframe (typically 1 to 2 weeks).

5 Outlook Design work on the 15 km section described in this paper is currently ongoing. The client, IRCON, intends to issue the tenders for construction work before the end of 2012.

The adoption of the new conditions of contract is expected.

References [1] The Registrar General & Census Commissioner: 2001 Census of India. Ministry of Home Affairs, Government of India.

New Dehli, 2001.

[2] Government of India: 2011 Census of India. http://www. census2011.co.in

gramm und Zertifikate über spezifisch geschultes Wartungspersonal einzureichen.

4.2 Personal Ein wichtiges Thema in Indien ist die Bereitstellung von qualifiziertem Personal, insbesondere in den abgelegenen Regionen. Häufig werden in Indien Arbeitskräfte nicht direkt von den Auftragnehmern rekrutiert (Hintergrund ist ein rigides indische Arbeitsrecht, das Entlassungen nicht vorsieht), sondern werden über Mittelsmänner „gemietet“.

Die ausgearbeiteten Verträge verpflichten den Auftragnehmer dazu, derartige Fluktuationen zu unterbinden, indem spezifische Weiterbildungsmaßnahmen und Bonus-/ Malussysteme angefordert werden. Zudem soll ohnehin nur geschultes oder spezifisch ausgebildetes Personal an den Vortrieben arbeiten. Es drohen Vergütungskürzungen, wenn die Personalfluktuation an Schlüsselstellen über 5 % monatlich ansteigt.

4.3 Ausbruch und Stützmitteleinbau Der Bauablauf ist die Hauptkomponente, um sichere und wirtschaftliche NÖT-Vortriebe zu gewährleisten; daher werden vom Auftragnehmer detaillierte Spezifikationen gefordert. Zudem wird die Aufteilung in Kalotten- und Strossenvortrieb, unabhängig von der Stützmittelklasse, verbindlich vorgeschrieben.

Die Anbieter sind verpflichtet detaillierte Bauabläufe für jede Stützmittelklasse vorzulegen, die dann als Referenz für die Leistungsbewertung herangezogen werden.

Zahlungsabzug ist ein Druckmittel, das Anwendung findet, wenn die tatsächlichen Arbeitsabläufe nicht denen der Stützmittelklassen entsprechen.

4.4 Zusätzliche Zahlungsabzüge Vordefinierte Zahlungsabzüge werden für folgendes vertraglich festgelegt: – Fehlerhafte Deponierung von Ausbruchmaterial, – Ungenügende Wasserhaltung im Vortrieb, – Ungenügende Wartung der Zufahrtsstrecken.

Ein Ziel dieser Zahlungsabzüge ist die Vermeidung wiederholter oder fortlaufender Vertragsverstöße, daher ist der Zahlungsabzug höher als die Zahlungssumme für die o. g. Dienstleistungen. Um dem Vertragsnehmer Korrekturen zu ermöglichen, sind Zahlungsabzüge nur dann durchzusetzen, wenn die entsprechende Dienstleistung nicht innerhalb von ein bis zwei Wochen nach einer Ermahnung geleistet wurde.

5 Ausblick Die Planungsarbeiten für das beschriebene Projekt sind noch im Gang. Der Auftraggeber, IRCON, beabsichtigt die erste Ausschreibung noch vor Ende 2012 zu veröffentlichen. Die Verwendung der neuen Vertragsbedingungen ist vorgesehen.

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

23

W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

[3] Northern Railway Construction Organization (USBRL Project): J&K Project Brief. http://usbrl.org/brief.php [4] Raina, B. K., Gupta, B. K., Sharma, B. L., Wangu, A., Dhiman, L. C.: A Review of the Stratigraphy and Structure of a Part of Kashmir Basin in Banihal-Ramban-Desa-Chhatru Belt, Doda District, Jammu and Kashmir, India. Journal of the Palaeontological Society of India 35 (1990), pp. 77–89.

[5] Steck, A.: Geology of the NW Indian Himalaya. Eclogae Geologicae Helvetiae 96 (2003), pp. 147–196.

[6] Austrian Society for Geomechanics: Guideline for the Geotechnical Design of Underground Structures with Conventional Excavation. Salzburg, 2010.

[7] International Union of Railways: 779/9: Safety in Railway Tunnels. Paris: UIC, 2003.

Martin Kraft-Fish MEng (Hons) martin.fish@bernard-ing.com

Dr. Bernd Imre bernd.imre@bernard-ing.com

Dipl.-Ing. Wolfgang Holzleitner wolfgang.holzleitner@bernard-ing.com

Dr. Thomas Preuth thomas.preuth@bernard-ing.com Bernard Ingenieure ZT GmbH Bahnhofstraße 19 6060 Hall, Austria

24

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Topics Jure Klopcˇicˇ Tina Živec Marko Žibert Tomaž Ambrožicˇ Janko Logar

DOI: 10.1002/geot.201300004

Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel Einfluss der Geologie auf die in einem Erkundungsstollen vor der Ortsbrust des SentvidTunnels gemessenen Verschiebungen The Šentvid tunnel had first been designed as twin tube doublelane tunnel. Later on, the design included the third traffic lanes and connecting ramp tunnels. The underground junctions required the construction of large caverns. A small diameter exploration gallery was excavated in order to find the optimum locations for both caverns in foliated Perm-Carboniferous soft rock conditions and to provide geotechnical model and material parameters for the design. The exploration gallery furthermore enabled displacement measurements ahead of the excavation face of the main tunnel during its construction. This paper presents some details of the exploration gallery and the results obtained from it, showing the results of displacement measurements ahead of the tunnel face and comparisons of the observed displacements ahead of the tunnel face with geological conditions.

The tunnel construction won international attention due to its complexity and as an example of best practice in the construction of very large excavations in diverse geotechnical conditions.

During the decision making process, an international panel of recognized experts from consulting companies and universities was involved. Later on, the panel regularly monitored the progress of tunnelling works and contributed to the decisions during critical steps of the project. The decision to involve international experts with different experiences and approaches permitted the client to keep the construction risks within acceptable limits.

1 Introduction The Šentvid tunnel is situated in a highway section that nowadays forms a high speed bypass of the Slovenian capital Ljubljana on the way from the Karavanke tunnel at the Austrian border to Obrežje at the Croatian border. It was one of the last missing links on the Xth corridor between Salzburg and Thessaloniki and it proved to be one of the most difficult ones.

The tunnel itself consists of three separate structures integrated into one functional unit. The first two are an existing gallery and a recently completed cut and cover section on the northern side, while the third structure is the mined tunnel section.

Der Sentvid-Tunnel war zunächst mit zwei Röhren mit jeweils zwei Fahrstreifen geplant worden. Später wurde der Entwurf um einen dritten Fahrstreifen und Verbindungstunnel erweitert. Die unterirdischen Verzweigungen erforderten die Errichtung von großen Kavernen. Ein Erkundungsstollen mit kleinerem Durchmesser wurde ausgebrochen, um die optimalen Standorte für die beiden Kavernen im weichen, geschieferten Fels aus dem Perm bis Karbon zu finden und um geotechnische Modell- und Materialparameter für den Entwurf zu erhalten. Der Erkundungsstollen hat weiterhin ermöglicht, Setzungsmessungen im Bereich vor der Ortsbrust des Haupttunnels während dessen Errichtung durchzuführen. In diesem Artikel werden einige Details des Erkundungsstollens und der mit seiner Hilfe gewonnenen Ergebnisse dargestellt. So werden die Ergebnisse der Messungen der der Ortsbrust vorauslaufenden Setzungen gezeigt und ein Vergleich der beobachteten Setzungen mit den geologischen Verhältnissen angestellt.

Der Tunnelvortrieb hat international Aufmerksamkeit auf sich gezogen aufgrund seiner Komplexität und als vorbildliches Praxisbeispiel für die Errichtung von sehr großen Hohlräumen in den unterschiedlichsten geologischen Verhältnissen. In den Entscheidungsprozess war ein internationaler Ausschuss von anerkannten Experten aus Beratungsfirmen und Universitäten eingebunden. Im weiteren Verlauf hat dieser Ausschuss regelmäßig den Fortschritt der Arbeiten an dem Tunnel verfolgt und in kritischen Phasen des Projektes bei wichtigen Entscheidungen unterstützt.

Die Entscheidung, internationale Experten mit verschiedensten Erfahrungen und Herangehensweisen einzubinden erlaubte dem Kunden, das Risiko der Baumaßnahme in einem akzeptablen Rahmen zu halten.

1 Einleitung Der Sentvid-Tunnel liegt in einem Fernstraßenabschnitt, der heute einen Autobahnring um die slowenische Hauptstadt Ljubljana bildet, auf dem Weg vom Karawankentunnel an der österreichischen Grenze nach Obrezje an der kroatischen Grenze. Es war eine der letzten fehlenden Verbindungen auf dem paneuropäischen Verkehrskorridor zwischen Salzburg und Thessaloniki und sollte sich als eine der schwierigsten herausstellen.

© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

25

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 1. Layout of the Šentvid tunnel Bild 1. Layout des Sentvid-Tunnels

The initial design of the mined tunnel foresaw a twin tube double-lane tunnel excavation. Based on the expected increase of traffic in the near future, the idea arose to connect the highway directly to the road infrastructure running above the tunnel. Therefore, a solution with two extra-large bifurcation caverns with a maximum cross section of approx. 360 m2 at the intersection of the main tubes and the ramp tunnels was adopted (Figure 1).

The decisions about the feasibility, layout and support design of the caverns demanded a geological and geotechnical model that could predict the rock mass behaviour to an unusually high accuracy. To achieve this target, an exploration gallery, which ran along the alignment of both main tubes, was carried out during the early stages of the design process.

Furthermore, numerous investigation works were performed during and after the excavation works and rigorous deformation monitoring was established. All the data gained during the excavation of the gallery and also later on during the construction of the main tubes were considered for the development of the new geotechnical model.

The interpretation of measured displacements in relation to the detailed geological model enabled the understanding and the prediction of particular deformation patterns that could be critical during cavern construction.

Based on these results, a feasibility study and risk analysis considering financial and time-related effects was made, which led to the decision to construct a 3-lane tunnel with connecting ramp tunnels and connecting caverns as presented in Figure 1.

During the tunnel construction, the existing exploration gallery was used to perform geodetic measurements

26

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Der Tunnel selbst besteht aus drei separaten Strukturen, die zusammen eine funktionale Einheit bilden. Die beiden ersten sind ein bestehender Stollen und ein kürzlich fertig gestellter Abschnitt in offener Bauweise auf der nördlichen Seite, die dritte Struktur ist der bergmännisch hergestellte Tunnelabschnitt.

Der erste Entwurf für den bergmännischen Tunnel sah die Erstellung von zwei Röhren mit jeweils zwei Fahrstreifen vor. Aufgrund des in der näheren Zukunft zu erwartenden Anstiegs der Verkehrsbelastung wurde die Idee geboren, die Fernstraße direkt mit der oberhalb des Tunnels verlaufenden Straßeninfrastruktur zu verbinden. Als Lösung hierfür kam die Erstellung von zwei extragroßen Verzweigungskavernen mit einem maximalen Querschnitt von etwa 360 m2 am Schnittpunkt der Hauptröhren mit den Rampentunneln zur Anwendung (Bild 1).

Die Entscheidung über die Machbarkeit, das Layout und den Entwurf des Ausbaus erforderte ein geologisches und geotechnisches Modell, mit dem das Verhalten des Gebirges mit einer unüblichen hohen Genauigkeit vorhergesagt werden konnte. Um dieses Ziel zu erreichen wurde bereits in einer frühen Phase des Entwurfsprozesses ein Erkundungsstollen entlang der Achse der beiden Hauptröhren erstellt.

Weiterhin wurden während und nach den Ausbrucharbeiten zahlreiche Untersuchungen durchgeführt und ein Monitoringnetz zur präzisen Messung der Verformungen aufgebaut. Alle während des Ausbruchs des Stollens und später während der Erstellung der Hauptröhren gewonnenen Daten wurden bei der Entwicklung des neuen geotechnischen Modells berücksichtigt. Die Auswertung der gemessenen Verschiebungen in Verbindung mit dem de-

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Table 1. Length and cross-sectional area of individual tunnel sections Tabelle 1. Länge und Querschnittsfläche der einzelnen Tunnelabschnitte Section Abschnitt

Right Tube Rechte Röhre

Left Tube Linke Röhre

Cross Section Querschnittsfläche

2-lane tunnel 2-spuriger Tunnel

240 m

370 m

75 – 100+ m²

3-lane tunnel 3-spuriger Tunnel

750 m

590 m

110–160+ m²

Cavern Kaverne

84 m

84 m

180–360 m²

Ramp tunnels Rampentunnel

255 m

360 m

70–95 m²

+ +

The lower number is theoretical cross-sectional area, the higher one includes maximal deformation tolerance Die kleinere Zahl ist die theoretische Querschnittsfläche, die höhere beinhaltet die maximale Verformungstoleranz

Fig. 2. Scheme of cavern excavation sequence: Longitudinal section A-A (left) and plan view (right) [3] Bild 2. Skizze der Abfolge des Kavernenausbruchs: Längsschnitt A-A (links) und Grundriss (rechts) [3]

of displacements ahead of the tunnel excavation face. This paper focuses on the activities limited to post processing of monitoring data in correlation to a detailed geotechnical model.

2 The Šentvid tunnel The Šentvid twin tube mined tunnel is approximately 1,080 m long. Maximum overburden is about 100 m and the overburden above the location of the caverns is 60 m and 78 m for the left and the right tubes, respectively [1] [2]. The tunnel is divided into three distinctive parts. The lengths and cross sections of each part are shown in Table 1, their locations can be seen in Figure 1.

The excavation was done by tunnel excavator according to the principles of NATM. Except for the caverns, all tun-

taillierten geologischen Modell ermöglichte das Verständnis und die Vorhersage von speziellen Verformungsmustern, die während der Erstellung der Kavernen kritisch werden könnten.

Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden eine Machbarkeitsstudie und eine Risikoanalyse unter Berücksichtigung der ökonomischen und zeitlichen Auswirkungen erstellt und die Entscheidung getroffen, einen dreispurigen Tunnel mit verbindenden Rampentunneln und Verbindungskavernen zu erstellen, wie in Bild 1 dargestellt ist.

Während der Herstellung des Tunnels wurde der Erkundungsstollen dazu verwendet, geodätische Messungen der Verschiebungen im Bereich vor der Ortsbrust durchzuführen. Dieser Artikel beschränkt sich auf die Darstellung der Arbeiten der Nachbearbeitung der Monito-

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

27

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

nelling works were divided in top heading, bench and invert.

For the excavation of the caverns with spans of up to 26 m and a height of 16 m a special excavation sequence of more than 100 steps was developed (Figure 2) using sophisticated 3D numerical calculations and detailed 3D geotechnical model [3]. The application of principles of the classical observational method so distinctive for NATM was limited due to the size of the caverns and reaction time in case of unfavourable behaviour of the support. Despite soft squeezing rock mass conditions it was proved that extra-large excavations are possible in soil like rock mass conditions, provided that large enough deformations are allowed to limit the stresses on the primary lining and provided that the rock mass is extensively reinforced by rock bolts. This type of design is only possible if predictions of deformation behaviour related to geological structure encountered are developed in advance and critical failure mechanisms are defined. Constructing the exploration gallery, investing in detailed exploration of the surrounding rock mass, connecting this with monitoring of deformations and using sophisticated modelling to define failure mechanisms and deformation patterns were the tools for mitigating risks within this project.

3 Geological structure The Šentvid tunnel alignment passes through densely foliated clastic sedimentary rocks of carboniferous age, mainly sandstones, siltstones and clayey slates. The region has

ringdaten und deren Korrelation mit dem detaillierten geotechnischen Modell.

2 Der Sentvid-Tunnel Der Sentvid-Tunnel ist ein zweiröhriger, bergmännisch erstellter Tunnel mit einer Länge von etwa 1.080 m. Die maximale Überdeckung beträgt etwa 100 m, die Überdeckung über den Kavernen 60 m bei der linken, bzw.

78 m bei der rechten Röhre [1] [2]. Der Tunnel ist in drei unterschiedliche Abschnitte eingeteilt. Die Längen und Querschnitte der jeweiligen Abschnitte ist in Tabelle 1 dargestellt, deren Lage wird in Bild 1 ersichtlich.

Der Ausbruch erfolgte mit Tunnelbaggern nach dem Prinzip der NÖT. Bis auf die Kavernen erfolgten alle Ausbrucharbeiten durch sukzessiven Ausbruch von Kalotte, Strosse und Sohle. Für den Ausbruch der Kavernen mit Spannweiten bis zu 26 m und Höhen bis 16 m wurde eine spezielle Ausbruchabfolge mit mehr als 100 Schritten entwickelt (Bild 2), unter Verwendung ausgeklügelter, dreidimensionaler numerischer Berechnungen und eines dreidimensionalen geotechnischen Modells [3]. Die Anwendung der Prinzipien der klassischen Beobachtungsmethode, charakteristisch für die NÖT, war durch die Größe der Kavernen und die Reaktionszeit im Falle eines ungünstigen Verhaltens des Ausbaus begrenzt. Trotz der weichen, druckhaften Gebirgsverhältnisse konnte gezeigt werden, dass extragroße Ausbrüche in derartigen Boden- und Fels-

Fig. 3. Longitudinal geological section along the northern part of the left tube. Top: Model 2002 [4]; below: Model 2006 [6] Bild 3. Geologischer Längsschnitt entlang des nördlichen Teils der linken Röhre. Oben: Modell 2002 [4]; unten: Modell 2006 [6]

28

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

undergone intense tectonic deformations, presumably during several deformation phases. Due to intensive tectonics the rock is folded, fault zones are up to several metres thick and consist mainly of gouge clay. The rock mass itself is very heterogeneous and anisotropic [5].

The quantity of water that percolated from the surface into the tunnel tube was small. Water appeared mainly in fault zones. Together with deformations that occurred due to tunnelling this water caused the increase of the water content along the foliation and consequently the decrease of rock mass strength, which affected mechanical behaviour of the rock mass and worsened the tunnelling conditions in the vicinity of fault zones [5].

The initial geological model from 2002 [4] was based on a routine investigation programme and predicted relatively homogeneous domains of partly folded and tectonised meta-sandstones, meta-siltstones and slates that are bounded by low-angle thrust zones and high-angle faults (Figure 3). Conditions were estimated in the range from fair to very poor. The most probable rock mass behaviour types were found to be block failure and plastic deformations.

Excavation of the exploration gallery and associated comprehensive investigation program provided the possibility to upgrade the input and develop a new geotechnical model – called Model 2005 – for a 400 m long alignment section, along which the merging caverns could be technically located [1] [5]. New relevant data sets were compiled in a Geographic Information System (GIS, Figure 4). The

verhältnissen möglich sind, vorausgesetzt, dass ausreichend große Verformungen zugelassen werden, um die Spannungen auf den primären Ausbau zu beschränken und vorausgesetzt, dass das Gebirge umfangreich mit Felsankern gesichert wird. Diese Art des Entwurfs ist nur möglich, wenn eine Vorhersage des Verformungsverhaltens unter Berücksichtigung der angetroffenen geologischen Struktur im Vorfeld entwickelt wird und kritische Versagensmechanismen definiert werden. Die Tools zur Verringerung des Risikos in diesem Projekt waren der Ausbruch des Erkundungsstollens mit einer detaillierten Untersuchung des umgebenden Gebirges, in Verbindung mit einem Verformungsmonitoring und der Nutzung eines ausgeklügelten Modells zur Definition von Versagensmechanismen und Verformungsmustern.

3 Geologische Strukturen Die Trasse des Sentvid-Tunnels verläuft durch dichtes, schiefriges klastisches Sedimentgestein aus dem Karbon, hauptsächlich Sandsteine, Schluffsteine und Tonschiefer.

Die Region hat starke tektonische Deformationen erfahren, vermutlich während mehrerer Verformungsphasen.

Durch die starke Tektonik ist der Fels gefaltet, Störungszonen sind bis zu mehreren Metern dick und bestehen hauptsächlich aus Verwerfungston. Das Gebirge an sich ist sehr heterogen und anisotrop [5].

Die Wassermenge, die von der Geländeoberfläche in den Tunnel einsickerte war gering. Wasser wurde haupt-

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 4. Step-by-step procedure for defining the position of both caverns. A: Geological and geotechnical model 2005 using GIS technology, B: Data evaluation, C: Data interpretation and decision [6] Bild 4. Schrittweiser Ablauf zur Festlegung des Standortes der beiden Kavernen. A: Geologisches und geotechnisches Modell 2005, unter Benutzung eines GIS, B: Datenauswertung, C: Interpretation der Daten und Standortscheidung [6]

30

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Table 2. Rock mass characterization Tabelle 2. Gebirgsklassifizierung Rock Mass Type Gebirgstyp

RMT 1

Lithology, prevailing Überwiegende Lithologie

Intercalations of meta-sandstone and meta-siltstone; Meta-sandstone typically prevailing

GSI Value GSI

30–45

Wechsellagerung von metamorphen Sand- und Schluffsteinen; Typischerweise überwiegend metamorpher Sandstein RMT 2

Meta-siltstone with metasandstone layers/lenses, locally with slate layers

20–30

Metamorpher Schluffstein mit metamorphen Sandsteinschichten oder -Linsen, lokal mit Tonschieferschichten

RMT 3

Slate, locally with metasandstone/meta-siltstone layers

15–20

Tonschiefer, local mit Schichten von metamorphem Sand- oder Schluffstein

RMT 4

Fault breccias, fault gauge

Störungs-Brekzien, Verwerfungston

< 15

Basic Classification Characteristics Grundlegende Klassifizierungseigenschaften Rock Mass Description Gebirgsbeschreibungen

Typical Characteristics Typische Eigenschaften

Jointed rock mass.

Schistosity < 150 mm.

Slightly to moderately sheared.

Good interlocking, high rock mass cohesion.

Fracturing: 6–20 cm RQD: typically 0 % locally < 40 % Core Recovery: typically > 90 %

Geklüfteter Fels.

Schieferung < 150 mm.

Leicht bis mäßig zerschert.

Gute Verzahnung, hohe Kohäsion.

Bruchstückgröße: 6–20 cm RQD: üblicherweise 0 % lokal < 40 % Kerngewinn: üblicherweise > 90 %

Jointed rock mass.

Schistosity < 30 mm.

Moderately to highly sheared.

Low rock mass cohesion.

Frequently enhanced water circulation.

Fracturing: 2–6 cm.

RQD: typically 0 %, rarely < 40 % Core Recovery: often < 90 %

Geklüfteter Fels Schieferung < 30 mm.

Mäßig bis stark zerschert.

Geringe Kohäsion.

Häufig erhöhter Wasserandrang.

Bruchstückgröße: 2–6 cm RQD: üblicherweise 0 %, selten < 40 % Kerngewinn: häufig < 90 %

Intensely foliated rock mass with spacing < 10 mm.

Partly disintegrated to clay.

Highly to intensely sheared.

Usually related to low-angle and high angle shearing.

Very low cohesion.

Thickness may exceed 10 m.

Fracturing: < 2 cm RQD: always 0 % Core Recovery: usually < 80 %, often < 70 %

Stark geschieferter Fels mit einem Abstand < 10 mm.

Teilweise zu Ton zersetzt.

Hoch bis stark zerschert. Üblicherweise in Verbindung mit flachen oder steilen Störungen.

Sehr geringe Kohäsion.

Mächtigkeit kann 10 m übersteigen.

Bruchstückgröße: < 2 cm RQD: immer 0 % Kerngewinn: üblicherweise < 80 % häufig < 70 %

Soil-like, chaotic. With plastic tectonic clay matrix prevailing.

Usually related to slate materials.

Intensely sheared. Typically related to low-angle shearing.

Thickness usually < 5 cm at tunnel level.

Fracturing: < 2 cm, with clayey fault gouge.

RQD: always 0 % Core Recovery: variable, depending on clay content.

Bodenähnlich, unstrukturiert.

Mit überwiegender Matrix aus plastischem, tektonischen Ton. Üblicherweise in Verbindung mit Tonschiefermaterialien.

Stark geschert. Typischerweise in Verbindung mit flachen Störungen.

Dicke üblicherweise < 5 cm auf Tunnelhöhe.

Bruchstückgröße: < 2 cm, mit Verwerfungston RQD: immer 0 %.

Kerngewinn: unterschiedlich, abhängig vom Tongehalt

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

31

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 5. Longitudinal geological section along the bifurcation cavern of the right tube. Evolution of geological models and estimated level of reliability of geological model after each investigation/construction stage [6] Bild 5. Geologischer Längsschnitt entlang der Verzweigungskaverne der rechten Röhre. Entwicklung der geologischen Modelle und geschätzter Zuverlässigkeitsgrad des geologischen Modells nach der jeweiligen Erkundungs-, bzw. Bauphase [6] Table 3. Assessment of typical and critical rock mass behaviour during tunnel excavation for three ground models Tabelle 3. Einschätzung des typischen und des kritischen Gebirgsverhaltens während des Tunnelausbruchs, getrennt nach den drei Baugrundmodellen

Typical behaviour Typisches Verhalten

Critical behaviour Kritisches Verhalten

Model 2002

Model 2005

Model 2006

Plastic deformations (C2 & C3)

Relaxation sliding along shear planes

Relaxation sliding along shear planes

Plastische Verformungen (C2 & C3)

Entlastungsgleiten entlang von Scherebenen

Entlastungsgleiten entlang von Scherebenen

Block failure (B2)

Discontinuity-controlled ravelling

Discontinuity-controlled ravelling

Blockversagen (B2)

Trennflächenbedingtes Abbröckeln

Trennflächenbedingtes Abbröckeln

Elevated plastic deformations (C3)

Plastic radial deformations

Elevated roof settlements

Erhöhte plastische Verformungen (C3)

Plastische radiale Verformungen

Erhöhte Firstsetzungen

Large-scale block failure

Elevated asymmetric horizontal displacements

Großflächiges Blockversagen

Erhöhte asymetrische horizontale Verschiebungen

new model characterized rock mass by four distinctive Rock Mass Types based on Lithology and GSI, which are listed and described in Table 2.

The model also considered the observed displacements during gallery excavation for defining behaviour

32

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

sächlich in den Störungszonen angetroffen. Zusammen mit den durch den Ausbruch auftretenden Verformungen verursachte dieses Wasser einen Anstieg des Wassergehaltes entlang der Schieferung und folglich eine Abnahme der Gebirgsfestigkeit, welche das mechanische Verhalten

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 6. Position of exploration gallery within the tunnel cross section Bild 6. Lage des Erkundungsstollens innerhalb des Tunnelquerschnitts

Fig. 7. Layout of the exploration gallery (dotted line) within the Šentvid tunnel system Bild 7. Layout des Erkundungsstollens (gestrichelte Linie) innerhalb des Sentvid-Tunnelsystems

types. The prevailing expected behaviour during the tunnel excavation was relaxation sliding along schistosity or fault planes and discontinuity controlled ravelling in lowcohesion materials. Elevated radial displacements would only occur locally in association to low-strength RMT3 or RMT4 materials. Furthermore, the most probable failure mechanism was recognized as sudden and large-scale slab failure in the crown along undetected detachment planes.

Later on, Model 2005 was tested during the excavation of the main tunnel tubes with extensive back analyses and as such upgraded with new data sets including observed deformation patterns. Again, GIS data base was used to compile and statistically evaluate relevant data. In this way Model 2006 was obtained after the excavation of the motorway tunnel [6]. In Figure 5 the three geological models are compared for the location of the bifurcation cavern in the right tube. The designers’ estimate of the lev-

des Gebirges beeinflusste und die Ausbruchbedingungen in der Nähe von Störungszonen verschlechterte [5].

Das ursprüngliche geologische Modell aus dem Jahr 2002 [4] basierte auf einem Routineuntersuchungsprogramm und sagte relativ homogene Bereiche von teilweise gefalteten und tektonisierten metamorphen Sandund Schluffsteinen sowie Tonschiefern, welche mit flachen und steilen Störungszonen verbunden sind (Bild 3).

Die Verhältnisse wurden als ausreichend bis sehr schlecht bewertet. Als wahrscheinlichstes Gebirgsverhalten wurden Blockversagen und plastische Verformungen erwartet.

Der Ausbruch des Erkundungsstollens und das damit verbundene umfangreiche Untersuchungsprogramm ermöglichte die Erweiterung der Eingangsdaten und die Entwicklung eines neuen geologischen Modells – das sogenannte Model 2005 – für einen 400 m langen Trassenabschnitt, entlang dessen es technisch möglich war, die Verbindungskavernen anzuordnen [1] [5]. Die relevanten neuen Datensätze wurden in einem Geographischen Informationssystem (GIS, Bild 4) zusammengeführt. Im neuen Modell wurde das Gebirge in vier unterschiedliche Gebirgstypen unterschieden, basierend auf der Lithologie und dem Parameter GSI (Geological Strength Index), wie in Tabelle 2 beschrieben ist.

Im Modell wurden außerdem die beobachteten Verschiebungen während des Ausbruchs des Stollens berücksichtigt, um verschiedene Verhaltenstypen zu charakterisieren. Das überwiegend zu erwartende Verhalten während des Tunnelausbruchs war ein Entspannungsgleiten entlang der Schieferung oder entlang von Störungsebenen und Störungen mit kohäsionslosen Materialien. Erhöhte radiale Verschiebungen würden nur lokal in Verbindung mit den gering festen Materialien RMT3 oder RMT4 auftreten. Weiterhin wurde als wahrscheinlichster Versagens-

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

33

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

The main objective for the excavation of the gallery was to determine the best possible location for the caverns. In order to minimize the influence of the gallery on the surrounding rock mass and not to hinder the excavation of the main tubes, the gallery was positioned in the area of the top heading of the main tube cross section (Figure 6). The gallery started from above the tunnel alignment (point 1) and was connected to the main tube at point 2 (Figure 7).

As soon as the location of the cavern in the right main tube was determined, the excavation works continued in the left main tube. The total length of the exploration gallery was 655 m and its cross-sectional area was 13 m2.

mechanismus ein plötzliches und großmaßstäbliches Versagen von Felsplatten in der Firste entlang unentdeckter Trennflächen identifiziert.

Später wurde das Modell 2005 während des Ausbruchs der Haupttunnelröhren durch ausgiebige Rückrechnungen getestet und als solches mit neuen Datensätzen erweitert, welche auch die beobachteten Verformungsmuster beinhalteten. Es wurde wiederum ein GIS verwendet, um die relevanten Daten zusammenzuführen und statistisch auszuwerten. Auf diese Weise wurde nach Ausbruch des Straßentunnels das Model 2006 erzeugt [6].

In Bild 5 werden die drei geologischen Modelle für den Bereich um die Abzweigungskaverne der rechten Röhre verglichen. Ebenfalls dargestellt ist der von den Entwurfserstellern abgeschätzte Zuverlässigkeitsgrad für das jeweilige geologische Modell (auf einer Skala von 0 bis 10). In Tabelle 3 ist die Entwicklung der Einschätzung des typischen und kritischen Verhaltens während des Ausbruchs für die drei geologischen Modelle dargestellt.

5 3D displacement measurements ahead of the tunnel face

4 Der Erkundungsstollen

During the design and construction of the Šentvid tunnel the displacements of the tunnel lining were monitored as follows: – within the exploration gallery during its excavation, – within the main tunnel during the excavation of the motorway tunnel, – within the exploration gallery ahead of the face of the motorway tunnel.

Das Hauptziel des Erkundungsstollens war die Bestimmung der bestmöglichen Standorte für die Kavernen. Um den Einfluss des Stollens auf das umgebende Gebirge zu minimieren und den Ausbruch der Hauptröhren nicht zu behindern, wurde der Stollen im oberen Bereich des Querschnitts der Hauptröhren angelegt (Bild 6). Der Stollen begann oberhalb der Tunneltrasse (Punkt 1) und wurde mit der Hauptröhre an Punkt 2 verbunden (Bild 7). Sobald die Position der Kaverne in der rechten Hauptröhre festgelegt war, wurden die Ausbrucharbeiten in der linken Hauptröhre fortgesetzt. Die Gesamtlänge des Erkundungsstollens betrug 655 m und die Querschnittsfläche war etwa 13 m2 groß.

el of reliability of each geological model (on a scale from 0 to 10) is also presented. Table 3 presents the evolution of the assessment of typical and critical behaviour during tunnelling for the three geological models.

4 Exploration gallery

While the displacement measurements behind the excavation face (first two items) present an integral part of the NATM, the existence of the exploration gallery offered the possibility to monitor also the displacements ahead of the motorway tunnel face during its excavation.

Displacements ahead of the excavation face and the displacements that occur between the excavation of a section and the first measurement of the target in this section (pre-displacements) need to be known in order to obtain the complete deformation curve of the underground opening. Experimental measurements [7] indicate that more than 30 % of total ground deformation due to tunnelling process occur ahead of the excavation face. Hoek suggested [8] that the deformation of the rock mass starts at about one half of a tunnel diameter ahead of the tunnel face and that at the face position about one third of the total radial closure has already occurred. Unlike displacement measurements within the excavated tunnel, pre-displacements cannot be measured with conventional geodetic equipment. Measurements of the effect of the approaching face using different geotechnical methods are reported in literature. At the Trojane tunnel, horizontal inclinometers were used by Volkmann et al. [9] and multi-point vertical extensometer by Štimulak et al. [10]. Analysis of the results from both above mentioned instruments showed that at the Trojane tunnel about 75 % of displacements occurred ahead of the face [11], although a stiff lining was used and fast ring closure was enforced due to tunnelling with low overburden under existing infrastructure and buildings.

The Trojane tunnel was constructed in similar geological conditions as the Šentvid tunnel.

34

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

5 3D Verschiebungsmessungen vor der Ortsbrust Während des Entwurfs und der Erstellung des SentvidTunnels wurden die Verschiebungen der Tunnelauskleidung wie folgt beobachtet: – innerhalb des Erkundungsstollens während seines Ausbruchs, – innerhalb des Haupttunnels während des Ausbruchs des Straßentunnels, – innerhalb des Erkundungsstollens vor der Ortsbrust des Straßentunnels.

Während die Verschiebungsmessungen hinter der Ortsbrust (die ersten beiden Spiegelstriche) einen integrierten Bestandteil der NÖT darstellen, ermöglichte der Erkundungsstollen die Möglichkeit außerdem die Verschiebungen vor der Ortsbrust des Straßentunnels zu beobachten.

Die Verschiebungen vor der Ortsbrust und die Verschiebungen zwischen dem Ausbruch eines Abschlags und der ersten Messung des Messpunktes in diesem Abschnitt (Vorverschiebungen) mussten bekannt sein, um den vollständigen Verformungsverlauf des unterirdischen Hohlraums zu ermitteln. Versuchsweise Messungen [7] haben gezeigt, dass über 30 % der gesamten Geländeverformungen während des Tunnelausbruchs vor der Ortsbrust auftreten. Hoek hat vorgeschlagen [8], dass die Gebirgsverfor-

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 8. Scheme and photos of the 3D displacement measurements in the exploration gallery ahead of the face of the motorway tunnel Bild 8. Schematische Darstellung und Fotos der dreidimensionalen Verschiebungsmessungen im Erkundungsstollen vor der Ortsbrust des Straßentunnels

6 Experiment in the exploration gallery of the Šentvid tunnel Within the existing small diameter exploration gallery a comprehensive monitoring scheme was established during the excavation of the main tunnel, partly in the right tube, partly in the left tube and in the cross passage between the tubes. The experiment commenced in the beginning of September 2005 and finished in April 2006.

In order to enable the continuous measurements of geodetic points installed in the exploration gallery and to reduce the number of entries into the gallery during excavation works at the tunnel face and to minimize the risk of being buried inside the gallery, a total station TCRP 1201R300 (Leica Geosystems Inc.) was used with its Automatic Target Recognition (ATR) sensor that allowed high

mung ungefähr einen halben Tunneldurchmesser vor der Ortsbrust beginnt und an der Position der Ortsbrust bereits ein Drittel der gesamten radialen Verformungen eingetreten ist. Entgegen der Verschiebungsmessungen innerhalb des ausgebrochenen Tunnels können die Vorverschiebungen nicht mit konventioneller geodätischer Ausrüstung gemessen werden. In der Literatur wird von verschiedenen geotechnischen Methoden berichtet, um Messungen der nahenden Ortsbrust durchzuführen. Im Trojane-Tunnel wurden von Volkmann et al. [9] horizontale Inklinometer verwendet, sowie vertikale Mehrfachextensometer von Štimulak et al. [10]. Eine Auswertung der Ergebnisse der beiden genannten Instrumente zeigte, dass beim Trojane-Tunnel etwa 75 % der Verschiebungen vor der Ortsbrust auftraten [11], obwohl ein steifer Innen-

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 9. Vertical, horizontal and longitudinal displacement contours of the crown point along the monitored section of the left tube of the exploratory tunnel Bild 9. Verlauf der Vertikal-, Horizontal- und Längsverschiebungen des Firstpunktes entlang des beobachteten Abschnitts der linken Röhre des Erkundungsstollens

precision automatic angle and distance measurements of prisms. 3D positions of prisms were recorded each hour.

In general, crown points were situated every 2 m (measuring sections MP1), sidewall and bottom points every 6 m (measuring sections MP4) as seen from the characteristic layout in Figure 8. The total station was installed on a steel cantilever beam on the sidewall of the exploration gallery and was always kept at larger distances from the approaching motorway tunnel face due to safety reasons.

The position of the total station was determined from known positions of three reference points even further into the exploration gallery, in a section that had not yet been influenced by the approaching motorway tunnel face. In a period of almost 8 months altogether 118 measuring sections were monitored covering a total length of

36

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

ausbau verwendet wurde und wegen der niedrigen Überdeckung unterhalb bestehender Infrastruktur und Gebäuden ein schneller Ringschluss durchgeführt wurde. Die geologischen Verhältnisse beim Bau des Trojane-Tunnels waren ähnlich wie die beim Bau des Sentvid-Tunnels.

6 Experiment im Erkundungsstollen des Sentvid-Tunnels Innerhalb des bestehenden Erkundungsstollens mit kleinerem Durchmesser wurde während des Ausbruchs des Haupttunnels ein umfassendes Beobachtungssystem eingerichtet, zum Teil in der rechten Röhre, zum Teil in der linken Röhre, und auch in den Querschlägen zwischen den Röhren. Das Experiment begann Anfang September 2005 und wurde im April 2006 beendet.

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 10. Spatial displacement history plot of four monitored points in measuring cross section P31 in the left tube of the exploratory tunnel and plot of the top heading advance Bild 10. Räumliche Verschiebungsgeschichte von vier beobachteten Punkten im Messabschnitt P31 in der linken Röhre des Erkundungsstollens und Darstellung des Fortschritts des oberen Bereichs

242 m in diverse geological conditions. A 30 to 40 m long section was monitored at a time. As excavation works progressed, the targets were moved from the near-face position to the back of the monitored section. A comprehensive layout scheme and more technical details on the execution of the experiment in the exploration gallery of the Šentvid tunnel are thoroughly described in [11] and [12].

The magnitude of the measured displacements was in the range from a few millimetres to almost 35 cm with a back-calculated measuring accuracy of 2 mm [13]. Interesting deformation patterns were observed due to diverse

Um die kontinuierlichen Messungen der installierten geodätischen Beobachtungspunkte in dem Erkundungsstollen zu ermöglichen, um die Anzahl der Einstiege in den Stollen während der Ausbrucharbeiten an der Ortsbrust zu reduzieren und um das Risiko einer Verschüttung im Stollen zu minimieren wurde eine TCRP 1201R300 Totalstation (Leica Geosystems Inc.) mit einem automatischen Zielerkennungssensor (ATR) verwendet, der hochpräzise, automatische Winkel- und Entfernungsmessungen der Prismen erlaubte. Die dreidimensionale Lage der Prismen wurde stündlich gemessen. Für gewöhnlich wa-

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

37

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 11. Bilinear displacement vectors measured during the excavation of the motorway tunnel in cross and longitudinal section for measuring section P31 in the left tube of the exploratory tunnel Bild 11. Während des Ausbruchs des Straßentunnels gemessene bilineare Verschiebungsvektoren im Quer- und Längsschnitt für Messabschnitt P31 in der linken Röhre des Erkundungsstollens

geological conditions and changing geometry of the main tunnel: effects of face support by rock bolt installation, rock mass response when approaching and passing a fault zone, alterations in displacement vector orientation ahead of the face in rock mass of different stiffness, effects of different ground types on the extension of the influence zone ahead of the face and the portion of the pre-displacements in the total displacement curve, changes of displacement vector orientation due to anisotropic rock mass. The latter two are discussed in this paper; for information on other results refer to the work of Klopcˇicˇ et al. [11] [14].

Measured displacements along the exploratory tunnel in the left tunnel tube are shown in Figure 9, together with plan view and longitudinal section of geological situation. The same figure also gives the extreme values of displacements at characteristic measuring points. Results of measurements in the right tube are not shown in this paper. There, the displacements were much smaller since the cavern was positioned within sandstone block. Maximum vertical displacements in double-lane tunnel before the cavern were up to 2.5 cm and within the cavern only a few millimetres.

A characteristic 3D displacement history plot of a MP4 measuring section is shown in Figure 10. This measuring section was located at the beginning of the cavern, where the top heading excavation cross section gradually increases from 56 m2 in the 2-lane tunnel to 93 m2 in the cavern. With approaching excavation, the first measured deformation of the lining of the exploratory tunnel ahead of the face was generally in radial direction, later on longitudinal deformation occurred. Possible cause could be the effect of axial stiffness of the primary lining of the gallery ahead of the face. As expected, the longitudinal deforma-

38

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

ren die Beobachtungspunkte in der Firste alle 2 m (Messabschnitt MP1), die an den Seitenwänden und auf dem Boden alle 6 m (Messabschnitt MP4) platziert, wie dem in Bild 8 dargestellten typischen Layout entnommen werden kann. Die Totalstation war auf einem Stahlträgerbalken an der Seitenwand des Erkundungsstollens befestigt und aus Sicherheitsgründen stets in größerer Entfernung von der sich nähernden Ortsbrust des Straßentunnels. Die Lage der Totalstation wurde von den bekannten Positionen drei er Referenzpunkten aus bestimmt, die weiter innerhalb des Erkundungsstollens in einem bis dahin von der sich nähernden Ortsbrust unbeeinflussten Abschnitt lagen. In einem Zeitraum von 8 Monaten wurden insgesamt 118 Messabschnitte beobachtet, die eine Gesamtlänge von 242 m in unterschiedlichen geologischen Bedingungen umfassten. Es wurde jeweils ein 30 bis 40 m langer Abschnitt gleichzeitig beobachtet. Mit Fortschreiten der Ausbrucharbeiten wurden die Beobachtungspunkte aus der Nähe der Ortsbrust in die weiter hinten liegenden Beobachtungsabschnitte umgesetzt. Eine ausführliche Darstellung des gesamten Messsystems und weitere technische Details der Ausführung des Experimentes in dem Erkundungsstollen des Sentvid-Tunnels sind in [11] und [12] nachzulesen.

Die Größenordnung der gemessenen Verschiebungen reichte von einigen Millimetern bis zu fast 35 cm, mit einer rückgerechneten Messgenauigkeit von 2 mm [13]. Interessante Verformungsmuster wurden aufgrund der verschiedenartigen geologischen Bedingungen und wechselnden Geometrie des Haupttunnels beobachtet: Einfluss der Installation der Ortsbrustsicherung aus Felsnägeln, Gebirgsantwort bei Annäherung und Durchörterung von Störungszonen, Wechsel der Ausrichtung des Verschiebungs-

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 12. Comparison of the displacements ahead of the face and the displacements after the excavation of the motorway tunnel at chainage km 1.4+44 in the left tube of the Šentvid tunnel – displacement vectors in cross section with face log Bild 12. Vergleich der Verschiebungen vor der Ortsbrust und der Verschiebungen nach Ausbruch des Straßentunnels bei Tunnelkilometer 1,4+44 in der linken Röhre des Sentvid-Tunnels – Verschiebungsvektoren im Querschnitt mit der Ortsbrustaufnahme

tion was towards the approaching face, only the displacement vector of the bottom target pointed in the opposite direction and could be explained by the rotation of the target base that was fixed into the ground due to ground uplift (Figure 10). From the displacement curves in Figure 10 it is evident that at some point the displacement rates started to accelerate, especially the longitudinal displacements increased significantly (from about 2 cm to almost 10 cm for the crown point). This happened when the face was some metres away (typically 1/2 tunnel diameter) from the measuring section. Large displacements in this area often caused cracking of the shotcrete and some pieces could fall down.

The obtained time-displacement curve is of parabolic shape in vertical and longitudinal direction. The displacement curve in the horizontal direction is somewhat different, but can be explained with the effect of the foliation of the surrounding rock mass. Prevailing geological structure in the monitored section is characterized by sub-horizontal foliation in the cross section with slight inclination towards the left side of the tunnel and steeply inclined foliation into the excavation direction in longitudinal section as shown in Figure 11. The dip angle of the foliation is approximately 55° and dip direction 25° relative to the tunnel axis and pointing to the left sidewall. Tunnel excavation in this section was therefore performed with anisotropy planes dipping into the direction of further ex-

vektors vor der Ortsbrust in Gesteinen mit unterschiedlicher Steifigkeit, Einfluss verschiedener Bodenarten auf die Ausdehnung des Einflussbereichs vor der Ortsbrust und den Anteil der Vorverformungen an den Gesamtverformungen, Änderungen des Verschiebungsvektors durch anisotrope Gebirgsverhältnisse. Die letzten beiden Punkte werden in diesem Artikel behandelt; für weitergehende Informationen über die anderen Ergebnisse wird auf die Arbeit von Klopcˇicˇ et al. [11] [14] verwiesen.

Die entlang des Erkundungsstollens gemessenen Verschiebungen in der linken Tunnelröhre sind in Bild 9 dargestellt, zusammen mit einem Grundriss und einem Längsschnitt der geologischen Situation. In der gleichen Abbildung sind auch die Extremwerte der Verschiebungen an typischen Messpunkten dargestellt. Ergebnisse der Messungen in der rechten Tunnelröhre sind in diesem Artikel nicht dargestellt. Dort waren die Verschiebungen deutlich kleiner, da die Kaverne in einem Block aus Sandstein positioniert war. Die maximalen vertikalen Verschiebungen in dem 2-spurigen Tunnel vor der Kaverne erreichten bis zu 2,5 cm, innerhalb der Kaverne lediglich ein paar Millimeter.

In Bild 10 ist ein typischer Verlauf der räumlichen Verschiebungsgeschichte eines MP4 Messabschnittes dargestellt. Dieser Messabschnitt lag am einen Ende der Kaverne, wo sich der obere Ausbruchsquerschnitt schrittweise von 56 m2 im 2-spurigen Tunnel auf 93 m2 innerhalb

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

39

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 13. Results (displacements) of 3D numerical model in longitudinal section for isotropic rock mass (left) and anisotropic rock mass (right). Each contour line presents 1/20 of the maximum displacement of the model Bild 13. Ergebnisse (Verschiebungen) des dreidimensionalen Modells im Längsschnitt für isotrope Bedingungen (links) und anisotrope Bedingungen (rechts). Jede Konturlinie stellt 1/20 der Gesamtverschiebungen des Modells dar

cavation, also referred to as tunnelling with dip according to Tonon [15].

The displacement vectors ahead of the excavation face followed the direction of the rock mass foliation when the excavation face was far away from the observed cross section. In this first deformation phase the additional rock mass pressure onto the primary lining was small and the sliding mechanism along the foliation dominated over the radial deformation due to rock mass pressure. For this reason, the left sidewall point tended vertically down and not in the radial direction. As the tunnel face approached the observed cross section, the displacements due to the rock mass pressure became significantly larger and displacement vectors changed their orientation. The deformation mechanism changed from deformation parallel to anisotropy planes to perpendicular direction. Such response can be observed in some cross sections, while others do not exhibit such explicit behaviour.

If measured displacements ahead of the main tunnel face are compared along the tunnel axis with the displacements of the main tunnel at the same chainages, an estimation of the pre-face displacements portion within total measured displacements is possible.

The displacement vectors of the exploration gallery and of the main tunnel, caused by the execution of the main tunnel, are plotted in Figure 12. The influence of rock mass anisotropy as described above can be seen. The magnitudes of the vertical and horizontal displacements of both sidewall points in the exploratory tunnel were approximately the same as the displacements of the sidewall points in the primary lining of the double-lane tunnel. The vertical displacement of the crown point was somewhat smaller in the exploration gallery than the vertical displacement of the crown point target in the main tunnel and reached about 35 % of total measured displacement (marked with a red square in Figure 14 for the cross section shown). Total measured displacement refers to the sum of displacements measured ahead of and behind the face of the main tunnel. The displacements caused by the

40

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

der Kaverne aufweitet. Mit näher kommendem Ausbruch traten zunächst Verformungen im Ausbau des Erkundungsstollens vor der Ortsbrust auf, prinzipiell in radialer Richtung, später traten Verformungen in Längsrichtung auf. Eine mögliche Ursache könnte der Einfluss der Steifigkeit der Stollenauskleidung vor der Ortsbrust sein.

Wie zu erwarten erfolgten die Längs-Verformungen in Richtung der sich nähernden Ortsbrust, lediglich der Verschiebungsvektor des unteren Messpunktes zeigte in die entgegengesetzte Richtung. Dies könnte mit einer Drehung des Messpunktes durch anheben des Bodens erklärt werden, auf dem der Messpunkt befestigt war (Bild 10).

Aus dem Verschiebungsverlauf in Bild 10 ist ersichtlich, dass sich die Verschiebungrate an einem bestimmten Punkt anfängt zu erhöhen. Insbesondere die Längs-Verschiebungen erhöhten sich signifikant von etwa 2 cm auf fast 10 cm für den Firstpunkt. Dies geschah, als die Ortsbrust nur noch wenige Meter von dem Messabschnitt entfernt war, üblicherweise etwa einen halben Tunneldurchmesser. Große Verschiebungen in diesem Bereich verursachen häufig ein Aufreißen und Abplatzen des Spritzbetons.

Die ermittelte Zeit-Verschiebungskurve ist in vertikaler und in Längsrichtung parabelförmig gekrümmt. Die Verschiebungskurve in horizontaler Richtung sieht etwas unterschiedlich aus, der Verlauf kann aber mit dem Einfluss der Schieferung des umgebenden Gebirges erklärt werden. Die dominierende geologische Struktur im beobachteten Abschnitt wird aus einer sub-horizontalen Schieferung im Querschnitt mit leichter Neigung zur linken Seite des Tunnels charakterisiert, sowie einer steil geneigten Schieferung in Ausbruchrichtung im Längsschnitt, wie in Bild 11 gezeigt wird. Der Fallwinkel der Schieferung beträgt etwa 55° und die Streichrichtung etwa 25° in Bezug zur Tunnelachse in Richtung der linken Seitenwand. Der Ausbruch des Tunnels erfolgte in diesem Abschnitt demnach mit in Ausbruchrichtung einfallenden Anisotropieebenen, nach Tonon [15] auch Tunnelausbruch mit Einfallen genannt.

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 14. Portion of vertical displacements that occurred ahead of the face for the crown target in the exploratory tunnel and for a target in the main tunnel situated above the exploration gallery Bild 14. Anteil der vertikalen Verschiebungen, die vor der Ortsbrust an einem Messziel in der Firste des Erkundungsstollens auftraten und für ein oberhalb des Erkundungsstollens gelegenes Ziel im Haupttunnel (rote Route)

exploration gallery execution are neglected. It should also be stressed that the targets, where the displacements were summed up and compared, were not installed at the same places in the observed cross section, as can be seen in Figure 12. 3D numerical studies performed by Jemec [16] showed that the presence of the exploration gallery had limited effect on the rock mass behaviour during the excavation of the main tunnel. Nevertheless, different locations of the measuring point in the exploration gallery and in the main tunnel make direct comparison difficult. From 3D numerical calculations it can be seen that in the case of isotropic rock mass (Figure 13, left) immediately ahead of the excavation face displacement at the crown of the exploration gallery is slightly larger than at the future crown of the large tunnel. If we consider the anisotropic rock mass with the observed dip and dip direction of foliation along the considered tunnel section using the jointed rock material model in the Plaxis 3D Tunnel programme (Figure 13, right), the result is just the opposite: immediately ahead of the excavation face the displacement at the crown of the exploratory gallery is slightly smaller than at the future crown of the large tunnel. Further away from the excavation face displacements of both points become more similar. However, the difference in the magnitude of the displacements of both points is not large. In both numerical calculations the difference is less than 5 % of maximum displacement.

In the monitored section of the left tube of the Šentvid tunnel the measured displacements ahead of the

Die Verschiebungsvektoren vor der Ortsbrust folgten der Richtung der Schieferung, solange die Ortsbrust weit entfernt von dem beobachteten Querschnitt war. In dieser ersten Verformungsphase war der zusätzliche Gebirgsdruck auf den Ausbau gering und der Gleitmechanismus entlang der Schichtung dominierte über die radialen Verformungen aus Gebirgsdruck. Der Messpunkt auf der linken Seitenwand strebte daher eher vertikal nach unten als in radiale Richtung. Sobald die Ortsbrust sich dem beobachteten Querschnitt näherte, erhöhten sich die Verschiebungen durch den Gebirgsdruck erheblich und die Verschiebungsvektoren änderten ihre Richtung. Die Verformungsmechanismen änderten sich von Verformungen parallel zur Anisotropieebenen in eine Richtung senkrecht dazu. Eine solche Antwort kann in einigen der Querschnitte beobachtet werden, wohingegen andere kein derart eindeutiges Verhalten zeigen.

Wenn man die gemessenen Verschiebungen vor der Ortsbrust entlang der Tunnelachse des Haupttunnels mit den Verschiebungen des Haupttunnels an den gleichen Tunnelkilometern vergleicht, ist es möglich, den Anteil der Verschiebungen vor der Ortsbrust an den Gesamtverschiebungen abzuschätzen.

Die Verschiebungsvektoren des Erkundungsstollens und des Haupttunnels, die durch den Ausbruch des Haupttunnels versursacht wurden, sind in Bild 12 dargestellt. Der Einfluss der Anisotropie des Gebirges ist deutlich zu erkennen. Die Größenordnung der vertikalen und horizontalen Verschiebungen der Messpunkte an der Sei-

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

41

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 15. Dependence of the portion of pre-displacement on the dip direction and dip angle of anisotropy planes, ratio of elastic moduli in two perpendicular directions and ratio between shear modulus G2 and its isotropic value G Bild 15. Abhängigkeit des Anteils der Vorverschiebungen von der Einfallrichtung und dem Einfallwinkel der Anisotropieebenen, dem Verhältnis der Elastizitätsmoduln in zwei senkrechten Richtungen und dem Verhältnis zwischen dem Schubmodul G2 und seinem isotropen Wert G

face amounted to as little as 15 % and up to 45 % of the total measured displacements in the same cross section (Figure 14). Areas with lower portion of pre-face displacements are coloured in green, while the areas with higher portions are highlighted in reddish colour. Green areas coincide with better geotechnical conditions, with stiffer and non-folded rock mass, or folded to smaller extent, while more deformable or intensively faulted rock mass coincides with red colour as can be seen from comparison with Figure 3.

As discussed above, the rock mass response is highly dependent on the orientation of anisotropy planes. Not only the response, but also the portion of pre-face displacements in the total displacement curve is strongly correlated with the relative orientation of anisotropy planes to tunnel axis and the magnitude of anisotropy of rock mass as shown in Figure 15 [11]. These curves were obtained by summarizing the results of a large number of 3D numerical analysis using Plaxis 3D Tunnel code and jointed rock constitutive model varying dip direction and dip angle of anisotropy planes as well as rock mass properties (ratio of elastic moduli in different directions E1 : E2, E1 – elastic modulus of intact material or parallel to anisotropy planes, E2 – elastic modulus normal to anisotropy planes;

42

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

tenwand im Erkundungsstollen war in etwa die gleiche wie die Verschiebungen der Messpunkte an der Seitenwand des Primärausbaus des 2-spurigen Tunnels. Die vertikale Verschiebung des Firstpunktes im Erkundungsstollen war etwas geringer als die vertikale Verschiebung des Firstpunktes im Haupttunnel und erreichte etwa 35 % des gemessenen Gesamtverschiebung (in Bild 14 für den dargestellten Querschnitt mit einer roten Route gekennzeichnet). Die gemessene Gesamtverschiebung ist die Summe der Verschiebungen, die vor und hinter der Ortsbrust des Haupttunnels gemessen werden. Die von dem Erkundungsstollen verursachten Verschiebungen werden vernachlässigt. Es sollte außerdem betont werden, dass die Messpunkte, an denen die Verschiebungen aufaddiert und verglichen wurden, nicht in allen beobachteten Abschnitten an der gleichen Position befestigt waren, wie in Bild 12 zu sehen ist. Von Jemec [16] durchgeführte dreidimensionale numerische Untersuchungen zeigten, dass der bestehende Erkundungsstollen nur einen begrenzten Einfluss auf das Gebirgsverhalten während des Ausbruchs des Haupttunnels hatte. Nichtsdestotrotz erschweren die unterschiedlichen Positionen der Messpunkte im Erkundungsstollen und im Haupttunnel einen direkten Vergleich. Aus dreidimensionalen numerischen Berechnun-

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

ratio of isotropic value of shear modulus G2 on anisotropy planes). The results of numerical analyses showed that the pre-face portion of displacements (denoted as Q1) is quite different if excavation in the same material is performed from two opposite directions in case of a dip direction not perpendicular to tunnel axis. When tunnelling with dip (anisotropy planes dip in the direction of further excavation), higher values of portion of pre-face displacements would be expected than in case of tunnelling against dip (anisotropy planes dip in the excavated space). Both directions of excavation differ also in dependence on the rock mass properties. In case of tunnelling against dip the pre-face portion of displacements is almost independent of rock mass properties and depends almost exclusively on the dip angle of anisotropy planes. On the other hand, if tunnelling with dip, the magnitude of anisotropy has large influence on pre-face portion of displacements, especially for dip direction parallel to tunnel axis, where the pre-face portion of displacements for the dip angle of 60° can amount to between 0.5 and 0.9 of total displacement (see Figure 15) for the lowest and the highest magnitude of anisotropy of rock mass, respectively.

The obtained curves were applied at the Trojane tunnel and enabled understanding of large pre-face displacements of up to 85 % of the total displacement path. The calculated values were in sound compliance with the measured portions obtained by vertical extensometer and horizontal inclinometer and were deducted from the comparison of tunnel crown point and surface settlements taking into account the results of vertical extensometer.

Orientation of foliation for the presented section of the left tube of the Šentvid tunnel is very similar for all the areas in Figure 14 as presented by pole plot. Predominant dip direction is close to 45° with dip. Dip angle is gradually decreasing to the right (higher chainages) and is in the range from roughly 30° to 45°. Thus, the stated difference in measured portions of pre-displacements can be ascribed to changing magnitude of anisotropy in areas of different colours. Also, when the dip angle decreases, there is almost no change in pre-face portion of displacements either for calculated or for measured displacement for lower magnitudes of rock mass anisotropy (measured pre-face portions are similar for areas 4 and 6 in Figure 14 despite the difference in dip angle). For areas 3 and 5 quite similar portions were obtained within similar orientation of anisotropy planes (in area 3 a larger scatter of the dip angles was encountered, lower pre-displacement portions are associated with lower dip angle, as seen from geological layout in Figure 14). Dip angle of around 30° in area 7 resulted in lower portions of pre-face displacement, which is in sound compliance with the differences in calculated values for dip angles of 30° and 45° in Figure 15.

Nevertheless, the measured portions of pre-displacements at the Šentvid tunnel are not even close to the calculated values, since the measured portions do not take into account the displacement that occurred between the last measurement in the exploratory tunnel before the excavation and the first measurement of the newly installed measuring section in the main tunnel. The displacement rates in this phase are the highest because of unsupported rock mass immediately after the excavation and low stiffness of the installed support before the shotcrete hardens

gen wird ersichtlich, dass im Fall eines isotropen Gebirges (Bild 13, links) die Firstverschiebung des Erkundungsstollens unmittelbar vor der Ortsbrust etwas größer ist als die der zukünftigen Firste des großen Tunnels. Wenn die Anisotropie des Gebirges mit den beobachteten Fall- und Streichrichtungen der Schichtung entlang des betrachteten Tunnelabschnittes mit Hilfe des Jointed Rock Material Modells in Plaxis 3D Tunnel berücksichtigt wird (Bild 13, rechts), dann ist das Ergebnis genau umgekehrt: die Firstverschiebung des Erkundungsstollens unmittelbar vor der Ortsbrust ist etwas kleiner als die der zukünftigen Firste des großen Tunnels. In größerer Entfernung von der Ortsbrust nähern sich die Verschiebungen der beiden Punkte einander an. Der absolute Unterschied der beiden Verschiebungen ist jedoch nicht groß. In beiden numerischen Berechnungen beträgt die Differenz weniger als 5 % der maximalen Verschiebung.

Im beobachteten Abschnitt der linken Röhre des Sentvid-Tunnels betrugen die gemessenen Verschiebungen der Ortsbrust gerade einmal 15 bis 45 % der Gesamtverschiebungen im gleichen Querschnitt (Bild 14). Bereiche mit einem geringeren Anteil an Vorverschiebungen sind grün dargestellt, wohingegen die Bereiche mit höheren Anteilen in rötlicher Farbe hervorgehoben sind. Grüne Bereiche decken sich mit günstigeren geotechnischen Bedingungen mit steiferem und weniger oder gar nicht geschiefertem Gebirge, wohingegen verformbareres oder stark geschiefertes Gebirge mit der roten Farbe, wie der Vergleich ein Bild 3 zeigt.

Wie bereits erwähnt ist die Antwort des Gebirges in hohem Maße abhängig von der Orientierung der Anisotropieebenen. Nicht nur die Antwort, sondern außerdem der Anteil der Vorverschiebungen an den Gesamtverschiebungen hängt stark mit der Orientierung der Anisotropieebenen in Bezug zur Tunnelachse und der Höhe der Anisotropie des Gebirges zusammen, wie in Bild 15 gezeigt wird [11]. Die Verläufe dieser Verschiebungen wurden gewonnen, indem die Ergebnisse einer großen Anzahl dreidimensionaler numerischer Berechnungen mit Plaxis Tunnel 3D und dem Jointed Rock Material Modell mit Variation der Fall- und Streichrichtungen der Anisotropieebenen, sowie der Gebirgseigenschaften (das Verhältnis der Elastizitätsmoduln in verschiedenen Richtungen E1 : E2, mit E1 – Elastizitätsmodul des intakten Gebirges parallel zu den Anisotropieebenen, mit E2 – Elastizitätsmodul des intakten Gebirges normal zu den Anisotropieebenen; Verhältnis des isotropen Wertes des Schubmoduls G2 auf den Anisotropieebenen) zusammengefasst wurden.

Die Ergebnisse der numerischen Analysen zeigten, dass der Anteil der Vorverschiebungen (als Q1 bezeichnet) ziemlich unterschiedlich ist, wenn der Ausbruch im gleichen Material von zwei entgegengesetzten Richtungen aus erfolgt, zumindest für den Fall, dass die Einfallrichtung nicht rechtwinklig zur Tunnelachse liegt. Wenn der Ausbruch in Einfallrichtung erfolgt (Anisotropieebenen fallen in Richtung der weiteren Ausbruchs ein), sind höhere Werte für den Anteil der Vorverschiebungen zu erwarten als im Fall des Ausbruchs entgegen der Einfallrichtung (Anisotropieebenen fallen in Richtung des ausgehobenen Raumes ein). Beide Ausbruchrichtungen unterscheiden sich außerdem durch die Abhängigkeit von den Gebirgseigenschaften. Im Fall des Ausbruchs entgegen der Einfallrich-

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

43

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

Fig. 16. Left: Rock sample from Šentvid tunnel with pyrite crystals. Right: SEM scan of shotcrete samples from the exploration gallery [17] Bild 16. Links: Felsprobe aus dem Sentvid-Tunnel mit Pyritkristallen. Rechts: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Spritzbetonprobe aus dem Erkundungsstollen [17]

and before the rock bolts are installed. Also both points that were monitored do not coincide.

On the basis of the displacement’s tangent slope close to the excavation face (a few days before and after the excavation of the cross section under consideration) and time delay between the excavation and the first measurement, we can anticipate the magnitude of these displacements in the range from 10 % to 25 % of the total displacements, depending on the quality of the rock mass.

During top heading excavation in soft regions the excavation of one round length was actually divided into several smaller steps of some square metres (pocket excavation) due to high risk of face overbreak. Each individual excavated part of the face was immediately stabilized with shotcrete, wire mesh and rock bolts, while only limited amounts of the shotcrete were applied to the unsupported circumference of the tunnel. Not earlier than the excavation of the round length had been finished, primary lining was installed also at the circumference. Such step-by-step excavation took several hours to complete. In the meantime quite some convergences of the unsupported region occurred and a smaller portion of the displacement curve was thus measured on the installed target. In stiffer rock mass, the excavation and support installation sequence demanded less time and the first measurement of the target was performed in short time after the excavation of the round.

The difference in the pre-face portion of measured displacements in various rock mass conditions could also be the result of a small equivalent diameter of the exploratory tunnel compared to the main motorway tunnel and the size of the geological structure (the sequence of softer and stiffer rock mass alternates each 10 to 15 m as seen from Figure 14). The exploratory tunnel is sufficiently small to be located in somewhat uniform rock mass and thus its response depends only on local conditions. On the other hand, the equivalent diameter of the main motorway tunnel is of similar size as the rock mass structure units and the displacements of the main tunnel circum-

44

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

tung ist der Anteil der Vorverschiebungen fast unabhängig von den Gebirgseigenschaften und hängt fast ausschließlich vom Einfallwinkel der Anisotropieebenen ab. Beim Ausbruch mit der Einfallrichtung hingegen hat die Größe der Anisotropie einen starken Einfluss auf den Anteil der Vorverschiebungen, insbesondere für Einfallrichtungen parallel zur Tunnelachse. So kann der Anteil der Vorverschiebungen für einen Einfallwinkel von 60° zwischen 50 und 90 % der Gesamtverschiebungen betragen (siehe Bild 15), für die geringste, bzw. höchste Größe der Gebirgsanisotropie.

Die ermittelten Verläufe fanden beim Trojane-Tunnel Anwendung und ermöglichten die großen Vorverschiebungen von bis zu 85 % der Gesamtverschiebungen zu verstehen. Die berechneten Werte waren in guter Übereinstimmung mit den gemessenen Anteilen, die man aus den vertikalen Extensometern und horizontalen Inklinometern erhalten hatte und wurden durch einen Vergleich der Tunnelfirstpunkte mit den Oberflächensetzungen abgeleitet, unter Berücksichtigung der Ergebnisse der vertikalen Extensometer.

Die Orientierung der Schieferung für den dargestellten Abschnitt der linken Röhre des Sentvid-Tunnels ist sehr ähnlich für alle Bereiche in Bild 14, wie mit der Poldarstellung gezeigt wird. Die vorwiegende Einfallrichtung liegt nahe an 45°. Der Einfallwinkel nimmt nach rechts hin Stück für Stück ab (höhere Tunnelkilometer) und liegt in der Spanne von ungefähr 30° bis 45°. Der beschriebene Unterschied der gemessenen Anteile an Vorverschiebungen kann demnach der sich ändernden Größe der Anisotropie zugeschrieben werden, in Bereichen unterschiedlicher Farben. Außerdem gibt es mit abnehmendem Einfallwinkel fast keine Veränderung des Anteils an Vorverschiebungen, weder für berechnete noch für gemessene Verschiebungen, zumindest für niedrigere Größenordnungen der Gebirgsanisotropie (die gemessenen Vorverschiebungsanteile sind ähnlich für die Bereiche 4 und 6 in Bild 14, trotz des Unterschieds im Einfallwinkel). In den Bereichen 3 und 5 ergeben sich innerhalb ähnlicher Ori-

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

ference could be affected by other nearby lithological units.

During regular visits to the exploration gallery with the purpose to perform to described displacement monitoring, the appearance of shotcrete lining attracted our attention. Its colour was yellowish, the in-situ measured strength by sclerometer showed values significantly below the original values after construction. Some samples of the shotcrete from the exploration gallery were taken to the laboratory where the presence of etringite was proven (Figure 16, right). The deterioration of shotcrete was evident after less than two years. The reason for the sulphate attack was found to be the presence of pyrite crystals in the rock mass (Figure 16, left). This finding came early enough to change the design and assure the proper durability of the main tunnel.

7 Conclusion The Šentvid tunnel was constructed in soft Perm Carboniferous foliated rocks which appear in blocks bounded by low-angle thrust zones and high-angle faults. The tunnel design was not a routine one. The traffic demands requested to connect two traffic routes in large underground merging caverns with a maximal cross-sectional area of 360 m2. In order to define the optimal location for both caverns and to optimize the design of the tunnel, a small diameter exploration gallery was constructed within the cross section of the future motorway tunnel. Once the construction of the motorway tunnel begun, the exploration gallery made it possible to access the rock mass ahead of the tunnel excavation face. Targets for geodetic measurement of the displacements of the shotcrete lining in the exploration gallery were installed and measurements were taken regularly each hour for nearly eight months. These measurements improved the knowledge of the rock mass behaviour ahead of the tunnel excavation face. Equally important, the exploration gallery enabled the discovery of sulphate attack within the shotcrete lining.

With respect to the displacement measurements in the exploratory gallery ahead of the tunnel face we can make the following comments: – Geodetic point No. 4 (invert without shotcrete support) experienced movements due to tunnel excavation about 2 tunnel diameters away.

– Further three geodetic points (crown and two sidewal points) experienced the first movements when the approaching tunnel face was about 1 tunnel diameter away.

– Intensive movements of all points were recorded when the tunnel face was 1/2 tunnel diameter away from measuring section.

– The direction of displacement vector ahead of the tunnel and within the main tunnel is influenced by dip and strike of the foliation. When the displacements of an individual points are small (far away from the tunnel face), the displacement vector tends to follow the foliation plane (sliding along foliation dominates). For measuring points close to the tunnel face, displacements became larger and the direction of movements changes and is dominated by bending of the foliation layers, thus

entierungen der Anisotropieebenen ziemlich ähnliche Anteile (in Bereich 3 wurde eine größere Streuung der Einfallwinkel angetroffen, geringere Vorverschiebungsanteile werden mit niedrigeren Einfallwinkeln in Verbindung gebracht, wie im Geologischen Layout in Bild 14 zu sehen ist). Einfallwinkel von um die 30° in Bereich 7 resultierten in niedrigeren Anteilen der Vorverschiebung, was in guter Übereinstimmung mit den Unterschieden der berechneten Werte für Einfallwinkel von 30° und 45° in Bild 15 steht.

Nichtsdestotrotz liegen die gemessenen Anteile der Vorverschiebungen am Sentvid-Tunnel nicht einmal in der Nähe der berechneten Werte, da die gemessenen Anteile nicht die Verschiebungen berücksichtigen, die zwischen der letzten Messung im Erkundungsstollen vor dem Ausbruch und der ersten Messung im der dann neu installierten Messabschnitt im Haupttunnel auftreten. Die Verschiebungsraten sind in dieser Phase am größten, wegen des ungestützten Fels unmittelbar nach dem Ausbruch und der geringen Steifigkeit der eingebauten Stützung, bevor der Spritzbeton erhärtet und bevor die Felsnägel eingebracht werden. Darüber hinaus stimmen die beiden beobachteten Punkte nicht exakt überein.

Auf Grundlage der Verschiebungstangente in der Nähe des Ortsbrust (einige Tage vor und nach dem Ausbruch des betrachteten Querschnittes) und des Zeitraums zwischen dem Ausbruch und der ersten Messung konnte die Größe dieser Verschiebungen in einer Größenordnung von 10 % bis 25 % der Gesamtverformungen erwartet werden, abhängig von der Qualität des Fels. Beim Ausbruch des oberen Teils in weichen Abschnitten wurde die Kalotte in mehrere kleinere Bereiche weniger Quadratmeter unterteilt (Taschenausbruch) wegen des hohen Risikos eines Ortsbrusteinbruchs. Jeder einzelne ausgebrochene Teil der Ortsbrust wurde unmittelbar mit Spritzbeton, Matten und Felsnägeln gesichert, während nur eine geringe Menge des Spritzbetons auf die ungestützten Tunnelwände aufgebracht wurde. Erst als der Ausbruch einer Abschlagslänge fertiggestellt war wurde die Primärauskleidung auch auf die Tunnelwände aufgebracht. Es bedurfte mehrerer Stunden, um einen solchen stückweisen Ausbruch fertigzustellen. In der Zwischenzeit traten erhebliche Konvergenzen der ungesicherten Bereiche auf und nur ein kleiner Teil der Verschiebungskurve konnte mit den installierten Messpunkten gemessen werden. In steiferem Fels erforderten der Ausbruch und die Ausbauinstallation weniger Zeit und die erste Messung des Messpunktes erfolgte so bereits kurze Zeit nach dem Ausbruch.

Der Unterschied des Anteils an gemessenen Vorverschiebungen in verschiedenen Felsbedingungen könnte auch ein Ergebnis des im Vergleich zu dem Haupttunnel kleinen Durchmessers des Erkundungsstollens und die Größe der geologischen Struktur (die Abfolge weichen und steifen Fels wechselt etwa alle 10 bis 15 m, wie in Bild 14 zu sehen ist). Der Erkundungsstollen ist ausreichend klein, um in etwa gleichartigem Fels angeordnet zu werden, wodurch die Antwort nur von den lokalen Bedingungen abhängt. Auf der anderen Seite ist der äquivalente Durchmesser des Hauptstraßentunnels von einer ähnlichen Größe wie die Einheiten der Gebirgsstruktur und die Verschiebungen der Umgebung des Haupttunnels könnten von weiteren in der Nähe liegenden lithologischen Einheiten beeinflusst werden.

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

45

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

pointing in the direction nearly perpendicular to foliation.

– The displacement measured ahead of tunnel face constituted between 15 % and 45 % of the sum of displacements ahead of and behind the tunnel face. The lower percentage was obtained in measuring sections in stiffer rock mass. In softer rock mass, up to 45 % of total measured displacement occurred ahead of the tunnel face.

– By numerical 3D analyses using anisotropic jointed rock material model of the Plaxis 3D Tunnel programme it was shown that tunnelling with dip causes larger deformations ahead of the tunnel face. Moreover, in this case the portion of pre-displacements depends significantly on the magnitude of anisotropy (ratios E1 : E2 and E1 : G2).

Während regelmäßiger Besichtigungen des Erkundungsstollens mit dem Zweck, das beschriebene Verschiebungsmonitoring durchzuführen, erregte das Erscheinungsbild der Spritzbetonauskleidung unsere Aufmerksamkeit.

Die Farbe war gelblich, die in-situ mit einem Sklerometer gemessene Festigkeit zeigte Werte weit unterhalb der Ausgangswerte nach der Herstellung. Einige Proben des Spritzbetons von dem Erkundungsstollen wurden mit ins Labor genommen, wo das Vorhandensein von Etringit nachgewiesen werden konnte (Bild 16, rechts). Der Zerfall des Spritzbetons war bereits nach weniger als zwei Jahren offensichtlich. Die Ursache für den Sulfatangriff wurde im Vorhandensein von Pyritkristallen im Fels gefunden (Bild 16, links). Diese Entdeckung kam rechtzeitig genug, um das Design entsprechend anzupassen und eine vernünftige Dauerhaftigkeit des Haupttunnels zu gewährleisten.

References

7 Zusammenfassung [1] Elea iC: AC Šentvid – Koseze, Tunnel Šentvid, Geotechnical Report, Connecting Caverns. February 2005.

[2] Žigon, A., Žibert, M.: Tunnel Šentvid – Less is More. Transport Research Arena Europe, 2008.

[3] Schubert, P., Žigon, A., Žibert, M., Graf, F.: Šentvid Kavernen: Lessons learned. Geomechanics Colloquium. Salzburg, 2007.

[4] Fifer Bizjak, K., Petkovšek, B., Petrica, R.: Geological and geotechnical investigations for tunnel Šentvid. Gradbeni vestnik 52 (2003), No. 1, pp. 15–21. (in Slovene) [5] Cˇadež, F., Genser, W., Kleberger, J., Poeschl, I.: Šentvid motorway tunnel – Interim results from Slovenia’s most recent exploration gallery. Proceedings of the 7th international symposium on tunnel construction and underground structures, pp. 50–56. Ljubljana, 2004.

[6] Poeschl, I., Genser, W., Kleberger, J.: Development of highvalue geological model for cavern design in faulted rock mass.

Felsbau 24 (2006), No. 5, pp. 28–32.

[7] Lunardi, P.: The dynamics of tunnel advance. In: Design and construction of tunnels: Analysis of controlled deformations in rock and soils (ADECO-RS), pp. 3–13. Berlin: Springer, 2008.

[8] Hoek, E.: Practical rock engineering (2007 ed.). Chapter 12: Tunnels in weak rock, 204-221. http://www.rocscience.com/ hoek/pdf/12_Tunnels_in_weak_rock.pdf.

[9] Volkmann, G., Schubert, W.: The use of horizontal inclinometers for the optimization of the rock mass – support interaction. In: Underground space use: Analysis of the past and lessons for the future. World Tunneling Congress 2005, pp. 967–972. Istanbul, 2005.

[10] Štimulak, A., Ajdicˇ, I.: Damage Risk Assessment and Geological-Geotechnical Monitoring of the MW Tunnel in the Area of Trojane Village. Proceedings of the 6th International Symposium on Tunnel Construction and Underground Structures, pp. 81–94. Ljubljana, 2002. (in Slovene) [11] Klopcˇicˇ, J.: Analysis and prediction of displacements for tunnels in foliated rock mass of Perm-carboniferous age. PhD thesis, University of Ljubljana, 2009. http://drugg.fgg.unilj.si/3226/ [12] Klopcˇicˇ, J., Ambrožicˇ, T., Marjeticˇ, A., Bogatin, S., Pulko, B., Logar, J.: Use of Automatic Target Recognition System for the Displacement Measurements in a Small Diameter Tunnel Ahead of the Face of the Motorway Tunnel During Excavation. Sensors (2008), No. 8, 8139–8155. http://www. mdpi.com/1424-8220/8/12/8139.

[13] Marjeticˇ, A., Ambrožicˇ, T., Bogatin, S., Klopcˇicˇ, J., Logar, J., Štimulak, A., Majes, B.: Geodetic measurements in Šentvid tunnel. Geodetski vestnik (2006), No. 1, pp. 11–24. (in Slovene).

46

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Der Sentvid-Tunnel wurde in weichem, geschiefertem Fels aus dem Perm und Karbon erstellt, welcher in Abschnitten mit flachen und steilen Störungen angetroffen wurde. Das Design des Tunnels war keine Routineaufgabe. Die Verkehrsprognose machte erforderlich, zwei Verkehrswege in unterirdischen Verbindungskavernen mit Querschnitten von bis zu 360 m² miteinander zu verbinden. Um die optimalen Standorte der beiden Kavernen zu bestimmen und das Design des Tunnels zu optimieren wurde innerhalb des Querschnitts des späteren Straßentunnels ein Erkundungsstollen mit kleinerem Durchmesser erstellt. Nachdem der Ausbruch des Straßentunnels begonnen hatte war es durch den Erkundungsstollen möglich, den vor der Ortsbrust liegenden Fels zu betreten. Ziele für geodätische Messungen der Verschiebungen der Spritzbetonsicherung in dem Erkundungsstollen wurden installiert und über einen Zeitraum von acht Monaten regelmäßige, stündliche Messungen durchgeführt. Diese Messungen verbesserten den Kenntnisstand über das Gebirgsverhalten vor der Ortsbrust des Tunnels. Ebenso wichtig war, dass der Erkundungsstollen ermöglicht hat, einen Sulfatangriff der Spritzbetonschale zu entdecken.

In Bezug auf die Verschiebungsmessungen in dem Erkundungsstollen vor der Ortsbrust des Tunnels können folgende Aussagen gemacht werden: – Der geodätische Messpunkt Nr. 4 (Sohle ohne Spritzbetonsicherung) hat durch den Ausbruch des Tunnels ab einer Entfernung von etwa dem zweifachen Tunneldurchmesser Bewegungen erfahren.

– Die drei weiteren Messpunkte (Firste und Seitenwände) haben die ersten Bewegungen durch die sich nähernde Ortsbrust ab einer Entfernung von einem Tunneldurchmesser erfahren.

– Starke Bewegungen aller Messpunkte waren ab einer Entfernung der Ortsbrust von etwa einem halben Tunneldurchmesser zu erfassen.

– Die Richtung der Verschiebungsvektoren vor dem Tunnel und innerhalb des Haupttunnels wird von der Fallund Streichrichtung der Schieferung beeinflusst. Wenn die Verschiebungen eines Punktes klein sind (in großer Entfernung von der Ortsbrust), dann neigt der Verschiebungsvektor dazu, der Schieferungsebene zu folgen (Gleiten entlang der Schieferung dominiert). Für Mess-

J. Klopcˇicˇ/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožicˇ/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

[14] Klopcˇicˇ, J., Logar, J., Ambrožicˇ, T., Štimulak, A., Marjeticˇ, A., Bogatin, S., Majes, B.: Displacements in the exploratory tunnel ahead of the excavation face of Šentvid tunnel. Acta Geotech. Slov. (2006), No. 2, 16–33.

[15] Tonon, F., Amadei, B.: Effect of Elastic Anisotropy on Tunnel Wall Displacements Behind a Tunnel Face. Rock Mech.

Rock Engng. (2002), No. 3, pp. 141–160.

[16] Jemec, P.: Influence of the exploratory tunnel on the construction of the Šentvid motorway tunnel. BSc thesis, University of Ljubljana, Faculty of Civil and Geodetic Engineering, 2006. (in Slovene) [17] Petkovšek, A., Mladenovicˇ, A., Klopcˇicˇ, J., Logar, J., Majes, B.: Geological warning on recorded cases of large content of pyrite in the rock mass and consequently the sulphate corrosion of the shotcrete in the exploration gallery of the Šentvid tunnel. Report KMTal 278-1-05, Ljubljana, Slovenia, University of Ljubljana, Faculty of Civil and Geodetic Engineering, 2005. (in Slovene)

punkte nahe der Ortsbrust wurden die Verschiebungen größer und die Richtung der Bewegungen änderte sich und wurde von der Biegung der Schieferung dominiert, also in eine Richtung senkrecht zur Schieferung.

– Die gemessene Verschiebung vor der Ortsbrust lag zwischen 15 % und 45 % der Gesamtverschiebungen vor und hinter der Ortsbrust. Der niedrigere Wert wurde für die Messabschnitte in steiferem Fels ermittelt. In weicherem Fels traten bis zu 45 % der Gesamtverschiebungen bereits vor der Ortsbrust auf.

– Mit dreidimensionalen numerischen Berechnungen unter der Verwendung des Jointed Rock Material Modells von Plaxis 3D Tunnel konnte gezeigt werden, dass ein Ausbruch mit dem Einfallen größere Verformungen vor der Ortsbrust verursacht. Außerdem hängt in diesem Fall der Anteil der Vorverschiebungen maßgeblich von der Größe der Anisotropie ab (Verhältnisse E1 : E2 und E1 : G2).

Acknowledgment Danksagung The authors wish to thank the Slovenian motorway agency DARS for the opportunity to conduct the experimental work in the exploratory gallery during the excavation of the Šentvid motorway tunnel and for their financial support of this research work.

Die Autoren möchten sich bei der Slowenischen Straßenbaubehörde DARS für die Gelegenheit bedanken, die experimentellen Arbeiten in dem Erkundungsstollen des Sentvid-Straßentunnels durchführen zu können und für deren finanzielle Unterstützung für diese Forschungsarbeiten.

Dr. Jure Klopcˇicˇ, univ.dipl.ing.

University of Ljubljana Faculty of Civil and Geodetic Engineering Jamova cesta 2 Ljubljana, Slovenia jure.klopcic@fgg.uni-lj.si

Tina Živec, univ.dipl.ing.

ELEA iC Dunajska cesta 21 Ljubljana, Slovenia tina.zivec@elea.si

Assoc.Prof.Dr. Tomaž Ambrožicˇ, univ.dipl.ing.

University of Ljubljana Faculty of Civil and Geodetic Engineering Jamova cesta 2 Ljubljana, Slovenia tomaz.ambrozic@fgg.uni-lj.si

Marko Žibert, univ.dipl.ing.

ELEA iC Dunajska cesta 21 Ljubljana, Slovenia marko.zibert@elea.si

Assoc.Prof.Dr. Janko Logar, univ.dipl.ing.

University of Ljubljana Faculty of Civil and Geodetic Engineering Jamova cesta 2 Ljubljana, Slovenia janko.logar@fgg.uni-lj.si

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

47

Topics Peter Schubert

DOI: 10.1002/geot.201300001

Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success Thirra Tunnel Albanien – mit einem klaren Konzept zum Erfolg The 5.65 km long Thirra motorway tunnel experienced major problems during the summer of 2009 in a central 1,000 m long section through a fault zone with 500 m overburden. The tunnel showed large convergence, settlement and invert heave. In early November 2009, a 60 m long section of the south tube collapsed.

A team of tunnel consultants including Dr. Sauer and iC were engaged to analyze the situation and make suggestions for a modified design. This resulted in a completely new concept for re-profiling, re-mining the collapse and inner lining. The basic principles followed were optimization of the shape to near-circular, very short ring closure and stiff lining. This concept was implemented by the contracting JV at record speed and worked perfectly. The displacements of the primary lining were very small and the loads within limits.

Der Thirra Autobahntunnel befand sich im Sommer 2009 im zentralen Teil mit 500 m Überlagerung in einem sehr kritischen Zustand. Über eine Länge von ca. 1.000 m waren in einer Störungszone große Konvergenzen, Setzungen und Sohlhebungen aufgetreten. Anfang November 2009 verbrach ein 60 m langer Abschnitt der Südröhre. Ein Beraterteam von Dr. Sauer und iC wurde engagiert, analysierte die Ereignisse und entwickelte ein Konzept zur Nachprofilierung, Aufarbeitung des Verbruchs und für die Innenschale des betroffenen Abschnitts. Das Konzept beruhte auf Querschnittsoptimierung, extrem kurzem Ringschluss und steifer Schale. Dieses Konzept wurde von der ausführenden ARGE in Rekordbauzeit umgesetzt und bereitete keinerlei Probleme. Die Verschiebungen in der Schale waren sehr gering, die Beanspruchungen im zulässigen Rahmen.

1 Project overview

1 Projektüberblick

The 5,650 m long Thirra Tunnel is the key element of a new 61 km long motorway section between Rreshen and Kalimash in Albania. This section is part of a major motorway development between the Albanian Adriatic harbor city of Durres and Priština, the capital of Kosovo. Before the tunnel existed, a long and dangerous mountain road had to be used, which took several hours and was sometimes impassable in winter. Therefore the Thirra tunnel has strategic importance as an all-weather connection between central Albania and Kosovo. Driving time could be reduced from about ten to two hours.

The Client for this project is the General Road Directorate (GRD) of the Albanian Transport Ministry. BechtelEnka JV was responsible for the construction of the whole motorway section, Egis tunnel for the design and IGH was the engineer.

Der 5.650 m lange zweiröhrige Thirra Tunnel ist der zentrale Teil eines 61 km langen neuen Autobahnabschnitts zwischen Rreshen und Kalimash. Dieser Abschnitt wiederum gehört zu einem übergeordneten Entwicklungsplan für eine Autobahn zwischen der albanischen Hafenstadt Durres und der kosovarischen Hauptstadt Priština. Vor der Herstellung des Tunnels musste dieser Gebirgsabschnitt über eine lange und gefährliche Passstrecke überwunden werden, wofür mehrere Stunden Fahrzeit erforderlich waren. Im Winter war diese Strecke teilweise unpassierbar. Der Thirra Tunnel hat somit eine überregionale Bedeutung als wettersichere Verbindung von Zentralalbanien und Nordostalbanien und dem Kosovo. Die Fahrzeit von der albanischen Küste bis zur Grenze zum Kosovo konnte durch den Tunnel von ca. 10 auf 2 Stunden reduziert werden.

Der Bauherr für dieses Projekt ist das General Road Directorate (GRD) des albanischen Transportministeriums. Der Bau wurde von der Arbeitsgemeinschaft BechtelEnka durchgeführt. Die Planung des Tunnels erfolgte durch die französische Egis Tunnels im Auftrag des Bauherrn, die Bauaufsicht durch die kroatische Firma IGH.

2 Geological environment The geology of the project area belongs to the Mirita-Pindos ophiolites of Jurassic age. The western section of the tunnel is dominated by gabbro, the eastern section by dunite. Between these zones, pyroxenites appear. The rock mass is partly tectonized. Steeply dipping discontinuities run parallel and across the tunnel axis. Hydrothermal alteration has created serpentinite and magnesite with soapy, smooth surfaces along the discontinuities (Fig. 1).

The blocks between discontinuities are partly intact rock and partly tectonized, crushed and altered.

48

2 Geologisches Umfeld Im Projektgebiet werden geologische Einheiten des Mirdita-Pindos Ophioliths aus dem Jura angetroffen. Im Westabschnitt des Tunnels herrschen Gabbros vor, im Ostabschnitt Dunite. Am Übergang von Gabbro zu Dunit sind

© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Fig. 2. Shape and steel support of design Cat. V (poor rock mass) Bild 2. Profil und Ausbau für Vortriebsklasse V (schlechtes Gebirge) Fig. 1. Steep discontinuities with soapy serpentinized sur faces (red) Bild 1. Steilstehende Trennflächen mit seifigen Serpentinitbelägen (rot)

Geological investigation for the tunnel was limited to surface mapping and core boring near the portal areas.

3 History The original design was based on a horse-shoe profile with straight walls (Fig. 2). Five rock support categories were designed with excavation cross-sections between 78 and 86 m². Category I had shotcrete sealing of 5 cm thickness and 4 m long SN rock bolts in a 2.5 m × 2.5 m pattern.

Category V – for the most unfavorable design conditions – had HEB 180 steel profiles with elephant feet (see Fig. 2) with 1 m spacing between sets. Steel fiber reinforced shotcrete with nominal thickness of 18 cm was sprayed between the steel sets. If necessary, a gently curved invert was planned.

For the first 2,500 m of excavation from the south, no particular difficulties were encountered. In the central 1,000 m long section, however, the faulted rock mass led to great difficulties maintaining the profile and bedding the steel profiles, leading to settlement and convergence.

The steel profiles buckled systematically in the bench walls (Fig. 3).

Support measures ahead of the tunnel face were not provided in the design. Presumably it was thus not possible to create a good excavation profile during excavation and tight contact between support and rock. As a consequence, the rock mass progressively loosened and additional gravity loading developed.

In spite of the problems with large convergence, cracks, spalling of sprayed concrete, buckling of bench walls and invert heave (Fig. 4), both tunnel tubes were broken through in spring 2009. While convergence continued in the central section, the inner lining was built from both tunnel portals. In the central section, additional rock bolting was installed in several campaigns without achieving stabilization of the displacements. On the contrary, the speed of convergence increased during the rock bolting

Pyroxenite aufgeschlossen. Die Gesteine sind teilweise tektonisch stark beansprucht. Steil stehende Trennflächen verlaufen parallel und quer zur Tunnelachse. Hydrothermale Alteration mit der Neubildung von Serpentin und Magnesit entlang von Diskontinuitäten ist charakteristisch und beeinflusst die felsmechanischen Eigenschaften negativ (Bild 1). Die Blöcke zwischen den Trennflächen sind teilweise intakt, teilweise tektonisch stark beansprucht und alteriert.

Die geologische Erkundung vor Bau der Tunnelröhren war begrenzt auf eine Oberflächenkartierung entlang der Tunneltrasse sowie auf Bohrungen in den Portalbereichen.

3 Vorgeschichte Die ursprüngliche Planung sah für den Tunnel ein Hufeisenprofil mit geraden Ulmen vor. Es wurden fünf Vortriebsklassen konzipiert mit einem Ausbruchsquerschnitt zwischen 78 und 86 m². Die Klasse I für die günstigsten Verhältnisse hatte eine Spritzbetonversiegelung von 5 cm und 4 m lange SN-Anker in einem Raster von 2,5 m × 2,5 m. Die Klasse V für die ungünstigsten Verhältnisse hatte einen Ausbau aus HEB 180 Stahlprofilen mit Elefantenfüßen (Bild 2), Bogenabstand von 1 m, Spritzbetonaus-

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

49

P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Fig. 3. Buckling of side walls of the horse-shoe-shaped tunnel Bild 3. Ausknicken der Ulme bei Hufeisenprofil

Fig. 4. Shear failure in the top heading in the north tube Bild 4. Scherbrüche in der Kalotte in der Nordröhre

works. It is most likely that all the additional water introduced by flushing had further reduced the friction in the rock mass with serpentine. Due to the inefficiency of these stabilization attempts, the engineer decided to re-profile several “test sections” using only sprayed concrete, mesh and rock bolts. Because of lack of support ahead of the face, this generally resulted in considerable overbreak and very poor shape of the tunnel. Protruding edges soon caused cracking in the shotcrete and bent anchor plates were signs of high bolt stress. Core drillings into the walls showed that the rock mass was crushed to a depth of 6 m from the wall.

During summer 2009, public traffic was allowed through the tunnel during the day while repair works were performed at night. When there was no end to the problems in September 2009, the Client decided to seek external advice and contracted Dr. Sauer and iC to review the situation, and they eventually proposed an alternative design.

fachung in 18 cm Stärke, eine Lage Baustahlgitter und optional eine leicht gekrümmte Sohle.

Auf den ersten 2.500 m Vortrieb von Süden wurden keine außergewöhnlichen Schwierigkeiten angetroffen.

Im zentralen, etwa 1.000 m langen, Teil des Tunnels mit bis zu 500 m Überlagerung jedoch führte gestörtes und teilweise zu Serpentinit umgewandeltes Gebirge zu Schwierigkeiten bei der Profilhaltigkeit, Bettung der Stahlbögen und in der Folge Setzungen und Konvergenzen.

Häufig wurde ein Ausknicken der Stahlbögen in den Ulmen beobachtet (Bild 3).

Vorauseilende Sicherungsmittel wie Spieße waren in der Planung nicht vorgesehen. Vermutlich war es dadurch bei den vorherrschenden Gebirgsverhältnissen teilweise nicht möglich, ein korrektes Profil und einen satten Kontakt zwischen Spritzbeton und Gebirge herzustellen. Die Konsequenz sind progressive Auflockerungen, Verlust des Gebirgsverbands und Entwicklung von nachdrängenden Lasten.

Trotz der Probleme mit starken Konvergenzen, Rissen und Abplatzungen im Ausbau (Bild 4), Einknicken der Ulme und Sohlhebungen wurden beide Röhren im ersten Halbjahr 2009 durchgeschlagen. Während im Zentralabschnitt die Konvergenzen weiter gingen, wurde von den beiden Portalen die Innenschale bis zum Problembereich herangeführt. Im Zentralabschnitt wurde in mehreren Schritten mit immer längeren SN-Ankern in großen Mengen nachgeankert (ursprünglich wurden keine Anker eingebaut), ohne dass eine nachhaltige Stabilisierung erreicht werden konnte. Im Gegenteil: Während der Ankerarbeiten beschleunigten sich die Konvergenzen erheblich. Wahrscheinlich wurde unter anderem durch die große Menge an Spülwasser die Reibung des Serpentinits weiter reduziert. Entmutigt durch die Ineffizienz der bisherigen Stabilisierungsmaßnahmen entschied die Örtliche Bauaufsicht, mehrere „Teststrecken“ nachzuprofilieren, wobei nur Spritzbeton und SN-Anker verwendet wurden. Auf eine vorauseilende Sicherung wurde auch hier verzichtet (keine Bögen), wodurch das dadurch resultierende Ausbruchsprofil wegen mangelnder Voraussicherung teilweise sehr starkes Überprofil und eine ungünstige Form aufwies.

4 Developments during November 2009 During the first site visit by the external tunnel consultants on November 5th 2009, a 60 m long section of the south tube collapsed completely (Fig. 5). This occurred in one of the “test sections”, one of the already re-profiled sections without steel beams. There were no injuries to staff or damage to equipment because of the alertness of the shift engineers who felt things were going severely wrong and had the area evacuated. During the dramatic hours after the collapse, main concern was the stability of the north tube, which is only separated by a 15 m wide pillar. Additional shear failures and cracks were actually seen immediately opposite the collapse zone. In case of a collapse of the north tube, any remedial works would have been extremely difficult due to the lack of access between north and south.

After further developments in both tubes had been observed for several hours, comprehensive stabilization measures were decided at an emergency meeting in Tirana. These measures included:

50

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Fig. 5. Collapse of the south tube on November 5th, 2009 Bild 5. Verbruch auf 60 m Länge in der Südröhre am 5. November 2009

Fig. 7. North tube, bench filled with muck and heading strengthened by shotcrete shell Bild 7. Nordröhre gegenüber Verbruch, Strosse aufgefüllt und Kalotte verstärkt

Hervorspringende Kanten verursachten auch hier bald Risse im Spritzbeton und Anzeichen von stark beanspruchten Ankern. Durch Kernbohrungen wurde gezeigt, dass der Fels bis zu 6 m tief stark aufgelockert war.

Im Sommer 2009 wurde unter dem Druck der Politik tagsüber der Urlauberverkehr durch den im Bauzustand befindlichen Tunnel geführt, in der Nacht wurden regelmäßig zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen durchgeführt.

Da auch im September 2009 kein Ende der Probleme absehbar war, wurde schließlich in einer Anfrage an mehrere Unternehmen ein externer Berater gesucht und im Team Dr. Sauer/iC gefunden.

4 Entwicklung November 2009 Fig. 6. Shotcrete ribs for initial stabilization of tunnel Bild 6. Spritzbetonrippen zur Stabilisierung des Tunnels

– Strong shotcrete ribs – mainly in the “test sections” (Fig. 6), – Backfilling of the bench in sections with buckled support, – Closed egg-shaped shotcrete rings above the backfill in the north tube (Fig. 7).

The Contractor started work on these measures immediately, and all the measures proved very effective. Within a few days, the general situation could be much improved.

By December 4th, 980 m of bench had been back-filled, 340 m of tunnel reinforced with shotcrete ribs and 250 m of egg-shaped shell installed. Convergence stopped almost everywhere and safe working conditions were ensured.

5 Redesign The external tunnel consultants had only 2 1/2 weeks to analyze the situation and the geotechnical boundary conditions, study alternatives, estimate costs and propose a preferred way-forward design. Since there were had already been so many different trials, the data basis was ex-

Beim ersten Baustellenbesuch am 5. November 2009 kam es etwa eine Stunde nach einer Befahrung des Beraterteams zu einem ca. 60 m langen Totalverbruch der Südröhre (Bild 5). Dieser fand innerhalb einer der so genannten Teststrecken statt, d.h. nachprofilierter Abschnitt ohne Bögen. Personen und Gerät kamen aufgrund der Aufmerksamkeit der Schichtingenieure nicht zu Schaden. In diesen dramatischen Stunden war die größte Sorge, dass auch die Nordröhre, die nur durch einen ca. 15 m breiten Felspfeiler getrennt war, verbrechen würde. Tatsächlich waren in dieser Zone auch in der Nordröhre eine Zunahme der Scherbrüche und Risse in der Schale zu beobachten.

Im Fall eines Verbruchs der Nordröhre wären sämtliche direkten Verbindungen zwischen Nord- und Südportal wieder unterbrochen gewesen und eine Sanierung extrem erschwert.

Nach einigen Stunden der Beobachtung wurden in einer Krisensitzung umfangreiche Stabilisierungsmaßnahmen festgelegt. Diese umfassten: – Kräftige Spritzbetonrippen, vor allem in den so genannten Teststrecken (Bild 6), – Auffüllungen der Strosse bis auf einen minimalen Kalottenquerschnitt zur Stabilisierung der Ulme, wo diese eingeknickt waren, – Abschnittsweise Verstärkung des verbleibenden Kalottenquerschnitts in der Nordröhre mit einem geschlossenen Spritzbetonring (Bild 7).

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

51

P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Fig. 8. New cross section, shape of primary lining optimized Bild 8. Neuer Regelquerschnitt, Form der Außenschale optimiert

tremely unclear. The existing monitoring data were not useful because they were too inconsistent. The basic proposal was presented on November 23rd. The task was to re-profile two 1,000 m tunnel tubes, to re-mine the 60 m long collapse zone and to design the inner lining. The idea of by-passing the collapse zone was discarded quickly because it would be much easier to reconstruct the collapsed zone on the original alignment.

The design team agreed early in the process that a stiff primary lining would be the preferred solution despite the high overburden (500 m) and the convergence that had already occurred. It was assumed that the rock mass was mostly already loosened and further displacement would not reduce the loading.

Under this concept, the shape of the tunnel was optimized to near-circular (Fig. 8). In order to achieve this, the lateral drainage pipe was replaced by a corrugated membrane, knowing that there is very little water ingress in this section. The design team proposed a 35 cm thick primary lining with lattice girders and forepoling for pre-support. It was also specified that invert ring closure must take place within maximum 10 m after re-profiling the top heading (Fig. 9). Bench and invert should be excavated and the lining installed in one step, thus avoiding further construction joints.

The goal was to re-profile with minimum overbreak and thus to avoid further loosening. The favorable shape should prevent further buckling of the bench walls. Any further rock bolting was discarded in order not to introduce more water into the rock mass. The existing rock bolts were however integrated into the primary lining.

For the collapse zone, the same basic principles applied but in addition to these measures a double pipe roof was installed, supplemented by various void filling and grouting measures. Investigation drill holes from the north tube gave a rough idea of the collapse contours. The col-

52

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Es wurde sofort begonnen, diese Maßnahmen umzusetzen. Alle diese Maßnahmen erwiesen sich als äußerst effizient. Damit konnte innerhalb weniger Tage eine Beruhigung der Situation und deutliche Verbesserung der Standsicherheit erreicht werden. Bis 4. Dezember 2009 wurden 980 m Strosse aufgefüllt, über 340 Laufmeter Tunnel Spritzbetonrippen eingebaut, und über 250 Laufmeter der restliche Querschnitt der Kalotte mit einer eiförmigen Schale versehen. Die Konvergenzen konnten so weitgehend gestoppt werden und die Sicherheit war augenscheinlich wieder gewährleistet.

5 Umplanung Für die Analyse der geotechnischen Randbedingungen, Studium von Varianten, Vorschlag eines alternativen Tun-

Fig. 9. Longitudinal section of re-shaping works with max.

10 m advance of heading before ring closure Bild 9. Längsentwicklung der Nachprofilierung mit max.

10 m Vorlauf der Kalotte, dann Ringschluss

P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

lapsed material mainly consisted of blocks with various sizes up to 5 m.

6 Reconstruction of primary lining The Albanian Government put enormous pressure on the Contractor to complete one tunnel tube before the 2010 travel season. On December 10th 2009, the first steps with the new re-mining concept were started. The Contractor’s team was not very familiar with the use of lattice girders and forepoling and was therefore a bit skeptical. In the beginning the external tunnel consultants seconded two engineers and one superintendent to the site to assist the adequate implementation of the design. Fortunately the wet sprayed concrete system worked very well on site. This enabled a swift build-up of the primary lining and filling of overbreak where necessary.

The overall concept of the Contractor was to use the north tube as a transport and supply line and re-construct and complete the south tube first. With this approach, up to eleven work sites were started to re-mine the south tube using considerable resources such as eight drilling jumbos and six shotcrete units. The ring closure was strictly followed within 10 m behind the re-mining of the crown. The first 3D displacement measurements showed displacements less than 2.5 cm, usually some 1.5 cm. In spite of this very favorable initial experience, everybody remained prepared for new problems. However, these did not appear.

The favorable behavior of the stiff and almost circular primary lining (Fig. 10) ring was observed with astonishment and enthusiasm, especially by those who had already suffered for a long period of time from the convergence of the tunnel. Concrete stress gages showed a maximum compressive stress of 10 MPa in the south tube and 17 MPa in the north tube. These are relatively high values but within acceptable limits.

With growing confidence, the deformation tolerance was reduced from the initial 15 cm to 10 cm and later even to 5 cm. The above mentioned displacements were not exceeded at any section and the lining had no cracks.

nelbaukonzepts und Kostenschätzungen wurden dem Beraterteam nur zweieinhalb Wochen eingeräumt. Weil vorher so vieles probiert worden war, war die Datenlage sehr unübersichtlich, die Konvergenzmessergebnisse kaum zu brauchen. In einer Besprechung am 23. November 2009 wurden die Analyse und der Vorschlag des Beraterteams für die weitere Vorgangsweise vorgestellt. Die Aufgabenstellung beinhaltete ein Überfirstungskonzept für 2 × ca.

1.000 m Tunnelröhre, ein Auffahrkonzept für den 60 m langen Verbruch und ein Konzept für die Innenschale.

Seitens des Bauherrn wurde auch angeregt, eine Umfahrung des Verbruchbereichs zu studieren, was jedoch wenig sinnvoll erschien, weil angenommen wurde, dass die Bewältigung des Verbruchs kein unüberwindliches Hindernis sein würde.

Das Planungsteam war sich trotz der hohen Überlagerung rasch einig, dass hier aufgrund der Vorgeschichte und der geotechnischen Analyse trotz der hohen Überlagerung eine Außenschale in Form einer steifen, wohlgerundeten Spritzbetonschale zum Erfolg führen sollte.

Das Gebirge war offensichtlich durch die Setzungen und Konvergenzen weitgehend aufgelockert, wodurch das Zulassen weiteren Verschiebungen mit einem nachgiebigen Ausbau zu keiner Verringerung von Lasten führen würde.

So wurde die Form des Tunnels unter Aufgabe der Ulmendränage (längslaufende Noppenfolienstreifen als Ersatz, es gab in dieser Strecke kaum Wasserzutritt) in die Nähe eines Kreisquerschnitts optimiert (Bild 8) und für die Außenschale eine 35 cm starke Spritzbetonschale mit Gitterbögen (rundum) und Spießen vorgeschlagen.

Es wurde weiters festgelegt, dass die Überfirstung der Kalotte maximal 10 m vorauseilen darf (Bild 9), und dann die Strosse/Sohle nachgezogen werden muss, sodass innerhalb sehr kurzer Distanz ein Ringschluss entsteht.

Strosse und Sohle wurden in einem Arbeitsschritt ohne weitere Arbeitsfugen vorgesehen.

Das Ziel war, möglichst profilgenau nachzuprofilieren und jede weitere Auflockerung zu verhindern. Die günstige Form sollte auch das Ausknicken der Ulme verhindern. Auf weitere Ankerung wurde zur Gänze verzichtet, um nicht noch mehr Spülwasser in das Gebirge einzubringen. Allerdings wurden die vorhandenen Anker beim Nachprofilieren freigelegt und in den neuen Spritzbeton eingebunden.

Für den Verbruchabschnitt galt dasselbe Grundprinzip, ergänzt mit einem über die halbe Schusslänge überlappenden Rohrschirm und zahlreichenden ergänzenden Erkundungs- und Auffüllmaßnahmen. Sondierungsbohrungen in der Nordröhre ermöglichten eine Vorstellung der Hohlraumränder über dem Verbruchkegel. Der Verbruchkegel setzte sich überwiegend aus Blöcken zusammen, mit einer Kantenlänge von bis zu 5 m.

6 Wiederherstellung der Außenschale

Fig. 10. Completed primary lining with displacement monitoring targets Bild 10. Außenschale fertig gestellt mit Reflektoren zur Konvergenzmessung

Seitens der albanischen Regierung wurde auf die Arbeitsgemeinschaft sehr großer Druck zur möglichst baldigen Fertigstellung des Tunnels ausgeübt. Der Auftraggeber forderte vehement, dass eine Röhre im Mai 2010, vor dem Sommerreiseverkehr befahrbar sein müsste.

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

53

P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Fig. 11. Re-mining of the collapse zone in the south tube from two directions, last steps before breakthrough Bild 11. Durchörterung des Verbruchs in der Südröhre von zwei Seiten, letzte Schritte zum Durchschlag

Fig. 12. Water proofing and reinforcement of inner lining Bild 12. Abdichtung und Bewehrung der Innenschale

The collapse zone was re-mined from both sides after the re-profiling of the primary lining had been brought close to the section (Fig. 11). During the re-mining, investigation holes were drilled some 8 m above the tunnel crown to check for voids, and several hundreds of cubic meters of concrete were then pumped into remaining voids. One purpose of this activity was to re-establish an arch function above the tunnel and to make sure that any further caving above the tunnel would not damage the structure. Also the pipes of the canopy were grouted with fine concrete 0–4 mm instead of the common cement grout, because the grout disappeared into the collapse material. For this purpose the holes in the pipes were enlarged to 25 mm. After some initial doubt, this procedure proved very convenient and effective.

54

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Am 10. Dezember 2009 wurden die ersten Ringe mit dem neuen Konzept „probiert“. Es muss gesagt werden, dass die Bauleitung und die Mineure mit einigen Komponenten dieser Vorgangsweise nicht vertraut waren (insbesondere Verwendung von Gitterbögen und Spießen) und aufgrund der vorgegangenen Erfahrungen mit einiger Sorge und Skepsis an die Sache herangingen. Die Bauunternehmung wurde anfangs durch zwei österreichische Ingenieure und einen Polier vor Ort unterstützt. Glücklicherweise funktionierte der Nassspritzbeton auf dieser Baustelle sehr gut, und so konnte die planmäßige Schale und die Auffüllung von lokalem Mehrausbruch sehr gut bewerkstelligt werden.

Das Konzept der ausführenden Arbeitsgemeinschaft war, die durchgängige Nordröhre als Transportweg zu nutzen, und über die vorhandenen und einen zusätzlichen Querschlag in Verbruchnähe die Südröhre möglichst rasch wieder herzustellen.

So wurden an bis zu elf unterschiedlichen Orten unter großem Personal- und Geräteeinsatz (z. B. 8 Bohrjumbos, 6 Nassspritzeinheiten) nachprofiliert und der Ringschluss hergestellt. Die ersten 3D-Verschiebungsmessungen an der neuen Außenschale zeigten geringe Beträge von weniger als 2,5 cm, in der Regel um 1,5 cm. Mit Staunen und Begeisterung wurde das günstige Verhalten der steifen und fast kreisförmigen Außenschale beobachtet (Bild 10), besonders von jenen, die vorher über lange Zeit unter den geschilderten Problemen und Gefahren gelitten hatten. Druckmessdosen zeigten in der Südröhre Spannungsspitzen unter 10 MPa, in der später aufgefahrenen Nordröhre bis 17 MPa. Das sind also relativ hohe Werte, aber innerhalb der zulässigen Grenzen. Mit zunehmendem Vertrauen in das System wurde das Übermaß von ursprünglich 15 auf 10 cm und dann auf 5 cm zurückgenommen. Die oben angeführten Verschiebungsgrößen wurden nie überschritten, die neue Schale zeigte keine Risse.

P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Fig. 13. Western portal of finished tunnel (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tunnel_Thirra.jpg) Bild 13. Westportal des fertigen Tunnels

Nachdem die neue Außenschale an die Verbruchzone herangeführt war, wurde von beiden Seiten der Verbruch durchörtert (Bild 11). Dabei wurde sukzessive auch eine Zone von etwa 8 m über der Firste und nach vorne in den Verbruchkegel nach Hohlräumen sondiert und mit mehreren 100 m³ Magerbeton verfüllt. Das Ziel war unter anderem, über der Röhre mit einem vergüteten Verbruchkegel einen neuen Gebirgstragring aufzubauen und damit auch sicher zu stellen, dass weitere mögliche Nachbrüche aus Hohlräumen darüber keinen Schaden an der Röhre verursachen. Auch die Rohre des Rohrschirms wurden anstatt der üblichen Zementsuspension mit Beton 0/4 verpresst (die Injektionsbohrungen wurden dafür auf 25 mm aufgebohrt), weil die Zementsuspension im hohlraumreichen Verbruchkegel nach unten absank. Nach Überwinden der anfänglichen Skepsis und umfangreichen Erklärungen durch das Beraterteam erkannte die Arbeitsgemeinschaft den Komfort dieses einfachen Konzepts und setzte dieses rigoros um.

7 Inner lining 7 Innenausbau The inner lining was designed by the external tunnel consultants with a minimum thickness of 60 cm. Because of the potential unsymmetrical loading, the lining is reinforced (Fig. 12). Following the re-profiling activities, the waterproofing membrane and the invert were installed from four locations.

Die Innenschale wurde vom Beraterteam mit einer Stärke von 60 cm festgelegt, und aufgrund der möglichen unsymmetrischen Lasten bewehrt ausgeführt (Bild 12). Nachdem das Nachprofilieren ein Stück vorangeschritten war, wurde sogleich an vier Fronten mit dem Nachbau der In-

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

55

P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Within 5 1/2 months, about 1,000 m of tunnel were reprofiled, 60 m of collapse zone re-mined, and the full section equipped with waterproofing and reinforced inner lining, carriageway and painting of the walls. When the M&E equipment was also ready to function on May 21st 2010, the south tube was handed over and opened for oneway traffic. This achievement by the construction team was most impressive.

One lane of the south tube was then used to supply the remaining activities in the north tube. These works followed the same principles without further problems and were completed in October 2010 (Fig. 13).

8 Conclusion This project was very unusual and instructive for all who participated. The collapse on November 5th put the whole project in a state of shock. The measures to stabilize the tunnel had to be decided within 24 hours and needed prompt implementation. The measures were effective immediately and built up confidence for further co-operation. The initial phase is a typical example that it is necessary to think big during a crisis.

With an overburden of 500 m, the presence of a fault zone and large preceding convergence, a tunnel designer could be inclined to choose a deformable support. Because of the geological picture and the fact that the existing support was mostly destroyed in its function, it was believed that the geomechanical problem was the loosening of the rock mass rather than squeezing. In any case nothing would be gained from further displacement. Therefore the rigid concept was chosen, which was easy to implement and has performed perfectly. The contrast between the previous convergence in the range of a meter and the later 1 to 2 cm could not be greater.

No one had thought that it would be possible to reprofile 1,000 m of tunnel and finish all interior works and hand over within 5 1/2 months. This achievement was the result of an exceptional effort and use of resources by the Bechtel-Enka JV. The author experienced this period as a unique partnership among all parties and is grateful for this time.

References [1] Schubert, P., Laubbichler, J., Sauer, G.: Thirra Tunnel Albanien – mit einem radikalen Tunnelbaukonzept von der Sackgasse zum Erfolg. Betontag 2012, Österreichische Bautechnik Vereinigung. Vienna, 2012

Dipl.-Ing. Dr.mont. Peter Schubert iC consulenten ZT GesmbH Zollhausweg 1 5101 Bergheim Austria

56

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

nenschalensohle, der Abdichtung, der Bewehrung und der Innenschale begonnen.

So wurden zwischen etwa 10. Dezember 2009 und 21. Mai 2010, de facto also in fünfeinhalb Monaten, 1.000 m Tunnel nachprofiliert, 60 m Verbruch aufgearbeitet, die gesamte Strecke mit einer Abdichtung und bewehrten Innenschale versehen, die Betriebs- und Sicherheitseinrichtungen eingebaut, die Beschichtung der Ulmen aufgebracht und die Fahrbahn fertig gemacht. Am 21. Mai 2010 wurde die Südröhre für den Verkehr freigegeben. Die organisatorische Leistung und die Konsequenz der Umsetzung durch die ausführende Arbeitsgemeinschaft waren sehr beeindruckend.

Um die Arbeiten in der Nordröhre nun versorgen zu können, wurde der Verkehr in der Südröhre vorerst nur einspurig geführt und die zweite Spur dem Baustellenverkehr vorbehalten. Die Arbeiten in der Nordröhre wurden in derselben Weise wie in der Südröhre vorangetrieben, ohne weitere Probleme und natürlich mit zunehmender Effizienz. Die Fertigstellung erfolgte Mitte Oktober 2010 (Bild 13).

8 Schlussfolgerung Dieses Projekt war für die daran Beteiligten in einigen Aspekten besonders lehrreich.

Der Verbruch am 5. November 2009 hat die gesamte Baustelle in einen Schockzustand versetzt. Die darauf folgenden Stabilisierungsmaßnahmen mussten innerhalb von 24 Stunden entschieden werden und wurden unverzüglich umgesetzt. Diese Maßnahmen haben sofort gewirkt und damit viel notwendiges Vertrauen für die weitere Arbeit hergestellt. Diese Situation war ein typischer Fall von „Klotzen statt Kleckern, wenn der Hut brennt“.

Mit einer Überlagerung von 500 m und einer Störungszone und den daraus resultierenden Konvergenzen könnte man geneigt sein, für die Sanierung des Tunnels grundsätzlich einen nachgiebigen Ausbau zu wählen. Aufgrund des geologischen Bildes und des teilweise fast völligen Verlustes der Tragfähigkeit des Ausbaus kam das Beraterteam zur Ansicht, dass die Auflockerung im Vordergrund steht und durch weitere Verschiebungen nichts zu gewinnen ist. Daher wurde ein steifes Konzept gewählt, das einfach umzusetzen war und sich ausgezeichnet bewährt hat. Der Kontrast zwischen den vorherigen Konvergenzen im Meterbereich und den späteren Verschiebungen von 1 bis 2 cm hätte nicht größer sein können.

Niemand hätte gedacht, dass man in fünf Monaten 1.000 m desolaten und teilweise verbrochenen Tunnel von der Nachprofilierung bis zur Verkehrsübergabe fertig stellen kann. Diese Leistung war das Ergebnis einer großen logistischen Leistung der Arbeitsgemeinschaft Bechtel-Enka, aber auch eines großen Ressourceneinsatzes.

Der Autor hat diese Zeit nach dem ersten Schreck als äußerst produktive und befriedigende Periode erlebt, und ist dem Team Dr. Sauer als Planungspartner, IGH als Örtliche Bauaufsicht und Bechtel-Enka als ausführende Arbeitsgemeinschaft dankbar für die partnerschaftliche Verfolgung des Ziels.

Topics Igor Prebeg

DOI: 10.1002/geot.201300002

Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia Eisenbahntunnel für das Umfahrungsprojekt Tiflis, Georgien The new transport corridor TRACECA (Transport Corridor EuropeCaucasus-Asia) connects Azerbaijan with Black sea ports and allows an increase in the freight volume and passenger traffic in the future. Within this corridor the Georgian Government decided to build a bypass around Tbilisi as a solution for the trend of increasing traffic. The bypass railway project of Tbilisi includes four single-tube tunnels in a suburban area of Tbilisi with small overburden which pass through poor and complex rock mass conditions. The project is still ongoing and will be finished in 2013.

Der neue Verkehrskorridor Transport Corridor Europe-CaucasusAsia (TRACECA) verbindet Aserbaidschan mit einigen Hafenstädten am Schwarzen Meer und ermöglicht so eine künftige Erhöhung des Frachtvolumens und des Personenverkehrs. Die georgische Regierung hat beschlossen, innerhalb dieses Korridors eine Umfahrung für Tiflis zu bauen, um das stetig steigende Verkehrsaufkommen zu bewältigen. Das Eisenbahnumfahrungsprojekt für Tiflis umfasst vier Doppelspurtunnel mit geringer Überlagerung.

Die Tunnel befinden sich in den Außenbezirken von Tiflis und verlaufen durch ungünstige und komplexe Gebirgsverhältnisse. Das Projekt wird 2013 fertiggestellt.

1 Overview 1 Überblick In order to include the Tbilisi bypass in the new transport corridor TRACECA (Transport Corridor Europe-Caucasus-Asia) a new railway line with an overall length of 38 km was planned by the Georgian Government. A conceptual design was produced as basis for the EPC contract award (Engineering, Procurement, Construction). All design and construction works are to be performed in accordance with the Russian Industry Standards (SNIP) and all products must adhere to the Russian Product Certification (GOST).

Figure 1 shows the proposed alignment of the railway.

It is divided into the following sections: – Green line: new double-track alignment (28 km), – Blue line: reconstructed single-track alignment with installation of a second railway track (10 km), – Red line: tunnel locations, – Black line: existing railway.

The EPC contract includes the complete works for the railway line such as: – Infrastructure (culverts, bridges, tunnels), – Earthworks, – Signalling and telecommunication, – Overhead equipment, – Engineering services and quality management, – scheduling and cost control Four single-tube tunnels with a total length of 3,587 m are to be constructed in the framework of the 38 km long Tbilisi railway bypass project. The major part of the tunnel excavation works are passing through suburban areas of Tbilisi. The excavation works started in the beginning of 2011.

Um Tiflis im Rahmen des neuen Verkehrskorridors Transport Corridor Europe-Caucasus-Asia (TRACECA) eisenbahntechnisch zu umfahren, wurde von der georgischen Regierung eine neue Bahnlinie mit einer Gesamtlänge von 38 km geplant. Das Vorprojekt wurde als Grundlage für die Vergabe des EPC-Vertrags (Engineering, Procurement, Construction) erstellt. Alle Plan- und Bauarbeiten müssen auf Grundlage der russischen Baunormen (SNIP), und alle verwendeten Produkte müssen den russischen GOSTZertifikaten entsprechen.

Bild 1 zeigt die geplante Trassierung für die Eisenbahnlinie. Sie ist in die folgenden Abschnitte unterteilt: – Grüne Linie: neue zweispurige Trasse (28 km), – Blaue Linie: Erneuerte einspurige Trasse mit neu errichtetem zweiten Gleis (10 km), – Rote Linie: Lage der Tunnel, – Schwarze Linie: bestehende Eisenbahnlinie.

Der EPC-Vertrag umfasst die gesamten Arbeiten für die Eisenbahnlinie: – Infrastruktur (Durchlässe, Brücken, Tunnel), – Erdbau, – Signaltechnik und Telekommunikation, – Oberleitungsanlagen, – Ingenieurleistungen und Qualitätsmanagement, – Termin- und Kostenkontrolle.

Im Rahmen der 38 km langen Eisenbahnumfahrung von Tiflis werden vier einröhrige Tunnel mit einer Gesamtlänge von 3.587 m errichtet. Der Großteil des Tunnelvortriebs verläuft unterhalb der Außenbezirke von Tiflis. Die Vortriebsarbeiten haben Anfang 2011 begonnen.

© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

57

I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

Fig. 1. Alignment of Tbilisi Railway Bypass Projects Bild 1. Trasse der Eisenbahnumfahrung Tiflis

All tunnels of the new railway line are constructed for double-track traffic. The data concerning the individual tunnels is summarised in Table 1.

2 Contract arrangement The employer of the Tbilisi Bypass Railway Project is the Georgian Railway LLC (LLC = Limited Liability Company, changed to a joint-stock company in April 2012).

The EPC contract for the new 28 km long railway line and for the reconstruction of the existing 10 km long railway line was awarded to the Chinese-Georgian joint venture of “China Railway 23rd Bureau Group Co Ltd & JSC Khidmsheni”. In July 2010, the contract was signed based on a contractual lump sum and a total construction period of 36 months.

The control and approval of the contractor’s design and the supervision works in accordance with the FIDIC Yellow Book were assigned to the joint venture of ILF Consulting Engineers and GRE – Gauff Rail Engineering.

3 Design 3.1 Tunnel layout The tunnel design is based on a double-track electrified line with minimum clearance (railway loading gauge) as shown in Figure 2. Further requirements include: – Sidewalk with a width of 75 cm on both sides, – Cross-section enlargement for curved sections, – Niches every 60 m on both sides, – Central drainage channel connected to longitudinal drainage pipes via cross connections at intervals of 10 m,

58

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Table 1. Tunnel data of Tiflis bypass project Tabelle 1. Daten zu den Tunneln der Umfahrung Tiflis Tunnel number

Tunnel length [m]

Maximum overburden [m]

Maximum gradient [‰]

1

1,046

104

16.2

23

902

35

15.9

4

415

57

15.7

5

1,224

107

15.0

Alle Tunnel der neuen Eisenbahnlinie werden für den zweigleisigen Verkehr ausgebaut. Die grundlegenden Daten der einzelnen Tunnel sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

2 Vertragsgestaltung Der Auftraggeber des Projekts Eisenbahnumfahrung Tiflis ist „Georgian Railway LLC“ (= Limited Liability Company bzw. GmbH, wurde im April 2012 in eine Aktiengesellschaft umgewandelt). Der EPC-Vertrag für die neue 28 km lange Eisenbahnlinie und für die Erneuerung der bestehenden 10 km langen Strecke wurde an das chinesisch-georgische Joint Venture „China Railway 23rd Bureau Group Co Ltd & JSC Khidmsheni“ vergeben. Im Juli 2010 wurde der Vertrag unterzeichnet; darin wurden eine Pauschale sowie eine Gesamtbauzeit von 36 Monaten vereinbart.

Die Kontrolle und Freigabe der Planung der ausführenden Firma sowie die Bauüberwachung im Sinne des Yellow Book von FIDIC wurden an das Joint Venture „ILF Consulting Engineers & GRE – Gauff Rail Engineering“ vergeben.

I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

Fig. 2. Cross section of Type Ix with structure gauge for the railway Bild 2. Querprofil des Typs Ix mit Lichtraumprofil für die Eisenbahn

Table 2. Main characteristics of primary lining and inner lining Tabelle 2. Auslegung der Außen- und Innenschale Support type Ausbautyp

Primary lining Außenschale

Inner lining Innenschale

Type II

15 cm of shotcrete reinforced with one layer of wire mesh, rock bolts in crown and side walls L = 3 m, spacing 1.0 m × 1.5 m, lattice girders, no primary lining for invert

40 cm thick unreinforced inner lining with invert arch

15 cm bewehrter Spritzbeton, Baustahlgitter, Felsanker in der Firste und den Ulmen L = 3 m mit Raster von 1,0 m × 1,5 m (q/l), Gitterträger, kein Sohlausbau

40 cm dicke unbewehrte Innenschale mit Sohlgewölbe

20 cm of shotcrete reinforced with one layer of wire mesh, rock bolts in crown and side walls L = 3.5 m, spacing 1.0 m × 1.0 m, steel arches HEB 180, no primary lining for invert

45 cm thick reinforced inner lining with invert arch

20 cm bewehrter Spritzbeton, Baustahlgitter, Felsanker in den Firste und den Ulmen L = 3,5 m im mit Raster von 1,0 m × 1,0 m (q/l), HEB 180 Stahlbögen, kein Sohlausbau

45 cm dicke bewehrte Innenschale mit Sohlgewölbe

23 cm of shotcrete reinforced with one layer of wire-mesh, rock bolts in crown and side walls L = 3.5 m, spacing 1.0 m × 0.8 m, steel arches HEB 180, invert arch

55 cm thick reinforced inner lining with invert arch

23 cm bewehrter Spritzbeton, Baustahlgitter, Felsanker in der Firste und den Ulmen L = 3,5 m, im mit Raster von 1,0 m × 0,8 m (q/l), HEB 180 Stahlbögen, Sohlgewölbe

55 cm dicke bewehrte Innenschale mit Sohlgewölbe

Type I

Type Ix

– Waterproofing with a 1.5 mm waterproof sheet (umbrella sealing system), – Additional sealing of the inner concrete lining with water stops as well as at the connection of invert and vault.

The original design [1] includes three different support types, as shown in Table 2.

3 Planung 3.1 Tunnellayout Die Tunnelplanung basiert auf einer zweispurigen elektrifizierten Strecke mit minimalem Lichtraumprofil wie in Bild 2 dargestellt. Die weiteren Anforderungen umfassen: – Randweg mit einer Breite von 75 cm auf beiden Seiten,

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

59

I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

3.2 Control and approval procedures The most important work for the FIDIC engineer was and is the approval of the design prepared and presented by the engineers of the contractor. Different packages (i.e. infrastructure, earthworks, signalling, overhead line, track, etc.) were established by the contractor.

The following categories were introduced and used for control and approval: – C: Not approved with comments, resubmission of revised documents required.

– B: Approved for construction with comments. Construction may commence if comments on documents were taken into account, however the drawings/specifications/documents have to be revised based on the comments and resubmitted for approval.

– A: Approved for construction.

The main documents for the approval procedure of the tunnels were presented by the contractor in the form of three packages: – Package 1: drawings, – Package 2: method statements, – Package 3: structural calculations.

In the beginning there were some problems with regard to achieving the status “A” in the documents for the tunnels, especially for tunnel 23. The reason for the delay was that the design had changed from having two tunnels with the numbers 2 and 3 to having just one continuous tunnel with the number 23. This change of concept had to follow formal legal rules in order to constitute a variation order.

3.3 Stability analyses The stability analyses for the primary lining and the calculations for the inner lining were carried out using FE models where the self-weight stress was taken as the initial stress condition [2]. The calculations for the primary lining were performed for different rock conditions and resulted in suitable support measures. The main excavation was divided into three steps with top heading, bench and invert excavation. In poor ground conditions the complete tunnel profile was divided into seven steps with an appropriate face support (Figure 3).

Although the stability of the primary lining was proved by the calculations the contractor proposed in the conclusion to temporarily evacuate the houses above the excavation works. The proposal was that after placing the inner lining the houses were to be checked, repaired or newly built. Furthermore the road traffic was to be diverted in areas where the excavation is in progress.

The primary lining was constructed according to the proposed support types. The face support consisted of shotcrete and rock bolts besides the face wedge.

4 Construction (Tunnel 23) 4.1 Geology The geology of the tunnel area consists of mild clay, layers of alluvial gravel and claystone. Existing drillings revealed no discontinuities in the tertiary claystone.

60

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

– Aufweitung des Normalprofils in Kurven, – Nischen im Abstand von je 60 m auf beiden Seiten, – Zentraler Sohlkanal mit Querverbindungen im Abstand von je 10 m zu den Gewölbedränageleitungen, – Abdichtung mit einer 1,5 mm dicken Abdichtungsfolie (Regenschirmabdichtung), – Zusätzliche Abdichtung der Blockfugen und des Übergangs zwischen Sohle und Gewölbe mit Fugenbändern.

Die ursprüngliche Planung [1] umfasst drei verschiedene Ausbautypen, die in Tabelle 2 ersichtlich sind.

3.2 Kontroll- und Freigabeverfahren (Planprüfung) Die wichtigste Arbeit des FIDIC-Ingenieurs war und ist die Freigabe der vom Ingenieur der ausführenden Firma vorbereiteten und vorgelegten Planung. Die ausführende Firma hat verschiedene Pakete für Infrastruktur, Erdbau, Signaltechnik, Oberleitung, Gleis, etc. erstellt.

Die folgenden Bewertungen wurden für die Kontrolle und Freigabe eingeführt: – C: Nicht freigegeben mit Anmerkungen, erneute Einreichung der überarbeiteten Dokumente erforderlich.

– B: Freigegeben für den Bau mit Anmerkungen. Der Bau kann beginnen wenn die Anmerkungen zu den Dokumenten berücksichtigt wurden; die Pläne/Spezifikationen/Dokumente müssen aber auf Grundlage der Anmerkungen überarbeitet und erneut zur Freigabe eingereicht werden.

– A: Freigegeben für den Bau. Die Hauptdokumente für das Freigabeverfahren der Tunnel wurden von der ausführenden Firma in drei Paketen vorgelegt: – Paket 1 – Pläne, – Paket 2 – Verfahrensanweisungen, – Paket 3 – Statische Berechnungen.

Das Erreichen der Kategorie A für die Tunnelunterlagen war zu Beginn vor allem für den Tunnel 23 schwierig. Der Grund für die Verzögerung war eine Änderung des Entwurfs; statt zwei Tunnel mit den Nummern 2 und 3 wurde ein durchgehender Tunnel (deshalb die Nummer 23) festgelegt. Diese Entwurfsänderung musste formellen Rechtsvorschriften folgen, damit die Vertragsänderung rechtskräftig wurde.

3.3 Statische Berechnungen Die statischen Berechnungen für die Außenschale und die Berechnungen für die Innenschale wurden mittels FE-Modell durchgeführt, wobei die Spannungen infolge Eigengewicht als Primärspannungszustand angenommen wurden [2].

Die Berechnungen für die Außenschale wurden für unterschiedliche Gebirgsverhältnisse durchgeführt und dienten als Grundlage für die Ausbruchssicherung. Der Hauptvortrieb wurde im Kalotten-Strossen-Sohlausbruch durchgeführt. Bei schlechten Gebirgsverhältnissen wurde der Ausbruch in sieben Teilquerschnitte aufgeteilt und mit einer entsprechenden Ortsbrustsicherung versehen (Bild 3).

I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

Fig. 3. Tunnel cross and longitudinal sections showing construction in seven steps (tunnel design – package 3) Bild 3. Tunnelquerschnitt und -längsschnitt mit Ausbruch in sieben Schritten (Tunnelplanung – Paket 3)

Fig. 4. Claystone test with water Bild 4. Test mit Tonstein und Wasser

Fig. 5. Claystone with moderate swelling behaviour Bild 5. Tonstein mit geringem Quellverhalten

The tunnel was driven through almost homogeneous lithologies, namely weak claystone in dry conditions with moderate swelling behaviour and an uniaxial ultimate compressive strength of 5 to 10 MPa. A simple test made on site showed claystone after contact with water and a period of 24 hours (Figure 4). One part of tunnel 23, which was excavated through non-cohesive soil starting at the western side, consists mostly of sand and gravel combined with clay (Figures 5 and 6).

The hydrogeological conditions during the excavation can be described as mostly dry, apart from the portal zones and tunnel 23 where the groundwater level reached the area between the bench and the top heading; this was especially true in the vicinity of the eastern portal, which is near Gldani Lake, where the water level of the lake is about 3.5 m above track level (Figure 7).

The groundwater is sulphate aggressive (pH = 8) with contents of hydrogen sulphide of up to 12 mg/l which result also in an increased presence of gas (methane) and an increase in temperature [3].

Fig. 6. Non cohesive soil (sand/gravel) Bild 6. Kohäsionsloses Lockermaterial (Sand/Kies)

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

61

I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

Fig. 7. Top view and front view of eastern portal of tunnel 23 and Lake Gladani Bild 7. Draufsicht und Vorderansicht des Ostportals von Tunnel 23 und vom Gladani See

Fig. 8. Deformation measurements in the tunnel Bild 8. Verformungsmessungen im Tunnel

Generally it was decided to excavate all tunnels mechanically by excavators without adopting the drill and blast method.

4.2 Geotechnical measurements An extensive monitoring system with mainly convergence and settlement measurements in the tunnel has been established (Figure 8). The very small overburden of sometimes less than 10 m poses a large risk of damaging houses. For the additional preservation of evidence measurements of the settlements on the surface were performed in these areas of the tunnel and the relationship with the deformations in the tunnel was established.

In order to have clear evidence of any structural damage – i.e. to know whether any damage is caused by the tunnel works – very simple measures were adopted such as applying patches of plaster on existing cracks in adjacent buildings ahead of the excavation works.

62

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Obwohl die Standsicherheit der Außenschale durch Berechnungen nachgewiesen wurde, hat die ausführende Firma in der Schlussfolgerung vorgeschlagen, die Häuser oberhalb der Vortriebsarbeiten vorübergehend zu evakuieren. Der Vorschlag sah vor, dass die Häuser nach dem Einbau der Innenschale kontrolliert, instandgesetzt oder neu errichtet werden. Zusätzlich sollte der Verkehr in den vom Vortrieb betroffenen Gebieten umgeleitet werden.

Die Außenschale wurde auf Grundlage der vorgeschlagenen Ausbautypen errichtet. Die Ortsbrustsicherung umfasste neben dem Brustkeil auch Spritzbeton und Felsanker.

4 Bau (Tunnel 23) 4.1 Geologie Die Geologie besteht aus sandigem Ton, Schichten mit alluvialen Kiesen und Tonstein. Bestehende Bohrungen haben keine Diskontinuitäten im tertiären Tonstein ge-

I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

The geotechnical measurements (convergence, settlement) were also used to determine the time for starting the installation of the inner lining.

4.3 Collapse during excavation in tunnel 23 The advance of tunnel 23 from the west portal was divided into seven excavation steps due to poor ground conditions of non-cohesive soil (sand/gravel). The average overburden amounts to approximately 10 m. The groundwater level during the excavation reached the bottom of the top heading which caused local instabilities during the bench excavation. After heavy rainfall, the level of groundwater rose and saturated the soil surrounding the tunnel. During the excavation of the bench, the footing of the heading lost its bearing capacity and produced the failure of the top heading (Figure 9).

Figure 10 shows the excavation stage one day before the collapse. The local failure (red arrow) of the footing during the excavation of the upper bench immediately produced a domino effect resulting in the collapse of around 10 m of the top heading.

Fortunately, on the surface only a small part of the road was directly affected by the collapse; there were no buildings in the area of the crater that was caused by the collapse. The road was closed just in time and thus neither people nor traffic were affected. Figures 11 and 12 show

Fig. 9. Face of excavation in tunnel 23 a day before failure Bild 9. Ortsbrust im Tunnel 23 ein Tag vor dem Verbruch

zeigt. Der Tunnel wurde durch beinahe einheitliche Gesteinsarten vorgetrieben, nämlich durch zerlegten trockenen Tonstein mit geringen Quelldrücken und einer einaxialen Druckfestigkeit von 5 bis 10 MPa. Ein einfacher vor Ort durchgeführter Test zeigt den Tonstein nach 24 Stunden, nachdem er mit Wasser in Kontakt gekommen ist (Bild 4). Ein Teil des Tunnels 23, der von Westen aus durch kohäsionsloses Lockermaterial vorgetrieben wurde, besteht hauptsächlich aus tonigem Sand und Kies (Bilder 5 und 6).

Die hydrogeologischen Verhältnisse während des Vortriebs waren meist trocken abgesehen von den Portalbereichen und dem Tunnel 23, wo der Grundwasserspiegel die Kalottensohle erreichte; das traf vor allem auf die Umgebung des Ostportals in der Nähe vom Gladani See zu, wo das Wasserniveau des Sees circa 3,5 m oberhalb des Gleisniveaus liegt (Bild 7).

Das Grundwasser ist aufgrund des Sulfatgehalts aggressiv (pH = 8) und weist Schwefelwasserstoffmengen von bis zu 12 mg/l auf, was auch zu einem erhöhten Vorkommen von Gas (Methan) und einer erhöhten Temperatur führte [3].

Allgemein hat man sich bei allen Tunnelvortrieben für den Baggervortrieb ohne Sprengen entschieden.

4.2 Geotechnische Messungen Ein umfassendes Überwachungssystem mit Konvergenzund Setzungsmessungen wurde in allen Tunneln eingesetzt (Bild 8). Die geringe Überlagerung von z. T. weniger als 10 m stellt ein signifikantes Risiko dar und kann zu Beschädigungen an Häusern führen. Als zusätzliche Beweissicherung wurden Setzungsmessungen an der Oberfläche in diesen Bereichen des Tunnels durchgeführt und der Zusammenhang zwischen den Verformungen im Tunnel und an der Oberfläche betrachtet.

Um Nachweise für etwaige Bauschäden zu haben, d. h. um zu wissen, ob etwaige Schäden durch die Tunnelbauarbeiten verursacht wurden, wurden sehr einfache Maßnahmen gesetzt wie etwa Gipsmarken, die vor Beginn der Vortriebsarbeiten auf bestehende Risse von Häusern im Einflussbereich angebracht wurden.

Die geotechnischen Messungen (Konvergenz, Setzung) wurden auch dazu herangezogen, um den Zeitpunkt für den Beginn des Ausbaus der Innenschale zu bestimmen.

4.3 Verbruch im Tunnel 23

Fig. 10. Cause of failure in tunnel 23 Bild 10. Ursache für den Verbruch im Tunnel 23

Der Vortrieb des Tunnels 23 vom Westportal aus wurde in Anbetracht der schlechten Gebirgsverhältnisse des kohäsionslosen Lockermaterials (Sand/Kies) in sieben Stufen unterteilt. Die durchschnittliche Überlagerung beträgt rund 10 m. Das Grundwasserniveau während des Vortriebs erreichte die Unterkante der Kalotte, was lokal zu Instabilitäten während des Ausbruchs der Strosse führte.

Nach starken Regenfällen stieg das Grundwasserniveau an und weichte den Untergrund auf. Während des Ausbruchs der Strosse verlor daher der Kalottenfuß seine Tragfähigkeit und löste ein Versagen der Kalotte aus (Bild 9). Bild 10 zeigt die Situation einen Tag vor dem Verbruch. Das lokale Versagen (roter Pfeil) des Kalottenfußes

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

63

I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

Fig. 11. Collapsed material from inside of tunnel 23 Bild 11. Verbruchmaterial im Inneren des Tunnels 23

Fig. 12. Crater seen from surface above tunnel 23 Bild 12. Krater von der Oberfläche des Tunnels 23 gesehen

the situation of the collapse in the tunnel and on the surface.

After recording the situation of the incident it was decided to change the construction method on a total length of 55 m in the area of the collapse. This stretch of the railway tunnel is being constructed using the cut and cover method.

während des Vortriebs der Strosse endete in einer Kettenreaktion, die zu einem ca. 10 m langen Verbruch der Kalotte geführt hat.

Glücklicherweise war nur ein schmaler Randbereich der darüber liegenden Straße direkt vom Verbruch betroffen; Gebäude in der Nähe des durch den Verbruch verursachten Kraters wurden nicht beschädigt. Die Straße wurde gerade noch rechtzeitig für den Verkehr gesperrt und so waren weder Menschen noch Verkehr betroffen. Die Bilder 11 und 12 zeigen den Verbruch im Tunnel und an der Oberfläche.

Nach der Bestandsaufnahme des Vorfalls hat man sich dazu entschlossen, die Baumethode auf einer Gesamtlänge von 55 m im Bereich des Verbruchs zu ändern.

Dieser Teil des Eisenbahntunnels wird nun als offene Bauweise errichtet.

4.4 Appearance of methane gas Measurements of gas were made continually during the excavation; an increased level of methane gas was measured with a percentage of 0.08 % of to the total air volume or 1.6 % LEL (Lower Explosive Limit) according to BS 6164:2001 [4].

5 Conclusion 4.4 Auftreten von Methangas – Design review: The review process was hampered by the fact that all procedures had to first be agreed upon between the employer, the contractor and the engineer. It was clearly stated in the contract that no works were to commence without approved documents.

– Geotechnical measurements: In order to avoid the evacuation of houses as proposed by the contractor it was agreed between the employer, the contractor and the engineer that additional measures such as settlement measurements, applying patches of plaster, etc. shall be performed.

– Collapse: The area of the collapse was repaired adopting the cut and cover method over a length of 55 m. The details for the transition from the mined tunnel to the cut and cover section for the inner lining are not approved yet.

– Quality Control/Health and Safety (HSE): Quality control and HSE procedures were developed by the engineer before the beginning of the construction works and implemented by the contractor on site.

Although the tunnel works are not yet completely finished it can be stated that the works will be completed in time, within budget and to the demanded quality standards.

64

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Gasmessungen wurden während des Vortriebs laufend durchgeführt; ein erhöhter Methangaswert von 0,08 % des gesamten Luftvolumens oder 1,6 % UEG (untere Explosionsgrenze) laut Britischer Norm BS 6164:2001 [4] wurde festgestellt.

5 Schlussfolgerung – Planprüfung: Der Prüfprozess wurde dadurch erschwert, dass alle Abläufe zunächst zwischen Auftraggeber, ausführender Firma und Ingenieur abgestimmt werden mussten. Im Vertrag wurde klar festgelegt, dass ohne freigegebene Dokumente nicht mit den Arbeiten begonnen werden darf.

– Geotechnische Messungen: Um das von der ausführenden Firma vorgeschlagene Evakuieren der Häuser zu vermeiden, haben sich Auftraggeber, ausführende Firma und Ingenieur auf die Durchführung von zusätzliche Maßnahmen wie etwa Setzungsmessungen, Anbringen von Gipsmarken, etc. geeinigt.

– Verbruch. Der Verbruch wurde auf einer Länge von 55 m durch eine in offener Bauweise errichtete Tunnel-

I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

References [1] Tbilisi Railway Bypass Project: Tunnel Design, Package 1.

Joint venture „CCRC 23 & JSC Khidmsheni“.

[2] Tbilisi Railway Bypass Project: Tunnel Design, Package 3.

Joint venture „CCRC 23 & JSC Khidmsheni“.

[3] LLC „Saktransproject“: Engineering-Geological Survey Report. Volume 4.

[4] BS 6164:2001: Code of practice for safety in tunnelling in the construction industry. p. 51.

Igor Prebeg, MCE (Master Civil Engineer) ILF Beratende Ingenieure Baubüro, Georgien Zavidovicka 20 10040 Zagreb Croatia igor.prebeg@linear.hr

röhre instand gesetzt. Die Details der Innenschale im Bereich des Übergangs vom bergmännischen Tunnel zum Abschnitt in offener Bauweise sind noch im Freigabeprozess.

– Qualitätskontrolle/Sicherheits- und Gesundheitsschutz (SIGE).

Maßnahmen zur Qualitätskontrolle sowie SIGE-Prozesse wurden vom Ingenieur vor dem Beginn der Bauarbeiten erstellt und von der ausführenden Firma vor Ort umgesetzt.

Obwohl die Tunnelarbeiten noch nicht abgeschlossen sind, kann bereits jetzt gesagt werden, dass die Arbeiten pünktlich, innerhalb des Budgets und entsprechend der geforderten Qualitätsstandards fertiggestellt werden.

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

65

Topics Panagiotis Spyridis Ali Nasekhian Gerald Skalla

DOI: 10.1002/geot.201300005

Design of SCL structures in London Entwurf von Tunnelbauwerken in SpritzbetonBauweise am Beispiel London The underground metropolitan transport network of London is not only the oldest worldwide, but also one of the busiest, serving approximately a billion passengers annually. Both of these characteristics induce an accelerating necessity for new infrastructure as well as maintenance and rehabilitation of the present infrastructure, which of course includes the upgrading and extension of existing underground stations. Next to that, especially with London being one of the most condensed regions in the world, influence of tunnelling works on the built environment can hardly be matched. A huge design challenge is then to develop an appropriate balancing solution that guarantees, apart from the new structures’ safety and functionality, the operational and structural integrity of the existing neighbouring structures and surrounding assets and utilities. Under these circumstances, Sprayed Concrete Lining (SCL) structures are very often a preferable option, due to the flexibility in geometries and the ability to regulate the impacts on surrounding structures during construction. This paper aims to present the status of London transport infrastructure and recent important initiatives towards its improvement (i.e. the LU upgrade plan and the Crossrail project), the sensitivities and particularities of underground sprayed concrete constructions in London, and an outline of case histories from Dr. Sauer and Partners (DSP) involvement in respective projects, namely the London Underground Green Park Station, the Bond Street Station, and the Tottenham Court Road Station upgrades and the Crossrail Farringdon Station, the Limmo Auxiliary Shaft and the Independent Category-3 design checks of the Crossrail project.

Das unterirdische Stadtverkehrsnetz von London (The Tube) ist nicht nur das weltweit älteste, sondern auch eines der verkehrsreichsten, mit rund einer Milliarde Passagiere jährlich. Beide Aspekte ergeben ein sich beschleunigendes Bedürfnis für neue Infrastruktur sowie für Wartung, Erweiterung und Modernisierung der bestehenden U-Bahn-Stationen. Da der Großraum London ein besonders dicht besiedeltes Gebiet ist, hat der Einfluss von neuen Tunnelbauwerken auf bestehende Gebäude eine enorme Bedeutung. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Herausforderung, die Struktur und den Betrieb benachbarter Bauwerke und der umliegenden Infrastruktur bzw. Anlagen zu gewährleisten. Unter diesen Bedingungen wird die Spritzbeton-Tunnelbauweise (SCL) aufgrund der flexiblen Geometrien und die Fähigkeit, die Auswirkungen auf die umgebenden Strukturen zu regulieren, sehr häufig eine bevorzugte Option. Dieser Bericht zielt darauf ab: (i) den Status der Londoner Verkehrsinfrastruktur und wesentliche Initiativen zu ihrer Verbesserung (d. h. den LU Upgrade Plan und das Crossrail-Projekt) darzustellen, (ii) die Besonderheiten der Spritzbeton-Tunnelbauweise in London zu dokumentieren und (iii) einen breiten Erfahrungsbericht der Fa. Dr. Sauer und Partner (DSP) zu entsprechenden Projekten zu geben. Dabei handelt es sich um die Upgrades von London Underground Green Park Station, Bond Street Station und Tottenham Court Road Station sowie die Crossrail Farringdon Station, den Limmo Hilfsschacht und die unabhängige Überprüfung der Planung von Crossrail-Tunnelbauwerken.

1 Einführung 1 Introduction The first metropolitan railway transport tunnel underneath the streets of London opened in 1863 in order to serve the Metropolitan Railway, being the first of its kind worldwide. Today, some 150 years later, the London Underground system – with 11 lines, 270 stations, and a total route length of 400 km – is serving approximately 3 million journeys per day and up to a billion per year. It acts as the backbone of one of the world’s busiest economic, social and cultural centres. Beyond that, by 2020, the increase of passengers in the London Underground is expected to rise by 50 %. Apparently the need for maintenance and upgrade of such a system is unavoidable and works toward this aim are currently reflected by a series of simultaneous upgrade projects, many of which incorporated to the so-called “Tube Upgrade Plan” initiative [9]. The upgrade and maintenance works for the London Underground aim to deliver increased capacity of the system by

66

Der erste innerstädtische Schienenverkehrstunnel unter den Straßen Londons wurde 1863 eröffnet und diente, als der erste seiner Art weltweit, der Metropolitan Railway.

Heute, etwa 150 Jahre später, befördert das Londoner U-Bahn-System – mit 11 Linien, 270 Stationen und einer Gesamtstreckenlänge von 400 km – ca. 3 Millionen Passagiere am Tag und bis zu 1 Milliarde Passagiere im Jahr. Es fungiert als Rückgrat eines der weltweit ökonomisch, sozial und kulturell geschäftigsten Zentren der Welt. Darüber hinaus wird bis zum Jahr 2020 mit einem Anstieg des Passagieraufkommens von 50 % gerechnet. Es ist daher offensichtlich, dass ein solches System kontinuierlicher Instandhaltungs- und Erweiterungsmaßnahmen bedarf. Zur Verfolgung dieses Ziels wird daher derzeit eine Reihe simultaner Verbesserungsmaßnahmen erwogen, von denen viele in die so genannte „Tube Upgrade Plan“-Initiative eingebunden sind [9]. Ziel der Erweiterungs- und Instandhaltungsmaßnahmen an der Londoner U-Bahn ist es,

© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

rebuilding and refurbishing lines and main stations, while it also entails arrangements for step-free-access (SFA) to the network.

In parallel to the efforts for increased and more efficient transportation routes through the metropolitan area, Crossrail, a project that has been discussed already for decades, was recently put in action and construction is already underway. This new line is anticipated to increase London’s rail capacity by approximately 10 % [10]. The approval gained through Royal Assent of the Crossrail Act in 2008 came to start the project from Maidenhead and Heathrow Airport to Shenfield and Abbey Wood at the perimeter of Greater London, reserving a total fund of 14.8 bn GBP and making Crossrail the biggest construction project currently in Europe. The project includes a 118 km long rail alignment and 37 stations, whilst the parts crossing Central London and at Heathrow airport are directed underground totalling 21 km of new tunnelling works, also incorporating the interchange connections of stations with the existing network [1]. Once completed and in service, it will be operated by Transport for London.

Regarding the expansion of the London Underground infrastructure the upgrade of Bank station, with a devoted budget of more than 600 mil GBP, is also on a deciding phase in tendering. The new bullet-train line High Speed 2, already in the preliminary design phase, will be terminating at Euston Station, crossing subterranean Greater London in a twin bore tunnel designed for a speed of 400 km/h. The Northern Line extension, Crossrail 2, and other underground infrastructure projects as e.g. the Thames Tide Way are also appearing on track.

Considering the density of the built environment and the age of sub- and superstructures in London, very tight requirements apply on the tunnelling works, especially on deformation limits of neighbouring underground infrastructure and third party assets. These requirements are efficiently met through SCL tunnelling. Dr. Sauer and Partners (DSP) has recently been involved in various projects for both the LU upgrade and Crossrail providing services in tunnel lining and excavation design, construction management, and site supervision. This paper aims to provide an insight of SCL tunnelling in these circumstances and present the team’s recent relevant experiences.

2 Geological conditions and geotechnical information The London basin has been originated during the Alpine Orogeny as a geological syncline. Since then it has been eroded as a result of various cycles of relative sea rise and fall. In general, Made Ground (MG) overlies Alluvium (AL) and River Terrace Gravel (RT) deposits in most of the areas. Alluvium is composed of river deposits, primarily silt and clay, with seams of sand and gravel. In general, the total thickness of the superficial deposits varies from 0.1 to 16.5 m, with the typical thickness between 3 and 7 m. The River Terrace Deposits typically comprise a well-graded mix of sand and gravel. The average thickness is between 3.0–5.0 m but it may amount to 15 m in some areas.

Below these strata lies the London Clay (LC) formation, stiff over-consolidated clay, with significant silty and sandy content and features as laminations, cementstone,

durch Umbau und Modernisierung der Linien und Haltestellen die Kapazität des Systems zu erhöhen und gleichzeitig das U-Bahn-Netz barrierefrei zu gestalten.

Parallel zu den Bemühungen um vermehrte, effizientere Verkehrswege durch das Stadtgebiet wurde jüngst ein seit Jahrzenten diskutiertes Projekt, Crossrail, in die Tat umgesetzt. Die ersten Bauarbeiten haben bereits begonnen. Es wird erwartet, dass diese neue Linie die Schienenkapazität Londons um ca. 10 % erhöht [10]. Mit der königlichen Bewilligung des Crossrail Acts kam 2008 die Genehmigung zum Bau des Projekts von Maidenhead und Heathrow Airport nach Shenfield und Abbey Wood, am äußeren Rand von Greater London. Mit 14,8 Mrd. GBP zur Verfügung stehender Mittel ist Crossrail derzeit das größte Bauprojekt Europas. Es umfasst neben 118 km Gleisanlagen auch 37 Haltestellen, wobei der Bereich des Londoner Zentrums sowie der Heathrow Airport auf insgesamt 21 km neuer Tunnelstrecke unterfahren werden.

Zusätzlich sind Anschlussverbindungen der Stationen an das bestehende Schienennetz enthalten. Nach der Fertigstellung und Inbetriebnahme wird die Linie von Transport for London betrieben werden.

Im Rahmen der Erweiterung des Londoner U-BahnNetzes befindet sich die Ausschreibung des Ausbaus der Haltestelle Bank Station, mit einem Etat von mehr als 600 Millionen GBP, in ihrer entscheidenden Phase. Die neue Hochgeschwindigkeitsstrecke High Speed 2, die sich bereits in der Entwurfsplanungsphase befindet, endet an der Euston Station und durchquert London unterirdisch in einem zweiröhrigen Tunnel, welcher für Geschwindigkeiten bis 400 km/h ausgelegt ist. Die Weichen für die Erweiterung der Northern Line, Crossrail 2, und weitere unterirdische Infrastrukturprojekte, z. B. den Thames Tide Way, sind gestellt.

In Anbetracht der dicht bebauten Umgebung und des Alters des unter- und oberirdischen Londons, werden strenge Anforderungen an die Tunnelarbeiten gestellt.

Dies gilt besonders in Hinblick auf die Auswirkung der Deformationen an benachbarten, unterirdischen Tragwerksstrukturen sowie auf die Vermögenswerte Dritter.

Diese Anforderungen werden effizient mit Hilfe der Spritzbeton-Tunnelbauweise (SCL) erfüllt. Dr. Sauer und Partner (DSP) sind seit einiger Zeit in diverse Projekte der beiden Maßnahmen LU Upgrade und Crossrail eingebunden und erbringen Leistungen bei der Planung des Tunnelvortriebs und der Tunnelsicherung sowie bei Bauleitung und Bauüberwachung. Der vorliegende Beitrag soll einen Einblick in die Spritzbeton-Tunnelbauweise unter den genannten Bedingungen geben und maßgebliche Erfahrungen der Arbeitsgruppe vorstellen.

2 Geologische Gegebenheiten und geotechnische Informationen Das Londoner Becken entstand während der Orogenese der Alpen als geologische Synklinale. Anschließend folgte ein Erosionsprozess, der sich als Konsequenz zyklisch auftretender Meeresspiegel-Anstiege und -Absenkungen ergab. Im Allgemeinen überlagern in den meisten Gebieten Anschüttungen (made ground – MG), alluviale Schichten (AL) und Flussterrassenkies-Ablagerungen (RT). Das Alluvium besteht aus Flussablagerungen, hauptsächlich aus

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

67

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

claystone and sand lenses at places, with thickness that varies from 3 to 150 m, depending on the location, the geological history and the presence of faults. Due to the presence of these more permeable formations, the horizontal permeability of LC is higher than the vertical. In a rough description, LC is divided into the A3 and A2 formations, with the A3 being a very stiff, dark grey-brown, silty to very silty clay, with occasional fissures and the A2 being very stiff to hard, dark grey-brown, silty to very silty, slightly sandy clay, closely fissured. Generally LC is a very good material for conventional tunnelling (low permeability and highly over-consolidated clay with high undrained shear strength); however, due to tectonic activities (e.g. in Farringdon and Limmo fault zones) and weathering, the LC can be found fissured with blocky behaviour posing concerns for local face stability. These strata were subjected to mild tectonic loading during the Alpine Orogeny which formed the synclinal London basin and to substantial erosion. The amount of erosion within the Thames Valley has been estimated to lie between 150 to 300 m [2].

This unloading caused the strata to become over-consolidated.

Below LC is Lambeth Group (LG) that comprises various types of units with rather complex engineering and hydrogeological conditions. The upper part of LG usually has a more “sandy” character, with typical sand lenses or sand channels present. The middle Lambeth Group Hiatus (MLGH) is the boundary between the upper and the lower parts of the LG and is usually highlighted by the presence of laminated beds. The lower part of the LG is in general more “clayey”. At the bottom of LG sits the Upnor Formation (UF), which in most cases is a high permeability unit comprising pebbles, and clean or clayey sands. Following, the Thanet Sand (TS) formation is a mostly uniform, dense to very dense silty fine-grained sand. The formations described above sit on top of the Chalk Group (CK), whose thickness can exceed 180 m and is characterised as a soft to medium hard, white to off-white, homogeneous limestone. The continuity of the London basin stratigraphy is interrupted by tectonic faults in several areas and local deviations from the typical pattern described above. In terms of hydrogeology, two distinct aquifers exist; the upper one which sits on top of LC formation and the deep in the UF, TS and CK formation. In areas, an intermediate aquifer can be identified in the sandy upper part of LG. In order to describe the mechanical behaviour of typical subsoil layers in London area, geotechnical properties of the strata extracted from Bond Street Station Upgrade Project [7] are given in Table 1.

3 Analysis approaches In London Underground projects where complete new tunnel systems are developed and the impact of new to existing structures is of great importance, comprehensive 3D analysis is now often pursued by both clients and designers. A full 3D modelling follows the main 3 purposes: (1) calculation of deformations and settlements due to all tunnels as accurately as possible, (2) investigation of stresses occurring in existing structures due to tunnelling in close proximity, and (3) dimensioning the thickness and rein-

68

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Schluff und Ton, die von Sand- und Kiesbändern durchzogen werden. Im Allgemeinen variiert die Dicke der oberflächigen Ablagerungen zwischen 0,1 und 16,5 m, mit einer durchschnittlichen Dicke von 3 bis 7 m. Die Flussterrassen-Ablagerungen bestehen typischer Weise aus einer abgestuften Mischung aus Sand und Kies. Die durchschnittliche Dicke hier beträgt 3 bis 5 m, kann aber in einigen Bereichen auch 15 m erreichen.

Unterhalb dieser Schicht befindet sich der so genannte London Clay (LC), eine Schicht steifen, überkonsolidierten Tons mit einem signifikanten Schluff- und SandAnteil, die Besonderheiten wie Laminierungen, Zementierungen, Tonstein und an einigen Stellen Sandlinsen aufweist. Die Schicht hat eine Dicke von 3 bis 150 m abhängig von der Lage, geologischen Geschichte und dem Vorhandensein geologischer Störzonen. Infolge der vorhandenen Störzonen mit einer höheren Durchlässigkeit, ist die horizontale Permeabilität des London Clays höher als seine vertikale. Grob lässt sich die London ClaySchicht in zwei Formationen – A3 und A2 – unterteilen.

Während die A3-Formation aus sehr steifen, dunkel graubraunem, schluffig bis stark schluffigem Ton mit gelegentlich auftretenden Klüften besteht, setzt sich die A2-Formation aus sehr steifem bis festem, dunkel grau-braunem, schluffig bis stark schluffigem Ton zusammen, der engmaschig von Klüften durchzogen wird. Im Allgemeinen ist der London Clay jedoch gut für den konventionellen Tunnelbau geeignet (geringe Permeabilität und stark überkonsolidierte Tone mit einer hohen undränierten Scherfestigkeit). Aufgrund tektonischer Aktivitäten (z. B. in der Farringdon und Limmo Störzone) und Verwitterung tritt der London Clay an einigen Stellen jedoch zerklüftet und daher mit blockhaftem Verhalten auf, was lokal die Ortsbruststabilität beeinträchtigen kann. Die beschriebenen Schichten waren mäßigen tektonischen Lasten während der alpinen Orogenese, welche das synkline Londoner Becken formte, ausgesetzt und erfuhren erhebliche Erosion.

Die Mächtigkeit der Erosionabtragungen im Themse Tal wird zu 150 bis 300 m geschätzt [2]. Diese Entlastung führte zu einer Überkonsolidierung der Schichten.

Unterhalb des London Clay befindet sich die so genannte Lambeth Group (LG), die verschiedene Arten von Formationsgruppen mit eher komplexen mechanischen und hydrogeologischen Eigenschaften umfasst. Der obere Teil der LG weist meist einen sandigeren Charakter mit typischen Sandlinsen und Sandschichten auf. Der mittlere Lambeth Group Hiatus (MLGH) trennt den oberen vom unteren Teil der LG und beinhaltet Schichtablagerungen.

Der untere Teil der LG ist zumeist stark tonig. Unterhalb der Lambeth Group befindet sich die Upnor Formation (UF), die in den meisten Fällen aus Kiesen und reinen oder tonigen Sanden besteht und stark durchlässig ist. Darunter folgt Thanet Sand (TS), welcher meist homogen aus dichten bis sehr dichten feinkörnigen, schluffigen Sanden besteht. Die zuvor beschriebenen Formationen befinden sich oberhalb der Chalk Group (CG), die eine Mächtigkeit von 180 m erreicht und als weiche bis mittelfeste, weiß bis weißgraue, homogene Kalksteinschicht charakterisiert werden kann. Die Stetigkeit der Schichtenfolge im Londoner Becken wird in verschiedenen Gebieten durch Störzonen und lokale Ungleichmäßigkeiten unterbrochen. Auf Seiten der Hydrogeologie sind zwei getrennte Aquifer zu

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

Table 1. Geotechnical parameters as assumed in the tunnel design of the Bond Street Station Upgrade Project (note z*: depth from top of the LC stratum) Tabelle 1. Typische geotechnische Parameter am Beispiel des Bond Street Station Upgrade Project (z*: Tiefe von der Oberseite der London Clay-Schicht) Soil Properties

Units

Made Ground

Terrace Gravels

London Clay A3

London Clay A2

Lambeth Group

Young’s Modulus (undrained)

[MPa]

–

–

40 + 3.5z*

75 + 1.25z*

125

Young’s Modulus (drained)

[MPa]

10

50

32 + 2.8z*

60 + 1z*

100

Poisson’s Ratio (undrained)

[–]

–

–

0.45

0.45

0.45

Poisson’s Ratio (drained)

[–]

0.3

0.3

0.2

0.2

0.2

Friction Angle

[o]

30

40

24

26

28

Cohesion

[kPa]

0

0

5

10

10

Undrained Shear Strength

[Kpa]

–

–

80 + 7z*

150 + 2.5z*

250

[MN/m3]

0.019

0.02

0.02

0.02

0.021

[–]

0.53

0.38

1.2

1.2

1.2

Unit Weight Ko-Value

forcement grade of new SCL tunnels with complex geometry and critical components like junctions, escalator barrels and over bridges.

The Mohr-Coulomb constitutive model is implemented in the DSP modelling approach for London projects.

Soil stiffness is calculated at reasonable strain levels, and the overall sensitivity of the model to varying parameters is identified through parametric analyses. Typically in London projects this includes the simulation of drained and undrained conditions with appropriate configuration of the LC parameters as presented exemplarily in Table 1 above. Excavation is simulated mostly full face, and in parts where more detail as a temporary invert or side drifts was required, the excavation is divided according to these sequences. The stepwise construction progress is also simulated appropriately. Modelling of the existing structures takes place prior to modelling the SCL staged excavation and it follows a wished-in-place approach with a preceding stiffness reduction. The linings are simulated as shell elements, and both linear-elastic and non-linear models for concrete are implemented. Non-linear material behaviour of concrete is simulated through the Concrete Damaged Plasticity constitutive model [3], in order to capture concrete’s post-cracking residual capacity.

In some of the projects involving simpler geometries, as for example in the Crossrail’s design check in order to (a) provide a conservative assessment for the tunnel linings, and (b) adhere to the time and budget constraints of the project, the individual excavation steps were not modelled, and instead a “wished-in-place” approach was selected. This means that the analysis stages correspond to generic construction stages, and the excavation and lining installation is simulated for an entire part of the structure.

verzeichnen. Der höher gelegene Aquifer befindet sich oberhalb der London Clay-Schicht, während der tiefergelegene Aquifer in den UF, TS und CK Schichten liegt. An einigen Stellen kann darüber hinaus ein dazwischen liegender Aquifer im sandigen Teil der Lambeth Group identifiziert werden.

Zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften des im Bereich des Londoner Beckens anstehenden Baugrunds sind in Tabelle 1 die geotechnischen Eigenschaften aus den Schichtprofilen des Bond Street Station Upgrade Projects [7] dargestellt.

3 Analyse-Ansätze Im Rahmen der komplexen Londoner U-Bahn Projekte, in denen neue Tunnelsysteme geplant werden, deren Einfluss auf die vorhandene Bebauung von großer Bedeutung ist, wird zunehmend sowohl auf Auftraggeber- als auch auf Auftragnehmerseite auf umfassende 3D-Analyseverfahren zurückgegriffen. Eine vollständig dreidimensionale Analyse verfolgt die folgenden drei Hauptziele: (1) möglichst exakte Berechnung der Verformungen und Setzungen als Folge aller Tunnelarbeiten, (2) Untersuchung der sich in der bestehenden Bebauung ergebenen Zusatzspannung aus benachbarten Tunnelarbeiten, und (3) Dimensionierung der Dicke und des Bewehrungsgrads der neuen Spritzbeton-Tunnelschale unter Berücksichtigung komplexer Geometrien und kritischer Komponenten wie Verzweigungen, Rolltreppenschächte und Überbrückungen.

Für den Modellierungs-Ansatz der Londoner Projekte wird von DSP das Mohr-Coulomb Konstitutivgesetz verwendet. Dazu wird die Bodensteifigkeit bei Spannungszustand berechnet und die Parametersensitivität mithilfe einer Parameterstudie ermittelt. Üblicherweise umfasst

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

69

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

4 Case histories – London Underground Upgrade 4.1 Green Park Station Upgrade (step free access) The Green Park Tube Station was first opened in 1906 and is situated on the north side of Green Park in central London. The station serves as an interchange between the Piccadilly, Victoria and Jubilee Lines and was considered a key station for the 2012 Olympic Games [10]. The purpose of the project at Green Park was to provide the station with SFA between street level and all operational platforms via a new ticket hall extension and lift system. During the tunnelling works, particular attention was paid on the preservation of the station facilities, as for example the heavy-duty escalators and the rail lines. These escalators are designed for intense usage, yet their maintenance procedures are laborious and, in case of malfunction and/or closure of those, severe disruption to traffic and a significant loss of income to the operators would be anticipated.

Additional surface settlement analysis aimed to prevent damage to existing buildings as for example the Ritz Hotel in close proximity.

DSP provided design services and site-supervision for the SCL works (primary and secondary lining) to the design-build Capita Symonds – Joseph Gallagher Ltd. in a contract awarded by Tube Lines, the company responsible for the infrastructure maintenance on the Jubilee, Northern and Piccadilly lines. In particular the design included an ellipsoidal 26 m deep SCL lift-shaft with a breakout stub tunnel (7.7 m × 11.1 m) from the lower section of the shaft forming new lobby space and providing connections to existing parts of the station. A full non-linear staged 3D FEA model was developed, with the aim – beyond the construction optimization and the structural dimensioning – to capture the impacts of construction to adjacent structures alongside an appropriately designed monitoring system. The new SCL and cast-in-situ concrete underground structures, as well as pre-existing cast iron tunnels were modelled in detail as discussed in the previous section.

The overall deviation between numerically estimated deformations and monitored values lied typically within the range of ± 2 mm and deformation stayed within acceptable limits with respect to the impacts on neighbouring structures, as discussed in detail in [4] [5] [6].

4.2 Bond Street Station Upgrade Based on current usage level and traffic studies, London Underground needs to upgrade Bond Street station (BSSUP) in order to provide capacity increase, enhanced passenger flow, and access to the existing platform tunnels (i.e. Jubilee Line and Central Line) and the prospective Crossrail Station. To achieve this goal, a number of additional tunnels will be built and connected to the existing tube system including 2 access shafts, one lift shaft, 4 construction adits, 2 binocular cross passage tunnels, 4 large concourse and connection chambers, 3 underpass tunnels, 2 over-bridge tunnels cutting through existing platform tunnels, 2 niches for electrical and mechanical equipment and 4 inclined tunnels for escalator barrels and staircases. This challenging design makes BSSUP one of the most complex tunnelling projects in the UK. The total length of tunnels amounts to approximately 450 m with

70

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

dies in den Londoner Projekten die Simulation dränierter und undränierter Bedingungen mit einem adäquaten Parametersatz der London Clay-Parameter, wie er beispielhaft in Tabelle 1 dargestellt ist. Der Aushub wird zumeist über die volle Ortsbrust simuliert. In Bereichen, in denen eine detaillierte Modellierung, z. B. durch Einbringen einer temporären Sohle oder eines Seitenstollens, erforderlich ist, wird der Aushubprozess analog zu diesen Prozessen unterteilt und modelliert. Der phasenweise voranschreitende Baufortschritt wird ebenfalls entsprechend simuliert. Die Modellierung der Bestandsbebauung findet zeitlich vor der Modellierung des SCL Ausbruchs statt und folgt dabei einem WIP-Modellierungsansatz (wished-inplace), der von einer vorherigen Reduzierung der Steifigkeit ausgeht. Die Tunnelschale wird mithilfe von Schalenelementen modelliert, für welche sowohl linear-elastische als auch nicht-lineare Modelle implementiert sind, die das Materialverhalten des Betons abbilden. Dabei wird das nicht-lineare Materialverhalten des Betons mittels des Concrete Damaged Plasticity Materialgesetzes beschrieben [3], um damit die residualen Kapazitäten des Betons nach der Rissbildung erfassen zu können.

In einigen Projekten mit einfacheren Geometrien konnte auf die detaillierte Modellierung der einzelnen Aushubschritte verzichtet werden und stattdessen auf einen WIP-Ansatz zurück gegriffen werden. Das bedeutet, dass die Analysephasen zu den spezifischen Bauphasen korrespondieren und Aushub und Ausbau für einen ganzen Abschnitt der Struktur modelliert werden. Dies war z. B. bei der Entwurfsüberprüfung der Crossrail-Linien der Fall und diente neben einer konservativen Bemessung des Tunnelausbaus vor allem einer zeit- und kostengünstigen Projektrealisierung.

4 Fallbeispiele – Umbau und Erweiterung der Londonder U-Bahn 4.1 Umbau Green Park Station (barrierefreier Zugang) Die erstmals 1906 eröffnete U-Bahn-Station Green Park befindet sich auf der nördlichen Seite des Green Parks im Zentrum Londons und dient als Knotenpunkt der Linien Piccadilly, Victoria und Jubilee. Im Rahmen der 2012 stattfindenden olympischen Spiele spielte sie eine zentrale Rolle [10]. Ziel des Projekts an der Green Park Station war es daher durch die Erneuerung der Schalterhalle und die Installation eines Fahrstuhls den barrierefreien Zugangs vom Straßenniveau zu allen Bahnsteige zu gewährleisten.

Während der Tunnelarbeiten lag besonderes Augenmerk auf der Aufrechterhaltung des Betriebs der vorhandenen Stations-Anlagen wie der Hochleistungs-Rolltreppen und den Gleisanlagen. Das Rolltreppensystem ist für eine hochfrequente Nutzung ausgelegt. Wartungsarbeiten sind daher aufwändig und führen im Fall einer Störung oder Außerbetriebnahme zu erheblichen Störungen des Verkehrs und damit verbunden zu einem signifikanten Umsatzverlust der Betreiber. Darüber hinaus zielten zusätzliche Messungen der Oberflächensetzungen darauf ab, Schäden an der benachbarten Bebauung wie dem Ritz Hotel zu verhindern.

DSP führte Planungs- sowie Baustellenüberwachungs-Aufgaben für den Generalunternehmer Capita

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

Symonds – Joseph Gallagher Ltd. aus, die vertraglich von Tube Lines, dem Betreiber der Jubilee, Northern und Piccadilly Line, vergeben wurden. Genauer betrachtet umfasste die Planung einen elliptischen, 26 m tiefen Aufzugsschacht in Spritzbeton-Bauweise mit einem Tunnelstutzen (7,7 m × 11,1 m) im unteren Bereich des Schachts, welcher der Schaffung zusätzlichen Raums in der Stationshalle und der Herstellung von Verbindungen zu bestehenden Bereichen der U-Bahn dienen soll. Zur Erfassung der Auswirkungen der Baumaßnahmen auf angrenzende Tragwerke und zur gleichzeitigen Installation eines adäquaten Monitoring-Systems wurde ein vollständig nicht-lineares 3DFE-Modell entwickelt. Die neu herzustellenden Spritzbeton- sowie Ortbetontragwerke wurden wie im vorherigen Abschnitt beschrieben modelliert, ebenso wie die bestehenden Gusseisen-Tunnel. Die Abweichung zwischen numerisch ermittelten Deformationen und den gemessenen Werten lag in der Regel bei ± 2 mm, wobei die Deformationen stets innerhalb der für die Nachbarbebauung zulässigen Grenzen lagen (Details siehe [4] [5] [6]).

4.2 Bond Street Station Upgrade

Fig. 1. Top: FE-Modelling of existing tunnels (blue and green) and new SCL tunnels in the Bond Street Station Upgrade. Middle, Bottom: Geometry of new and existing structures in the green and yellow marked parts of the models Bild 1. Oben: Modellierung bestehender Tunnel (blaue und grüne Komponente) und neuer Spritzbetontunnelbauwerke vom Bond Street Station Upgrade. Mitte, Unten: Geometrie von neuen und bestehenden Tunneltragwerken der entsprechenden grün und gelb markierten Teile oben

tunnel widths ranging from 4 to 12 m. The project is of particular complexity, due to the fact that the new tunnels are developed through a dense web of existing tunnels but also within a quite congested area with several significant buildings in proximity. Therefore, very strict limitations apply on tunnelling induced deformations. By the end of 2012 the design of the primary and secondary linings has been carried out and delivered from a preliminarily to a detailed design in the framework of a design-built contract, where design was headed by the Atkins-Halcrow JV

Aufgrund des aktuellen Ausnutzungsgrads und vorliegender Verkehrsstudien muss London Underground die Station Bond Street ausbauen, um so eine Erhöhung der Kapazitäten, eine Verbesserung des Passagierstroms und Zugang zu den bereits bestehenden (Jubilee Line und Central Line) und zukünftigen Bahnsteigen (Crossrail Station) erzielen zu können. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Anzahl weiterer Tunnel gebaut und an das bestehende Röhrensystem angeschlossen. Hierzu zählen zwei Zugangssschächte, ein Aufzugsschacht, vier bauzeitliche Zugangsschächte, zwei doppelröhrige Verbindungs-Querstollen, vier große Stationshallen mit Verbindungshallen, drei Unterführungstunnel, zwei Überbrückungen, die bestehende Bahnsteige durchqueren, sowie zwei Nischen für mechanische und elektrische Ausrüstung und vier geneigte Tunnel für Rolltreppen- und Treppenschächte. Diese Herausforderung macht dieses Vorhaben zu einem der komplexesten Tunnelprojekte in Großbritannien. Die Gesamttunnellänge beträgt ca. 450 m mit Tunneldurchmessern zwischen 4 und 12 m. Eine besondere Komplexität erlangt das Projekt dabei durch die Tatsache, dass die neuen Tunnel zum einen durch ein Netz aus bereits existierenden Tunnel hindurch geführt und in dieses integriert werden müssen und zum anderen in einem Bereich mit hoher Verkehrsdichte und bedeutender Bebauung im nahen Umfeld gebaut werden. Aus diesem Grund unterliegen die tunnelbau-induzierten Verformung strengen Begrenzungen. Im Rahmen des Generalunternehmer-Vertrags (Planung: Atkins-Halcrow JV, Bau: Costain – Laing O’Rourke JV (CoLOR)) wurde bis Ende 2012 die Bemessung der Tunnelinnen- und Tunnelaußenschale durchgeführt und von einer vorläufigen in eine detaillierte Entwurfsplanung überführt. Zusätzlich zu einer Reihe 2DAnalysen, die im Zuge der Entwurfsplanung durchgeführt wurden, war aufgrund der Komplexität des Projekts eine umfangreiche 3D-Analyse notwendig, welche die einzelnen Bauphasen berücksichtigt. Bedingt durch die Größe des Projekts war es nicht möglich alle Tunnel in einem einzigen 3D-FE-Modell abzubilden. Daher wurden, wie in

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

71

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

and construction is taken over by the Costain – Laing O’Rourke JV (CoLOR).

In addition to a series of 2D analyses carried out in the preliminarily design, a comprehensive stepwise 3D analysis was inevitable due to the complexity of BSSUP. Due to the large extent of project, a single 3D-FE model including all tunnels was not feasible. Therefore 3 separate FE models were created as depicted in Fig. 1, with approximately 600,000 to 1,000000 elements each. Water table stands 6 m below ground surface. The majority of the SCL tunnels are located within the London Clay stratum with a very low permeability. Therefore undrained soil parameters are considered for the analysis of tunnel excavation stages and the primary lining installation. The typical tunnel support in this project consists of primary and final linings comprising sprayed steel fibre reinforced concrete (SFRC). The primary lining is designed to carry temporary loads only and the final lining to sustain the long term loads including water pressure, assuming that the primary lining deteriorates in time and there is no load sharing between them.

4.3 Tottenham Court Road Station Upgrade Tottenham Court Road (TCR) Station in Central London is upgraded to provide step-free access from the street level to all platforms and interchanges via the enlarged and new ticket halls; additional access points were designed to the Northern and Central Line platforms to (a) relieve congestion and (b) to provide connections to the TCR Crossrail Station. The winning tender for this design scheme was made by the joint venture (JV) of Taylor Woodrow and BAM Nuttall as contractors, and Halcrow with DSP in the design and site-supervision of the SCL structures with a total length of 380 m.

Tunnel diameters vary between 4.0 m for cross passages and 11.0 m for the Northern Line Concourse Tunnel. Multiple transitions and interfaces to existing LU structures sought a challenging design and construction scheme under the busy streets of central London. The initial SCL construction method and design of tunnels were changed after the contract was awarded replacing wiremesh and lattice girders with SFRC. One of the most important additional changes was the replacement of the original timber-propping/square works design of two overbridges (a cross passage passing over a platform tunnel with partial removal of the platform tunnel) with an SCL structure (Fig. 2). This is the first time in the UK that overbridges have been constructed in SCL. This change in the overbridge design provided a significant saving in cost and 7 weeks for the construction program, and was a highly successful value engineering exercise.

DSP performed a three dimensional finite element analysis to support the over-bridges design, as well as the impact assessment of the over-bridge on adjacent existing structures, i.e. central line platform tunnels, existing midlevel sewer and existing Post Office Tunnel (Fig. 3). For the described layout, the ground was modelled using 740,000 linear tetrahedral elements and sprayed concrete linings were modelled using 40,000 linear shell elements, while undrained soil parameters were taken for the analysis in order to account for the “fast” construction in com-

72

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Bild 1 dargestellt, drei separate FE-Modelle mit je 600.000 bis 1.000.000 Elementen erstellt. Der Grundwasserspiegel liegt bei 6 m unter Geländeoberkante. Die Mehrheit der im Spritzbeton-Verfahren hergestellten Tunnel befinden sich innerhalb der London Clay-Schicht mit sehr geringer Permeabilität, was eine Berechnung der Tunnelausbruchschritte und Einbringung der Tunnelinnenschale mit undränierten Bodenparametern bedingt. Der für das Projekt typische Tunnelausbau besteht aus einer Tunnelinnenund -außenschale aus stahlfaserverstärktem Spritzbeton (SFRC). Während die äußere Tunnelschale lediglich temporäre Lasten während der Bauzeit aufnimmt, trägt die innere Tunnelschale die Langzeitlasten einschließlich des auftretenden Wasserdrucks, unter der Annahme, dass die äußere Schale mit der Zeit ihre Tragfähigkeit verliert und keine Lastumlagerung zwischen den Schalen stattfindet.

4.3 Umbau Tottenham Court Road Station Um den Zugang von der Straßenoberfläche zu allen Bahnsteigen sowie den Wechsel zwischen den Bahnsteigen barrierefrei gestalten zu können, wird die Station Tottenham Court Road (TCR) umgebaut bzw. erweitert. Neben der Vergrößerung der alten und Schaffung neuer Schalterhallen werden dabei auch zusätzliche Zugangspunkte zur Northern und Central Line geschaffen, um so (a) vorhandene Engpässe zu entlasten und (b) Verbindungen zur neuen TCR Crossrail Station zu schaffen. Bei der Ausschreibung erhielten das Joint Venture (JV) Taylor Woodrow und BAM Nuttall den Zuschlag als Auftragnehmer und Halcrow mit DSP den Zuschlag für die Planung und Bauüberwachung der in Spritzbeton-Bauweise hergestellten Tunnel mit einer Gesamtlänge von 380 m und Tunneldurchmessern der Querstollen von ca. 4 m bzw. des Northern Line Concourse Tunnels von 11 m. Bedingt durch die vielen Durchquerungen und Berührungspunkte mit bestehenden U-Bahn-Bauwerken unterhalb der verkehrsreichen Straßen Londons war eine anspruchsvolle Planung und Bauausführung notwendig. Die ursprüngliche Spritzbeton-Bauweise wurde nach Auftragsvergabe noch einmal verändert. So wurde anstatt der geplanten Mattenbewehrung und Gitterträger stahlfaserverstärkter Spritzbeton verwendet. Eine der wichtigsten nachträglichen Änderungen war der Austausch zweier ursprünglich geplanter holz-ausgesteifter Fachwerküberbrückungen (eine Überbrückung eines Bahnsteigtunnels unter teilweiser Entfernung des Bahnsteigtunnels) durch ein SpritzbetonTragwerk (Bild 2). Dies ist das erste Mal in Großbritannien, dass eine solche Überbrückung in Spritzbeton-Bauweise hergestellt wird. Durch die Änderung der Bauweise für die Überbrückung konnten so in erheblichem Maß Kosten und Zeit (7 Wochen) gespart werden. Darüber hinaus stellt diese Lösung eine höchst erfolgreich durchgeführte Ingenieurleistung dar.

Zur Unterstützung der Überbrückungs-Planung und Bewertung der Auswirkungen der Bautätigkeiten auf angrenzende Tragwerke wie den Central Line Bahnsteig, einen Abwasserkanal sowie einen Posttunnel (Bild 3) führte DSP eine dreidimensionale FE-Analyse durch. Um die beschriebene Anordnung zu modellieren, wurde ein Modell mit 740.000 linearen Tetraeder-Elementen und 40.000 linearen Scheiben-Elementen zur Abbildung der

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

Fig. 2. Primary lining of the over-bridge after completion of the SCL works Bild 2. Spritzbetonaußenschale nach Fertigstellung der Überbrückung

Fig. 3. 3D FE model of the Central line SCL overbridge including the existing and new structures Bild 3. 3D-FE-Modell der Überbrückung einschließlich bestehender und neuer Strukturen

(a) Monitoring data (a) Überwachungsdaten

(b) Nonlinear 3D model predictions at various stages from stage A to the last stage E (b) Nichtlineare 3D-Modellvorhersagen in verschiedenen Bauphasen (Stufe A bis Endstufe E)

Fig. 4. Platform tunnel deformations at the over-bridge axis Bild 4. Bahnsteig-Tunnel-Verformungen an der Achse der Überbrückung

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

73

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

parison with the time of consolidation in LC. Construction of the primary lining was completed in summer 2012 and the monitored displacements in the two platform tunnels showed a good conformity with the 3D model predictions as shown in Fig. 4, not triggering any impact on the operation of the LU Central Line.

5 Case histories – Crossrail 5.1 Farringdon Station Farringdon Station will be the only one among the eight Crossrail interchange stations in London that provides access to all three rail networks of London (i.e. Crossrail, London Underground, and the National Rail) making it one of the busiest train hubs in the UK. This Crossrail station comprises 2 ticket halls, a lift shaft, passage connection to Thameslink, 2 Escalator barrels, 2 concourse tunnels, 11 cross passages, 2 ventilation adits and two 300 m long Platform Tunnels.

The Crossrail Farringdon Station is a deep level station with two platform tunnels stretching between the existing London Underground Farringdon and Barbican Stations at a depth of approximately 30 m below street level. The contractor, Bam-Ferrovial-Kier JV (BFK), was awarded the construction contract (C435) for the main construction works at Farringdon station by Crossrail Limited (CRL) in November 2011. SCL tunnels mainly drive through the border of LG and TS layers with overlying strata of LC, RT and MG formations. In addition, the tectonised region (4 normal and reverse faults perpendicular to the station) and sporadic confined sand lenses and channels – potentially with high water pressure – make ground conditions for tunnelling in this region rather challenging. DSP has been appointed by BFK to provide the design support for all the temporary SCL works such as depressurization, excavation sequences, or tool box items, within the Crossrail integrated design process. The station lies underneath buildings with poor structural conditions such as the Lindsey Bridge. 3D non-linear FEA divided into 3 large models were employed to cover the whole SCL station structure, assessing the ground movements, face stability, structural design and excavation sequences. Fig. 5 illustrates the model boundaries and the excavation sequences cuts in the model of the West Ticket Hall and adjacent SCL structures.

5.2 Limmo Auxiliary Shaft The Limmo Auxiliary Shaft forms part of contract C305 awarded to the Dragados-Sisk JV covering the eastern section of the Crossrail running tunnels between Victoria Dock Portal to the Eastern end of Farringdon Station, and from Stepney Green Shaft to the Pudding Mill Lane Portal. These tunnel drives comprise approximately 11.95 km of twin bored tunnels and a number of structures to be built using Sprayed Concrete Lining (SCL), for which DSP provided design, supervision, and construction management services. The Limmo Auxiliary Shaft is a 27 m internal free diameter and 37.8 m deep structure intended to provide direct temporary access to the Crossrail tunnel alignment where four openings allow TBM drives to enter and exit the shaft. It has a top section of sheet-piling (to a

74

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Spritzbetonhülle verwendet. Für die Simulierung der verglichen mit der Konsolidierungszeit von London Clay „schnellen“ Bauzeit wurden undränierte Bodenparameter verwendet.

Die Tunnelinnenschale wurde im Sommer 2012 fertig gestellt. Die gemessenen Verschiebungen in den beiden Bahnsteigtunneln wiesen eine gute Überstimmung mit den in der 3D-Analyse ermittelten Werten (Bild 4) auf, so dass keine Auswirkungen auf den Betrieb der LU Central Line zu verzeichnen waren.

5 Fallbeispiel – Crossrail 5.1 Farringdon Station Die Farringdon Station wird die einzige unter den acht Umsteigestationen der Crossrail Linie sein, die Zugang zu allen drei Bahnnetzen (Crossrail, London Underground, und National Rail) in London ermöglicht. Hieraus ergibt sich seine Rolle als eines der verkehrsreichsten Drehkreuze Großbritanniens. Er umfasst neben zwei Schalterhallen einen Aufzugsschacht, einen Durchgang zum Thameslink, zwei Rolltreppenschächte, zwei Stationshallen-Tunnel, elf Querstollen, zwei Lüftungsschächte sowie zwei 300 m lange Bahnsteig-Tunnel.

Die Crossrail Farringdon Station ist eine tiefgelegene Station bestehend aus zwei Bahnsteig-Tunneln, die sich zwischen der bestehenden London Underground Station Farringdon und den Barbican Stationen, in einer Tiefe von ca. 30 m unter Straßenniveau erstrecken. Der Auftragnehmer, BAM-Ferrovial-Kier JV (BFK), erhielt den Zuschlag für den Bauvertrag (C435) von Crossrail Limited (CRL) für die Hauptbauarbeiten an der Farringdon Station im November 2011. Die in Spritzbeton-Bauweise herzustellenden Tunnel durchörtern hauptsächlich die Grenze zwischen LG und TS Schicht mit den darüber liegenden LC, RT und MG Schichten. Darüber hinaus machen die tektonischen Störzonen (vier normale und inverse Störzonen senkrecht zum Stationsbauwerk) und gelegentlich auftretende Sandlinsen und -schichten mit teilweise hohen Wasserdrücken die Baugrundverhältnisse zu einer Herausforderung. DSP wurde von BFK beauftragt, die Planung der im Rahmen des ganzheitlichen Entwurfprozesses anfallenden Spritzbetonarbeiten wie Druckabbau sowie die Planung der Abfolge der Abbauphasen und des notwendigen Werkzeugs unterstützend zu begleiten. Die Station befindet sich unterhalb bestehender Tragwerke, welche sich in einem schlechten baulichen Zustand befinden. Zur Bewertung der Bodenbewegungen, der Ortsbruststabilität, der Baustatik sowie der Abfolge der Abbauphasen, wurde eine in drei große Modelle unterteilte FE-Analyse der gesamten Bauwerksstruktur durchgeführt. Bild 5 zeigt die Modellgrenzen und Abbau-Sequenzen im Modell für die West Ticket Hall sowie die angrenzenden Spritzbetontunneltragwerke.

5.2 Limmo-Hilfsschacht Der Limmo-Hilfsschacht ist Teil des Auftrags C305, der an Dragados-Sisk JV vergeben wurde, und den östlichen Tunnelabschnitt der Crossrail Linie zwischen Victoria Dock Portal und dem östlichen Ende der Farringdon Station sowie vom Stepney Green Schacht zum Pudding Mill Lane

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London (a)

(b)

(a) Model boundary and subsoil layers (a) Modellrandgeometrie und Bodenschichtung

(b) Longitudinal cut through the tunnels (b) Längsschnitt durch die Tunnelbauwerke

Fig. 5. 3D FE model of West Ticket Hall and the fault zone Bild 5. 3D FE-Modell einschließlich der West Ticket Hall und der Störungszone

depth of 17 m, meeting the London Clay stratum) and a lower SCL section (another 24 m deep) leading to the SCL Launch adits and backshunt stub tunnels, which had been the focus of the design. This structure was decided on an alternative of the twin shafts originally envisaged at this very location in the final design in order to facilitate: – increased flexibility for the Drives Y/G construction, – facilitate the swift assembly of the TBMs by combining the use of Limmo main shaft and the auxiliary shaft, – optimisation of the SCL works and early TBM launch,

Portal abdeckt. Die Tunnelstrecke umfasst ca. 11,95 km doppelröhrige Tunnel sowie eine Anzahl von Tragwerken, die in Spritzbeton-Bauweise (SCL) herzustellen sind. Für diese machte DSP die Planung, Überwachung und Bauleitung. Der eigentliche Limmo-Hilfsschacht hat einen Durchmesser von 27 m und ist 37,8 m tief. Er dient dem temporären Direktzugang zur Crossrail Tunneltrasse, wo vier Öffnungen die Ein- und Ausfahrt der TBMs in die Schächte ermöglichen. Im oberen Bereich bis zu einer Tiefe von 17 m, in der sich die London Clay-Schicht erstreckt,

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

75

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

Fig. 6. Overview of the 3D FE model for Limmo Shaft Bild 6. Übersicht des 3D-FE-Modells für den Limmo-Hilfsschacht

Fig. 7. Limmo Auxiliary Shaft – rebar strain measurement at axis level of Eastbound tunnel/West (green trigger is the unfactored value predicted in the FE analysis) Bild 7. Limmo-Hilfsschacht – Bewehrungs-Dehnungsmessung am Niveau des Eastbound Tunnels/West (der grüne Warnwert ist die beiwertfreie Prognostizierung mittels nichtlinearer FE-Analyse)

– diminishing the programme risk for the TBM and program recovery of TBM drives to the Canary Wharf box.

The design of the SCL shaft and the impact assessment on adjacent existing structures were based on a three dimensional finite element analysis. Critical existing structures included the Limmo main shaft and the Docklands LightRailway (DLR) both at a distance of approximately two diameters, and the existing gas main at a distance of roughly 20 m from the excavation. The ground was modelled us-

76

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

wurde der Schacht in Spundwand-Bauweise ausgeführt.

Darunter schließt der in Spritzbeton-Bauweise hergestellte Bereich des Schachts an, der bis in die Start- und Zielbereiche der TBMs führt, die im Fokus der Planung standen.

Dieses Tragwerk wurde als Alternative zu einem ursprünglich an gleicher Stelle geplanten Doppelschacht gewählt, um folgende Aspekte zu ermöglichen: – erhöhte Flexibilität beim Aufbau der TBMs, – zügiger Aufbau der TBMs durch kombinierte Nutzung des Limmo-Haupt und Hilfsschachts,

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

ing 75,000 second-order tetrahedral elements and sprayed concrete linings were modelled using 11,000 second-order triangular shell elements (Fig. 6). The model proved to have yielded a good prediction of the breakouts’ structural behaviour and combined with an engineered monitoring and action-trigger scheme it provided an optimum structural assessment and design illustrated in Fig. 7.

5.3 Category 3 Independent Design Check All SCL structures of Crossrail are seen as Category 3 structures in the UK classification system. Category 3 represents infrastructure with the highest risk elements meaning that the highest level of checking effort needs to be undertaken [7] [8]. That is a fully independent calculation of the structural lining, a thorough review of the proposed construction procedures (excavation sequence) and a review of material and workmanship specifications. This procedure leads to a substantial refinement and increased confidence for the design. On Crossrail, all SCL design has been performed by Mott-MacDonald under the contract C121 in the period 2009–2011. The designs to be certified with a Category 3 Independent Design Check (hereafter C3IDC) are not only the final design packages, but also temporary works and changes performed in later stages including the contractor driven amendments (the Limmo Auxiliary Shaft is an example). The C3IDC for SCL structures in Crossrail commenced in early 2011, and MottMacDonald assigned URS (then Scott Wilson) the role of the C3IDC checker. URS assembled a team of SCL specialist sub-consultants such as IGT, Donaldson Associates, and DSP to check individual structures, and iC Consultants to provide high-level technical reviewing services.

At the time of inception of this paper DSP has carried out the design check of the Whitechapel Station and Crossover, the Fisher Street Intervention-Ventilation Shaft and Crossover, and two wraparound structures in Bond Street Station. DSP also prepared the structural calculations as a basis for the check of typical Bond Street Station and Liverpool Street Station junctions. A substantial part of the design check was the review of the design and construction approaches, the waterproofing system and details, and the risk assessments. Beyond that, structural checks of both the primary and the secondary support are performed at critical parts of the above mentioned structures. The analyses where typically based on 2D staged models, while 3D modelling was implemented for the de-

Fig. 8. 3D FE model of Wraparound detail Bild 8. 3D-FE-Modell einer Querschnittsaufweitung

– Optimierung der Spritzbetontunneltunnelarbeiten und frühzeitiger TBM-Start, – Zeitersparnis für die TBM Richtung Canary Wharf Box, Verringerung des Risikos der Nichteinhaltung des Bauprogramms.

Die Planung des Spritzbeton-Schachts sowie die Bewertung der Bauauswirkungen auf bestehende Nachbarbebauung wurden unter Zuhilfenahme einer dreidimensionalen FE-Analyse durchgeführt. Als kritische Bestandstragwerke waren dabei der Limmo-Hauptschacht, die Docklands Light-Railway (DLR) Regionalbahnstrecke (beide in einem Abstand von ca. dem zweifachen Tunneldurchmesser) sowie eine in ca. 20 m Entfernung befindliche Hauptgasleitung. Der Untergrund wurde mit 75.000 Tetraederelementen zweiter Ordnung und der Spritzbetonausbau mit 11.000 dreieckförmigen Schalenelementen, ebenfalls zweiter Ordnung, modelliert (Bild 6). Es konnte gezeigt werden, dass mithilfe des Modells gute Vorhersagen zum Tragwerksverhalten des Zielschachts getroffen werden können. In Kombination mit ingenieurmäßiger Vermessung und einem Action-Trigger Scheme konnte so eine optimale Tragwerksprüfung und -planung durchgeführt werden (Bild 7).

5.3 Category 3 – Unabhängige Bauplanungsprüfung Alle im Crossrail Projekt enthaltenen Spritzbetontragwerke fallen in die Kategorie 3 des britischen Klassifizierungssystems für Bauten. Kategorie 3 umfasst Tragwerke mit dem höchsten Risiko, was zur Folge hat, dass das größte Maß an Prüfungen unternommen werden muss. Hiermit ist eine vollständig unabhängige Berechnung der Statik, eine gründliche Nachprüfung der vorgeschlagenen Bauabläufe (Abfolge des Ausbruchs) sowie eine Prüfung aller Materialen- und Ausführungsspezifikationen gemeint. Im Rahmen des Crossrail Projekts wurden alle Spritzbetonarbeiten von Mott-MacDonald im Rahmen des C121-Vertrags zwischen 2009 und 2011 durchgeführt. Die durch einen Category 3 Independent Design Check (C3IDC) zu zertifizierenden Bauten sind nicht nur die im finalen Planungspaket enthaltenen Tragwerke sondern darüber hinaus auch temporäre Arbeiten sowie alle in späteren Bauabschnitten durchgeführten Änderung, so auch alle vom Auftragnehmer geplante Abänderungen, z. B. der LimmoHilfsschacht. Die Prüfung der Spritzbetontunneltragwerke im Rahmen des C3IDC beim Crossrail Projekt begannen Anfang 2011. URS (ehemals Scott Wilson) wurde dazu von Mott-MacDonald zum C3IDC-Prüfer bestellt und brachte daher ein Team von auf Spritzbetontunnel spezialisierter Nachunternehmer mit beratender Funktion zusammen, um die einzelnen Bauten zu überprüfen. Hierzu zählten IGT, Donaldson Associates und DSP. Darüber hinaus wurde von iC consulenten eine umfassende, technische Nachprüfung durchgeführt.

Bis zum Zeitpunkt der Einreichung dieses Beitrags hat DSP umfangreiche Bauplanungsüberprüfungen der Whitechapel Station und des Crossovers, des Fisher Street Crossovers und Hilfs-/-Ventilationsschachtes sowie zweier Querschnittsaufweitungen an der Station Bond Street abgewickelt. Des Weiteren fertigte DSP die Statiken an, die als Grundlage zur Prüfung typischer Ab-

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

77

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

Fig. 9. Binocular tunnel analysis FE model Bild 9. FE-Model eines zweiröhrigen Tunnels

sign check of specific components, i.e. breakouts/openings and tunnel junctions or wraparounds (e.g. Fig. 8). Also an advanced 2D analysis (Fig. 9) has been performed on a binocular construction. Based on these efforts, a series of safety, structural, and logistic issues where identified and improvements took effect after recommendations of the design checker and in collaboration with the designer and occasionally the contractors.

6 Lessons learnt In the last few years London has seen and is seeing an intense development in underground infrastructure to cover for the increasing needs of the population. SCL tunnel structures are very often a preferable solution. This paper presents recent experiences of DSP in SCL designs in London, based on which certain conclusions emerge: – In the Green Park, Tottenham Court Road, and Limmo projects, the contribution of advanced 3D modelling combined with a well-engineered monitoring program proved to be vital for the deformation control and design verification. Non-linear 3D FE analyses provided a very good prognosis on the impact of the construction to the existing infrastructure. Besides, London Clay has a relatively complicated behaviour, but based on the verification of the models through monitoring and the accuracy of the predictions through these analyses, it appears that the Mohr Coulomb model is capable of simulating the ground behaviour providing key information in such projects with a reasonable accuracy. The projects described above serve also as a verified reference for future FE analyses of subsequent projects. This proves very useful considering that sophisticated modelling gains in popularity with designers and clients in London.

– Independent design checks have become standard practice for significant (Category 3) structures in the UK. Provided project scheduling allows for it, this design strategy appears to have certain benefits, including: • increase of confidence, reduction of risk, and at the same time allotment of fewer liabilities to more parties, • confidence that the design criteria are appropriate, especially if the structure or problem is innovative or unusual, as the case may be for underground structures,

78

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

zweigungen an den Stationen Bond Street und Liverpool Street dient. Ein wesentlicher Teil der Bauplanungsprüfung bestand dabei in der Überprüfung der Planungsund Konstruktionsansätze, speziell des Wasserrückhaltesystems und weiterer Details, sowie des Risikomanagements. Darüber hinaus wurde eine statische Überprüfung der inneren und äußeren Tunnelschale in kritischen Bereichen der zuvor genannten Bauwerke durchgeführt. Als Grundlage dieser Analysen dienten in der Regel phasenweise 2D Modelle. Aufwändige 3D-Modelle wurden für die Bauplanungsprüfung spezieller Komponenten wie des Start- und Zielschachts und der Tunnelabzweigungen sowie der Querschnittsaufweitungen (Bild 8) verwendet. Eine sehr anspruchsvolle 2D-Analyse (Bild 9) wurde außerdem zur genaueren Untersuchung einer zweiröhrigen Tunnelkonstruktion verwendet. Auf Grundlage dieser Untersuchungen konnte eine Reihe von die Sicherheit, Bauweise und Logistik betreffender Punkte herausgestellt und auf Empfehlung der Bauplanungsprüfer Verbesserungsmaßnahmen in Kollaboration mit den Planern und mitunter den Auftragnehmern getroffen werden.

6 Fazit Um den Bedürfnissen einer stetig steigenden Bevölkerungszahl gerecht zu werden, erfuhr und erfährt London in den letzten Jahren eine immense Entwicklung der unterirdischen Infrastruktur. Spritzbetontunnelbauwerke stellen dabei häufig eine bevorzugte Lösung dar. Im vorliegenden Beitrag werden jüngste Erfahrungen von DSP bei Spritzbetontunnelbauwerken in London vorgestellt aus denen sich folgende Schlussfolgerungen ergeben: – Bei der Bearbeitung der Projekte erwies sich die gleichzeitige Verwendung hochentwickelter 3D-Modelle und ausgereifter Monitoring Programme als wesentlicher Punkt zur Verformungsüberwachung und Entwurfsverifizierung. Die nicht-linearen 3D FE-Analysen erzielten dabei eine sehr gute Prognose der Auswirkungen der Bauarbeiten auf die bestehende Infrastruktur. Auf Grundlage der Verifizierung der Modelle mithilfe der Messwerterfassung und der erzielte Genauigkeit der numerisch ermittelten Werte, kann trotz des komplexen Bodenverhaltens des London Clays davon ausgegangen werden, dass eine Simulation des Untergrundverhaltens mit dem Mohr-Coulomb Modell geeignet ist, um Schlüsselinformation mit einer ausreichenden Genauigkeit zu liefern. Die oben beschriebenen Projekte dienen außerdem als verifizierte Referenz für zukünftige FE-Analysen nachfolgender Projekte. Dies erweist sich als sehr hilfreich, wenn man bedenkt, dass eine anspruchsvolle Modellierung immer mehr Zuspruch bei Londoner Auftragnehmer und Auftraggebern findet.

– Unabhängige Bauplanungsprüfungen sind zum Standardverfahren für bedeutende (Category 3) Bauwerke in Großbritannien geworden. Der vorgesehene Projektablaufsplan berücksichtigt dies, was in Hinblick auf die Entwurfsstrategie eine Reihe von Nutzen zu haben scheint; die Folgenden eingeschlossen: • Steigerung der Sicherheit sowie Risikoreduktion, verbunden mit einer Aufteilung der Verantwortlichkeit auf eine größere Zahl Beteiligter,

P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

• development in know-how in general, through sharing concepts and experiences among the involved consultancies.

– In all cases described above, SCL appears to provide a successful solution because of the great flexibility it may offer as construction method. Main feature of SCL structures is their adaptability to complex geometries which are usually required in London projects, as for example short tunnels and stubs, junctions and wraparounds, or inclined escalator barrels that typically appear in underground stations.

– London is knowably characterized by a dense web of buildings and some of the highest real estate values in the world. Therefore small worksite areas may become the decisive factor for the choice on tunnel construction method, this often being SCL tunnelling.

– Buildings – often particularly old – with a high financial, social and historical value, or significant and sensitive subsurface utilities are located in proximity of tunnelling works; therefore surface settlements and damage mitigation of third party assets becomes a great challenge. Under these circumstances SCL construction, supported by advanced modelling predictions, provides certain advantages, since it makes possible to tailor the excavation volumes and advance rates, while optional tool box items for settlement mitigation are easy to apply based on on-site decisions.

References [1] Crossrail Ltd. 2009 – Crossrail Context Report. London.

[2] Crossrail Ltd. 2009 – Geotechnical Sectional Interpretative Report 1&2: Royal Oak to Liverpool Street.

[3] Dassault Systemes Simulia: ABAQUS Analysis User’s Manual-V6.12, 2011.

[4] Feiersinger, A.: Comparison of deformations predicted using 3D finite element analysis with deformations encountered during construction. Tunnels and Tunneling, August 2011, pp. 53–56.

[5] Feiersinger, A., Mitsch, T.: Deformation comparison at Green Park. Tunneling Journal, December 2010/January 2011, pp. 24–29.

[6] Feiersinger, A., Mitsch, T., Spyridis, P.: Preservation of structural and functional integrity in the interaction of new and existing structures: the case of London Underground’s Green Park station. In: The third International Symposium on LifeCycle Civil Engineering – IALCCE 2012 Vienna 3-6-1 Oct. 2012.

[7] Final Geotechnical Interpretative Report (GIR) 2009 – Bond Street Station Upgrade Project.

[8] Firth, A.: Adding confidence and reducing risk – the role of independent design checking in major projects. IABSE Symposium, Weimar 2007, International Association for Bridge and Structural Engineering.

[9] Low, A.: A review of 30 years use of design check procedures for bridges. IABSE Symposium, Weimar 2007 ,International Association for Bridge and Structural Engineering.

[10] LU – London Underground. 2011. Our upgrade plan. London.

[11] Mayor of London: Proposals for a Mayoral Community Infrastructure Levy (CIL) Draft Charging Schedule. Mayor of London, June 2011.

• Sicherheit angemessener Planungskriterien, besonders in Hinblick auf innovative oder seltene Verfahren, wie es bei unterirdischen Bauwerken der Fall sein kann, • Generelle Know-how-Entwicklung durch gemeinsame Nutzung von Konzepten und Erfahrungen innerhalb des Kreises der beratenden Unternehmen.

– In allen oben beschriebenen Fällen erscheint die Spritzbetontunnelbauweise aufgrund ihrer Flexibilität eine erfolgreiche Lösung. Haupteigenschaft von Spritzbetontunneltragwerken ist ihre Anpassbarkeit an komplexe Geometrien, wie sie in den Londoner Projekten üblicherweise anzutreffen sind. Als Beispiel dienen hier kurze Tunnel und Tunnelstutzen, Verbindungstunnel und Querschnittsaufweitungen sowie geneigte Rolltreppenschächte, welche in U-Bahn-Stationen normalerweise auftreten.

– London ist bekannt für sein dichtes Bebauungsnetz und einige der höchsten Grundstückswerte der Welt. Aus diesem Grund kann die Größe der Baustellenfläche zum entscheidenden Faktor bei der Wahl der Tunnelbauweise werden, was häufig für die Spritzbetonbauweise spricht.

– Bauwerke von hohem finanziellem, sozialem und historischem Wert oder wichtige und sensible Versorgungseinrichtungen befinden sich in direkter Nachbarschaft der Tunnelarbeiten. Die Minimierung von Oberflächensetzungen und Beschädigungen an Vermögenswerten Dritter wird daher zu einer großen Herausforderung.

Unter diesen Umständen bietet die Spritzbetontunnelbauweise, unterstützt von hochwertigen Modellvorhersagen, einige entscheidende Vorteile, da sie es ermöglicht, Ausbruchvolumen und Abbaufortschritt anzupassen, während geeignete Maßnahmen zum Setzungsausgleich einfach auf Basis der Entscheidungen vor Ort getroffen werden können.

Panagiotis Spyridis, Dr. Dipl. Eng Dr. Sauer & Partners 11 Langley Avenue Surbiton, Surrey KT6 6QH,UK pspyridis@dr-sauer.com

Ali Nasekhian, MSc., Dr. tech.

Dr. Sauer & Partners 11 Langley Avenue Surbiton, Surrey KT6 6QH,UK anasekhian@dr-sauer.com

Gerald Skalla, Dipl.Ing. Managing Director Dr. Sauer & Partners 11 Langley Avenue Surbiton, Surrey KT6 6QH,UK gskalla@dr-sauer.com

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

79

Conference Report 41st Geomechanics Colloquium in Freiberg With a record participation of over 200 specialist colleagues, the 41st Geomechanics Colloquium organised by the Chair of Geomechanics, Rock mechanics/Rock Engineering at the Geotechnical Institute, the IfG – Institut für Gebirgsmechanik GmbH Leipzig and the Association of Freiberg Geotechnicians e.V. (VFG) took place on 16 November 2012. The organisers of this event, which also celebrated 45 years of teaching of geotechnics at the TU Bergakademie (Mining Academy) Freiberg, were able to welcome not only German guests but also visitors from Austria, Switzerland, the Netherlands, Poland, Spain, Sweden and Vietnam.

The programme was organised into three blocks of talks presenting new knowledge about the wide range of interests of modern rock and soil mechanics.

First, questions of structural safety in boundary slope coal mining in Columbia (Mr. Kleiterp, Caterpillar Inc., Sliedrecht, Netherlands) and in copper mining in Kazakhstan (Mr. Schmidt, Terrasolum S. L., Santander, Spain) were discussed.

Another important theme was rock mechanics testing – on sandstones (Mr. Baumgarten, TU Bergakademie Freiberg), – under highly dynamic loading (Prof. Zhou, Central South University, Changsha, China) and – under real triaxial loading conditions (Dr. Smolnik representing Prof.

Kwasniewski, TU Gliwice, Poland).

Also presented were the results of stress measurements in the earth’s crust in connection with geothermal projects (Mr. Klee, Mesy-Solexperts GmbH, Bochum and Dr. Vietor, Nagra, Wettingen, Switzerland).

In the block of talks about „Salt mechanics – final storage“, the first report concerned detailed investigations into emergency supply for the Asse II mine (Dr. Kamlot, IfG Leipzig). Then Mr. Breustedt (DBE GmbH, Peine) presented the results of calculations to forecast rock mass behaviour and support loading as part of the conversion of the Konrad mine (near Salzgitter) to a disposal site for radioactive waste with negligible heat development.

Opening and greetings from Prof. Konietzky Eröffnung und Begrüßung durch Prof. Konietzky

Numerical computer modelling was the main theme of the following talks – on the modelling of a sol cavern field in the Alpine Haselgebirge (Mr. Huber and Dr. Kellerbauer, Müller & Hereth GmbH, Freilassing) and – on basic investigations for microstructure simulation (Frau Wagner, TU Bergakademie Freiberg).

The main subject of the next block of talks was current large infrastructure projects in the Alps, starting with the geomechanical problems with the construction of the de Fréjus road tunnel on the borders of France and Italy (Dr. Tirpitz, Bilfinger Berger Ingenieurbau GmbH, Wiesbaden) and in the construction of the Gotthard Base Tunnels in the Sedrun section (Mr. Holstein, Pöyry Infra AG, Sedrun, Switzerland).

In the course of the 41st Geomechanics Colloquium, the Franz-Kögler prize of the Association of Freiberg Geotechnicians e. V. was once again awarded, the winners being – Dr.-Ing. Michael Stahl (ITASCA Consultants GmbH, Gelsenkirchen) for his dissertation (special prize) and – Dipl.-Ing. Andreas Wenzel (TU Bergakademie Freiberg) for his thesis.

The event is also accompanied by a small specialist exhibition with companies in the fields of geotechnics and rock mechanics, and this proved very popular during the breaks between the talks.

In the publications of the Geotechnical Institute of the TU Bergakademie Freiberg (publisher: H. Konietzky), the issue 2012-1 – mostly in English – contains the 13 specialist talks given at the Colloquium, the short article by the winner of the Franz-Kögler special prize and also two contributions from doctorate candidates at the Chair of Geomechanics, Rock mechanics/Rock Engineering relating their current research results.

The Colloquium issue can, as long as the supply lasts, be obtained from the secretariat of the Chair of Geomechanics. The appropriate conclusion to this event was offered by the evening for all participants in the Freiberger Brauhof.

The next Freiberg – Leipzig Geomechanics Colloquium will take place on the 15 November 2013 in Leipzig.

Prof. H. Konietzky, Dr. A. Hausdorf

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

81

Conference Report 41. Geomechanik-Kolloquium in Freiberg Mit einem Teilnehmerrekord von über 200 Fachkollegen fand am 16. November 2012 das vom Lehrstuhl für Gebirgsund Felsmechanik/Felsbau am Institut für Geotechnik, dem IfG – Institut für Gebirgsmechanik GmbH Leipzig sowie dem Verein Freiberger Geotechniker e.V. (VFG) veranstaltete 41. Geomechanik-Kolloquium statt. Zu dieser Veranstaltung, die den Zusatz „45 Jahre Geotechnik-Ausbildung in Freiberg“ trug, konnten die Organisatoren neben Teilnehmern aus dem Inland Gäste aus Österreich, der Schweiz, den Niederlanden, Polen, Spanien, Schweden und aus Vietnam begrüßen.

Das in drei Vortragsblöcke gegliederte Tagungsprogramm befasste sich mit neuen Erkenntnissen aus dem vielfältigen Aufgabenspektrum der modernen Fels- und Gebirgsmechanik.

So wurden zunächst Standsicherheitsfragen im kolumbianischen Endböschungsbergbau auf Steinkohle (Herr Kleiterp, Caterpillar Inc., Sliedrecht, Niederlande) und im kasachischen Kupferbergbau (Herr Schmidt, Terrasolum S. L., Santander, Spanien) diskutiert.

Einen weiteren Themenschwerpunkt bilden gesteinsmechanische Versuche – an Sandsteinen (Herr Baumgarten, TU Bergakademie Freiberg), – unter hochdynamischer Beanspruchung (Prof. Zhou, Central South University, Changsha, China) sowie – unter echten triaxialen Belastungsbedingungen (Dr. Smolnik als Vertreter für Prof. Kwasniewski, TU Gliwice, Polen).

Darüber hinaus sind – im Zusammenhang mit Geothermieprojekten – die Verfahrensweise sowie ausgewählte Er-

gebnisse von Spannungsmessungen in der Erdkruste vorgestellt worden (Herr Klee, Mesy-Solexperts GmbH Bochum und Dr. Vietor, Nagra, Wettingen, Schweiz).

Im Vortragsblock „Salzmechanik – Endlagerung“ ist zunächst über Detailuntersuchungen zur Notfallvorsorge für das Bergwerk Asse II berichtet worden (Dr. Kamlot, IfG Leipzig). Anschließend stellte Herr Breustedt (DBE GmbH, Peine) Ergebnisse von Prognoseberechnungen zum Gebirgsverhalten und zur Ausbaubelastung im Zuge der Umrüstung des Schachtes Konrad (bei Salzgitter) zum Endlager für radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung vor.

Numerische Computerberechnungen standen auch im Mittelpunkt der folgenden Beiträge – zur Modellierung eines Solkavernenfeldes im alpinen Haselgebirge (Herr Huber und Herr Dr. Kellerbauer, Müller & Hereth GmbH, Freilassing) sowie – zu Grundlagenuntersuchungen zur Mikrostruktursimulation (Frau Wagner, TU Bergakademie Freiberg).

Den Schwerpunkt des abschließenden Vortragsblockes zu aktuellen Infrastruktur-Großprojekten im Alpenraum bildeten geomechanische Probleme beim Bau des Straßentunnels de Fréjus im französisch – italienischen Grenzgebiet (Dr. Tirpitz, Bilfinger Berger Ingenieurbau GmbH, Wiesbaden) sowie beim Bau des Gotthard-Basistunnels im Abschnitt Sedrun (Herr Holstein, Pöyry Infra AG, Sedrun, Schweiz).

Im Rahmen des 41. Geomechanik – Kolloquiums sind wiederum die Franz-

Award of the Franz-Kögler special prize 2012 to Dr. Michael Stahl Verleihung des Franz-Kögler-Sonderpreises 2012 an Dr. Michael Stahl

82

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Kögler-Preise des Vereins Freiberger Geotechniker e.V. verleihen worden, und zwar an – Herrn Dr.-Ing. Michael Stahl (ITASCA Consultants GmbH, Gelsenkirchen) für seine Dissertation (Sonderpreis) sowie – Herrn Dipl.-Ing. Andreas Wenzel (TU Bergakademie Freiberg) für seine Diplomarbeit.

Die Tagung ist zudem durch eine kleine Fachausstellung von Firmen mit geotechnisch-gebirgsmechanischer Ausrichtung umrahmt worden, die v. a. in den Konferenzpausen sehr gut besucht war.

In der Veröffentlichungsreihe des Instituts für Geotechnik der TU Bergakademie Freiberg (Herausgeber: H. Konietzky) sind im Heft 2012-1 – zumeist englischsprachig – die 13 Fachvorträge des Kolloquiums, der Kurzbeitrag des Franz-Kögler-Sonderpreisträgers und darüber hinaus zwei Beiträge von Doktoranden am Lehrstuhl für Gebirgs- und Felsmechanik über deren aktuelle Forschungsergebnisse enthalten.

Der Tagungsband kann – solange der Vorrat reicht – über das Sekretariat des Lehrstuhls bezogen werden. Den würdigen Abschluss dieses Konferenztages bildete der Fachschaftsabend für alle Teilnehmer im Freiberger Brauhof.

Das nächste Freiberg – Leipziger – Geomechanik – Kolloquium wird am 15. November 2013 in Leipzig stattfinden.

Prof. H. Konietzky, Dr. A. Hausdorf

The handing over of the Franz-Kögler student prize 2012 by the chairman of the VFG, Professor Grießl, to Dipl.-Ing. Andreas Wenzel Übergabe des studentischen Franz-Kögler-Preises 2012 durch den Vorsitzenden des VFG, Professor Grießl, an Dipl.-Ing. Andreas Wenzel

Product Information Thirra Tunnel for the Albania-Kosovo Highway secured by DSI-Systems Once completed, the new Albania-Kosovo Highway will link Kosovo with the seaport of Durres on the Adriatic Sea, crossing Albania. The travel route will then be much easier and shorter, thus significantly contributing to increasing trade and tourism in this area of northern Albania.

On the Albanian side, 1,858 m high Mt. Runes divides the planned highway section between the towns of Rreshen and Kalimash. Tunneling work for the Thirra Tunnel started in May 2007 from all four portals simultaneously.

In its production facility in Pasching near Linz in Austria, DSI produced anchor systems and rock support for the Thirra Tunnel and supplied them to the site in accordance with project progress.

The support systems were continuously adjusted in the plant to suit new requirements. During excavation work, changing rock conditions were repeatedly encountered in five different zones. This required a huge amount of flexibility

and quick recalculation and adjustments of the support systems that were needed.

The characteristics of the IBO – SelfDrilling Anchor System – quick and safe application due to drilling, installation and grouting in a single operational step – constituted a huge advantage for the project team. The changing rock conditions also required an ad hoc adjustment of the anchor lengths, which could be done any time using the included couplers.

Immediate support in the excavation area was achieved using Type 95/30/20 Pantex Lattice Girders. The Pantex Lattice Girder stiffeners (also known as “spiders”) reduce local buckling lengths of the bars and, in addition to a high Owner: General Contractor: Engineer: DSI Unit: DSI Scope:

normal and bending moment resistance, provide an assured transfer of the normal forces prior to the application of shotcrete. The complete integration of the Pantex Lattice Girders in the shotcrete lining results in a tunnel lining that significantly reduces ground deformations and prevents the ingress of water.

The Thirra Tunnel was opened to traffic in July 2010.

Further information: DSI Dywidag-Systems International Alfred-Wagner-Strasse 1 4061 Pasching/Linz Austria www.alwag.com

Government of Albania Joint Venture Bechtel/ ENKA Egis Route, France; Geoconsult, Salzburg, Austria DSI GmbH, Pasching/Linz, Austria Supply of IBO – Self-Drilling Anchors R32, PANTEX Lattice Girders

Thirra Tunnel der Albanien-Kosovo Autobahn mit DSI-Systemen gesichert Die neue Albanien-Kosovo Autobahn wird nach ihrer Fertigstellung den Kosovo mit der Hafenstadt Durres an der Adria verbinden und dabei Albanien durchqueren. Die dann stark vereinfachte und verkürzte Reiseroute wird erheblich zur Entwicklung von Handel und Tourismus in der nordalbanischen Region beitragen.

Auf albanischer Seite liegt der 1.858 m hohe Berg Runes genau in der geplanten Autobahnstrecke zwischen Rreshen und Kalimash. Die Arbeiten am Thirra-Tunnel begannen im Mai 2007 und wurden von allen vier Portalen aus gleichzeitig vorgetrieben.

DSI produzierte im Werk Pasching bei Linz in Österreich Ankertechnik und Stützmittel für den Thirra-Tunnel und lieferte diese dem Projektfortschritt entsprechend auf die Baustelle. Die Sicherungssysteme wurden im Werk laufend an die neuen Bedürfnisse angepasst. Die während der Vortriebsarbeiten angetroffene stark wechselnde Geologie (insgesamt fünf Felsklassen) erforderte eine große Flexibilität und rasche Neuberechnung sowie Anpassung der notwendigen Tunnelsicherung.

Die Eigenschaft des IBO – Selbstbohrankersystems – schneller und sicherer Einbau durch Bohren, Versetzen und In-

jizieren in einem Arbeitsgang – unterstützten das Projektteam. Die wechselnde Geologie im Tunnel erforderte zudem eine ad hoc-Anpassung der Ankerlängen, was durch die Verwendung der mitgelieferten Muffen jederzeit möglich war.

Die Tunnellaibung im Bereich des vordersten Abschlages konnte jeweils durch den Einsatz von Pantex Gitterträgern, Typ 95/30/20, sofort gesichert werden. Die räumlichen Aussteifungselemente des Pantex Gitterträgersystems reduzieren die lokalen Knicklängen der Gurtstäbe und gewährleisten, neben einer hohen Normal- und Biegemomentbeanspruchung, eine sichere Übertragung der Querkräfte auch im nicht eingespritzten Zustand. Die voll in die Spritzbetonschale integrierten Pantex Gitterträger stellen zudem sicher, dass eventuelle Verschiebungen des umgebenden Gebirges minimiert und gleichzeitig die Wasserdichtigkeit der Spritzbetonschale entscheidend erhöht wird.

Der Thirra-Tunnel wurde im Juli 2010 für den Verkehr freigegeben.

Weitere Informationen: DSI Dywidag-Systems International Alfred-Wagner-Strasse 1 4061 Pasching/Linz Österreich www.alwag.com

Support of Tunnel Lining using IBO – Self-Drilling Anchors and Pantex Lattice Girders (Foto: DSI) Sicherung der Tunnelinnenschale mit IBO-Selbstbohrankern und Pantex Gitterträgern (Foto: DSI)

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

83

Site Report German Expertise on the Moscow Underground in Cooperation with Mosmetrostroy for the Extension of the Metro Lines

At a training course at the Terex works for specialised tunnel machinery, mechanics, electricians and tunnel machine drivers from Mosmetrostroy were instructed by ITC and CMT specialists in the operation of tunnel heading and loading machines Bei einer Schulung im Terex-Werk für Tunnel- und Spezialmaschinen wurden Mechaniker, Elektrotechniker und Tunnelmaschinen-Fahrer von Mosmetrostroy von ITC- und CMTSpezialisten mit den Tunnelvortriebs- und Schuttermaschinen vertraut gemacht

The Russian specialised civil engineering contractor Mosmetrostroy is convinced of the performance of the Terex tunnelling machines. The first of five to seven planned Terex ITC machines has now been delivered for the extension of the Metro Lines in the Russian capital Moscow.

The tunnel excavator and loader ITC120 recently delivered to Moscow can be fitted with three different booms.

The long- straight sections of tunnel will be driven by a tunnel boring machine, while the Terex ITC120 will excavate tight curves, safety tunnels and access tunnels. Muck clearance, hammering and loading as well as excavating and profiling – the booms are designed for all purposes. In the subsoil below Moscow, the prevailing materials are

gneiss, clay and sandstone and the Terex tunnel excavator can deal with them well – plenty of water also has to be expected.

Since the issue of the metro construction regulations in 2010, drill and blast has been forbidden. For this reason, additional tunnel boring machine and Terex ITC120 and ITC312 tunnel excavators are being used. One particular challenge is the special production of a large tunnel excavator and loading machine of type ITC312N. The requirements for this 35 t heading and loading machine were particularly challenging. The ITC312N is built in four parts and heavily reinforced at the bolted connection points, which are subject to extreme loading. All connections are plugged. This means that the

ITC312 heading and loading machine can be broken down into four parts in a short time after the completion of a tunnel section, retrieved from an access shaft and reassembled at its new working location below ground. This assembly and disassembly of the machine is a fixed part of the construction schedule for the current new section of the Metro.

The close the collaboration between Terex and Mosmetrostroy was demonstrated in October: eight mechanics, electricians and tunnel machine drivers from Mosmetrostroy under the leadership of product manager Leonid Yazonkin attended a training course with Wilfried Schöller (CMT) at the tunnel and specialised machinery works of Terex.

The ITC 120 machines intended for Mosmetrostroy are equipped with central lubrication to the boom systems.

The conveyor belt of the extremely robust heading and loading machine can be fitted with rubber or scraper band facing. The excavated material can be conveyed straight or also in a curve. The monitoring system is fitted as standard with two, or optionally four, cameras. A water spraying system prevents excessive dust production. A hammer in the 1,000 kg class is fitted, and the cutting unit has a motor power of 30 kW. The ITC312 specially constructed for Mosmetrostroy is extremely reinforced at the bolted connecting points. It is equipped with a132 kW electric motor (400 V/50 Herz) and a 80 cable drum as well as a 65 kW diesel motor.

At least ITC120 machine and one ITC312 from Terex ITC will be involved in the new construction of the current 75 km of Metro Lines, which will be built in Moscow in the next five years.

150 km of Metro Lines, intended to make the change from car to Metro attractive for Moscow’s commuters, are planned by 2022. The ambitious Metro Project is intended to counter the extreme nuisance of individual traffic at peak times. The motto is “Moscow must breathe again”.

Deutsches Knowhow in Moskaus Untergrund bei Kooperation mit Mosmetrostroy beim Ausbau der Metro-Linien Überzeugt von der Leistungsfähigkeit der Terex-Tunnelvortriebsmaschinen ist das russische Spezial-Tiefbauunternehmen Mosmetrostroy. Die erste von fünf bis sieben geplanten Terex ITC-Maschinen wurde jetzt für den Ausbau der Metro-Strecken in der russischen Hauptstadt Moskau geliefert.

84

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Mit drei verschiedenen Auslegern ist die Vortriebsmaschine ITC120 ausgestattet, die dieser Tage nach Moskau geliefert wurde. Die langen, geraden Tunnelstrecken werden mit Tunnelbohrmaschinen vorangetrieben, während mit der Terex ITC120 engere Kurvenradien, Sicherheitsstollen und -zugänge ausge-

brochen werden. Schuttern, hämmern und laden sowie losbrechen und profilieren – dafür sind die Ausleger konstruiert. Im Moskauer Untergrund sind Gneis, Ton und Sandstein die vorherrschenden, mit den Terex-Vortriebsmaschinen sehr gut ausbrechbaren Materia-

Site Report lien – zudem ist mit reichlich Wasser zu rechnen.

Nachdem im Jahr 2010 die MetroBaurichtlinien geändert wurden, ist der Sprengvortrieb untersagt. Deshalb werden jetzt zusätzliche Tunnelbohrmaschinen und Vortriebsmaschinen der Bauart Terex ITC120 und ITC312 eingesetzt. Eine besondere Herausforderung ist die Spezialanfertigung einer großen Vortriebsmaschine des Typs ITC312N. Speziell an die Konstruktion dieser 35 t schweren Vortriebs- und Schuttermaschine werden besondere Anforderungen gestellt. Die ITC312N wird in vier Teilen gebaut und an den Verbindungsstellen für die Verschraubungen, die besonderen Belastungen ausgesetzt sind, extrem verstärkt. Alle Anschlüsse werden mit Kupplungen versehen. Damit kann diese ITC312-Vortriebsmaschine nach Fertigstellung einer Tunnelstrecke in kürzester Zeit in vier Teile zerlegt, über einen Zugangsschacht herausgeholt und am neuen Einsatzort unter Tage wieder zusammengebaut werden. Diese

Montage und Demontage der Maschine ist fester Bestandteil der Bauwerksplanung im aktuellen Metro-Neubaustrecken-Projekt.

Wie eng die Zusammenarbeit zwischen Terex und Mosmetrostroy ist, zeigte sich im Oktober: Acht Mechaniker, Elektrotechniker und Tunnelmaschinen-Fahrer von Mosmetrostroy mit Produktmanager Leonid Yazonkin an der Spitze wurden unter Anleitung von Wilfried Schöller (CMT) im Tunnel- und Spezialmaschinenwerk von Terex geschult.

Die für Mosmetrostroy bestimmten ITC120 sind mit einer Zentralschmieranlage an den Auslegersystemen ausgestattet. Das Förderband der extrem robusten Vortriebs- und Schuttermaschine kann mit Gummi- oder Kratzerband belegt werden. Ausbruchmaterial wird sowohl gerade als auch in einem Bogen nach hinten weggefördert. Das Überwachungssystem ist serienmäßig mit zwei, optional mit vier Kameras ausgestattet.

Eine Wassersprühanlage verhindert

übermäßige Staubbildung. Eingesetzt wird eine Hammereinrichtung der 1000kg-Klasse. Die eingesetzte Fräse hat eine Motorleistung von 30 kW. Der für Mosmetrostroy speziell konstruierte ITC312 wird an den Verbindungsstellen für die Verschraubungen extrem verstärkt. Es wird mit einem 132-kW-Elektromotor (400 V/50 Herz) und einer 80-m-Kabeltrommel sowie einem 165 kW starken Dieselmotor ausgestattet.

Mindestens vier ITC120 und eine ITC312 von Terex ITC werden also am Neubau der aktuellen 75 Kilometer Metro-Strecken, die in den nächsten fünf Jahren in Moskau entstehen, beteiligt sein. 150 Kilometer Metro-Linien, die den Umstieg vom Auto auf die Schiene für Moskaus Pendler attraktiv machen, sind bis 2022 geplant. Das ehrgeizige Metro-Projekt steht unter dem Eindruck des extrem belastenden Individualverkehrs in den Stoßzeiten. Es wurde die Devise ausgegeben: „Moskau muss wieder atmen.“

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

85

Diary of Events

Diary of Events 19th German Engineering Geology Congress 14 and 15 March 2013, Munich, Germany Topics: • Landslides in alpine and non-alpine regions • Tunnelling in alpine and non-alpine regions • Near surface and deep geothermal systems • Natural and building stones, historical buildings and their foundation conditions Info: www.geo.tum.de

28th Christian Veder Colloquium 4 and 5 April 2013, Graz, Austria Topic: • Deep foundation concepts – from micro pile to large bored pile Info: http://www.cvk.tugraz.at

• Geotechnical investigation and monitoring • Numerical modelling • Equipment, operational safety and maintenance • Risk management, contractual relationships and funding Info: www.ita-aites.cz/en

Tunnelling in Mediterranean Region 7 and 8 May 2013, Porec, Croatia Topics: • Urban planning near the coast • Project development using underground • Risk estimation and feasibility studies of new projects • Design and analysis • Construction methods in different geology • Mechanical and electrical equipment • Immersed tubes toward islands Info: www.meditunnel2013.com

Euro:Tun 2013

Leobener Sicherheitstag 2013 Sicherheit UNTERTAGE

17 to 19 April 2013, Bochum, Germany

Donnerstag, 16. Mai 2013, Leoben, Österreich

Topics: • Spatial and temporal discretization strategies for numerical analyses • Advanced constitutive models • Model identification and sensitivity analysis • Computer aided process control • Computational life cycle management • Logistics modelling and data management • Soft computing, visualization, data mining and experts systems • Uncertainty modelling and risk analysis

Themen: • Seminarblock Nr. 1: Sicherheit Untertage – von der Planung bis zur Ausführung • Seminarblock Nr. 2: Sicherheit Untertage – aus dem Blickwinkel des Betriebes • Seminarblock Nr. 3: Sicherheit Untertage – Psychologische Aspekte

Info: www.eurotun2013.rub.de

12th International Conference “Underground Construction Prague 2013” 22 to 24 April 2013, Prague, Czech Republic Topics: • Transport tunnels • Underground structures

86

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

Info: Prof. Dr. Robert Galler robert.galler@unileoben.ac.at Mag. Robert Hermann robert.hermann@unileoben.ac.at

World Tunnel Congress “Underground – the way to the future” 3 to 5 June 2013, Geneve, Switzerland Topics: • Underground development • Project planning and implementation • Tunnel operation

• Design and analysis methods and considerations • Construction technology developments • Case histories Info: www.wtc2013.ch

62nd Geomechanics Colloquium 9 to 11 October 2013, Salzburg, Austria Special sessions (9 October 2013): • Characterization of fault zones • Failure prognosis in geotechnics Topics: • Challenge Shaft • International large projects • Power water conduits • Special measures in soft ground Info: www.oegg.at

Südbahntagung 2013 – Focus on Koralm and Semmering Base Tunnel 21 November 2013, Leoben, Austria Topics: • Project overview • Focus on Koralmtunnel • Focus on Semmering Base Tunnel • Reports from further projects between Vienna, Graz, Klagenfurt and Villach Info: robert.galler@unileoben.ac.at

STUVA ‘13 Conference 27 to 29 November 2013, Stuttgart, Germany Topics • Most recent technical developments in all fields of underground construction • Major international projects • Safety during construction and operation of tunnels • Design/construction/maintenance/ refurbishment/upgrading/research • Mechanised tunnelling /tunnelling under difficult ground conditions • Sustainability, recovery and use of energy in underground constructions • Economics/contractual issues/ financing Info: www.stuva.de

Imprint The journal “Geomechanics and Tunnelling” publishes international articles about the practical aspects of applied engineering geology, rock and soil mechanics and above all tunnelling. Each issue is a special, dedicated to a current theme or an interesting project.

Geomechanics and Tunnelling comes out six times a year.

Except for a manuscript, the publisher Ernst & Sohn purchases exclusive publishing rights. Only works are accepted for publication, whose content has never appeared before in Germany or abroad. The publishing rights for the pictures and drawings made available are to be obtained from the author. The author undertakes not to reprint his article without the express permission of the publisher Ernst & Sohn. The “Notes for authors” regulate the relationship between author and editorial staff or publisher, and the composition of articles. These can be obtained from the publisher or in the Internet under www.ernst-und-sohn.de/ zeitschriften.

The articles published in the journal are protected by copyright. All rights, particularly that of translation into foreign languages, are reserved. No part of this journal may be reproduced in any form without the written approval of the publisher. Names of brands or trade names published in the journal are not to be considered free under the terms of the law regarding the protection of trademarks, even if they are not individually marked as registered trademarks.

Manuscripts are to be sent to the editorial staff.

If required, special prints can be made of single articles. Requests should be sent to the publisher.

Current prices The journal Geomechanics and Tunnelling has 6 issues per year. In addition to “Geomechanics and Tunnelling print”, the PDF version “Geomechanics and Tunnelling online” is available on subscription through the online service Wiley InterScience.

Subscription price

print

print+online

students

single copy

131 € 202 CHF 196 $

151 € 232 CHF 226 $

58 € 89 CHF 86 $

25 € 38,66 CHF

Members of the Austrian Association for Geomechanics (ÖGG) receive the journal Geomechanics and Tunnelling as part of their membership.

Student prices on production of a confirmation of student status. All prices are net-prices exclusive of VAT but inclusive postage and handling charges. Prices are valid from 1st September 2012 until 31st August 2013.

Errors excepted and subject to alteration.

Personal subscriptions may not be sold to libraries or used as library copies.

A subscription runs for one year. It can be terminated in writing at any time with a notice period of three months to the expiry of the subscription year. Without written notification, the subscription extends for a further year.

Bank details Commerzbank Weinheim, account number 751118800, bank sort code 67080050 SWIFT: DRESDEFF670 Periodical postage paid at Jamaica NY 11431. Air freight and mailing in the USA by Publications Expediting Services Inc., 200 Meacham Ave., Elmont NY 11003. USA POSTMASTER: Send address changes to “Geomechanics and Tunnelling” c/o Wiley-VCH, 111 River Street, Hoboken, NJ 07030.

Publishing house Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co.KG Rotherstraße 21 10245 Berlin/Germany Tel.: +49 (0)30/47031-200 Fax: +49 (0)30/47031-270 info@ernst-und-sohn.de, www.ernst-und-sohn.de Editors Austrian Society for Geomechanics (OeGG) Bayerhamerstraße 14 5020 Salzburg/Austria Tel.: +43 (0)662/875519 Fax: +43 (0)662/886748 E-mail: salzburg@oegg.at

Editorial staff Editor in chief: Dr.-Ing. Helmut Richter, Ernst & Sohn Tel.: +49 (0)30/47031-265, Fax: -277 E-mail: helmut.richter@wiley.com Project editor: Esther Schleidweiler, Ernst & Sohn Tel.: +49 (0)30/47031-267, Fax: -277 E-mail: esther.schleidweiler@wiley.com Editorial board Chairmen: ß Prof. Robert Galler / Montanuniversität Leoben Austria, 8700 Leoben ß Dr. Andreas Goricki / 3G Gruppe Geotechnik Graz Austria, 8010 Graz Members: ß Prof. Georgios Anagnostou / ETH Hönggerberg Switzerland, 8093 Zurich ß Dipl.-Ing. Nejad Ayaydin / IGT Austria, 5020 Salzburg ß Prof. Giovanni Barla / Politecnico di Torino Italy, 10129 Turin ß Prof. Tarcisio B. Celestino / Themag Engenharia & USP Brasil, Sao Paulo ß Dipl.-Ing. Heinz Ehrbar / Swiss Tunnel Holding AG Switzerland, 8133 Esslingen ZH ß Prof. Xia-Ting Feng, The Chinese Academy of Sciences, China, 430071 Wuhan ß Dr. Max John / Zivilingenieur für Bauwesen Austria, 6020 Innsbruck ß Prof. Scott D. Kieffer / Technische Universität Graz Austria, 8010 Graz ß Dr. Harald Lauffer / Porr AG Austria, 1103 Vienna ß Dr. Ulrich Maidl / MTC Maidl Tunnelconsultants Germany, 47051 Duisburg ß Prof. Derek Martin / University of Alberta Canada, Edmonton ß Dr. Bernd Moritz / ÖBB-Infrastruktur AG, Austria, 8020 Graz ß Prof. Pierpaolo Oreste / Politecnico di Torino Italy, 10129 Turin ß Prof. Phien-Wej Noppadol / Asian Institute of Technology Thailand, Pathumthani 12120 ß Prof. Rainer Poisel / Technische Universität Wien Austria, 1040 Vienna ß Dr. Peter Schubert / IC-Consulenten Austria, 5101 Bergheim ß Prof. Wulf Schubert / Technische Universität Graz Austria, 8010 Graz ß Prof. Helmut Schweiger / Technische Universität Graz Austria, 8010 Graz ß Prof. Kurosch Thuro / Technische Universität München Germany, 80290 Munich ß Dr. Alois Vigl / viglconsult Austria, 6780 Schruns Advertisement department Fred Doischer, Ernst & Sohn Tel.: +49 (0)30/47031-234 E-mail: fred.doischer@wiley.com Advertising manager Annekatrin Gottschalk Rotherstraße 21, D-10245 Berlin Tel.: +49 (0)30/470 31-2 49, Fax: 0 30/470 31-2 30 E-mail: annekatrin.gottschalk@wiley.com Service for customers and readers WILEY-VCH Kundenservice für Ernst & Sohn Boschstraße 12, D-69469 Weinheim Tel.: +49(0)8001800536 (innerhalb Deutschlands) +49(0)1865476721 (außerhalb Deutschlands) Fax: +49(0)6201606184 cs-germany@wiley.com Schnelleinstieg: www.wileycustomerhelp.com Layout and typesetting: TypoDesign Hecker GmbH, Leimen Printing: ColorDruck GmbH, Leimen © 2013 Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin Inserts: This issue contains following insert: Verlag Ernst & Sohn, 10245 Berlin.

Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

87

Preview Rubriken

Geomechanics and Tunnelling 2/2013 Czech tunnel projects Tchechische Tunnelprojekte Jirˇí Barták, Jan Pruška Development of underground construction engineering in the Czech Republic Die Entwicklung des unterirdischen Ingenieurbaus in der Tschechischen Republik Alexandr Butovicˇ, Pavel Šourek, Vlastimil Horák Urban tunnels in the Czech Republic Städtische Tunnel in der Tschechischen Republik Libor Marˇík, Otakar Hasík Development of railway tunnels in the Czech Republic using modern tunnelling methods Die Entwicklung von Eisenbahntunneln in der Tschechischen Republik mit modernen Tunnelbaumethoden

Ota Hasík, Jirˇí Ru˚žicˇka Prague metro Prag metro Martin Srb, Ladislav Štefan Highway tunnels in the Czech Republic Straßentunnel in der Tschechischen Republik Ermín Stehlík Czech tunnelling abroad Tschechischer Tunnelbau im Ausland

Urban tunnelling at the intersection of the ventilation tunnel with triple-lane tunnels Städtischer Tunnelbau an der Kreuzung zwischen Ventilationstunnel und einem dreispurigen Tunnel

…und aktuell an anderer Stelle Heft 2/2013 Temperaturfeldberechnung aus einer Particle Image Velocimetry (PIV)-Messung einer natürlichen Auftriebsströmung

Die energetische Sanierung der Stadtbibliothek Nürnberg – Entwicklung des Energie- und Klimakonzepts mittels hygrothermischer Gebäudesimulation

Hygrothermische Gebäudesimulation gekoppelt mit Multizonen-Gebäudedurchströmungsmodell

Kastenfenster-Optimierung im historischen Bestand

Methodik zur Unsicherheitsbewertung und Sensitivitätsanalyse für thermische Gebäudesimulationen

Untersuchungen zum Einfluss der Verklebung auf den Diffusionswiderstand bei Einsatz von glutinbasierten Klebstoffen Energiekennzahlen für den Gebäudebestand

Heft 3/2013 Minimierte Konstruktion, maximale Effekte – Zum Entwurf des neuen Hauptbahnhofs Stuttgart

A10 8-streifiger Ausbau mit Lärmschutzwänden mit Photovoltaik

Noord/Zuidlijn Amsterdam – Technische Innovationen beim Bau eines innerstädtischen Metrotunnels

Tiger and turtle

Brückenertüchtigung – eine notwendige Voraussetzung für ein zuverlässiges Fernstraßennetz

Überwerfungsbauwerke VleuGel, Utrecht Bauzustandsanalyse und Instandsetzung von Nagelbindern

Geotechnische Herausforderungen auf der Ausund Neubaustrecke Nürnberg–Ebensfeld (VDE 8.1.1)

Heft 3/2013 Zur Planung und Ausführung von Ziegeldecken nach neuer DIN 1045-100 mit Eurocode 2

Bemessungskonzept für wärmedämmende Plattenanschlüsse mit Druckschublagern

Plattenbalken mit Querkraft-Verstärkung aus Textilbeton unter nicht vorwiegend ruhender Belastung

Bericht Bauausführung von Betontragwerken nach DIN EN 13670 und DIN 1045-3 – Auswirkungen auf die Praxis

Effizientes Vorspannen von CFK-Lamellen

Heft 1/2013 Erläuterungen zur Haftscherfestigkeit Untersuchungen zum Verbund von Bewehrung in Fugen und Aussparungen

Einfluss der Carbonatisierung auf Festigkeit und Struktur von Porenbeton Ansätze zur Ermittlung der horizontalen Einwirkungen auf Schubwände

Heft 3/2013 Die Waldschlößchenbrücke in Dresden – Ausführungsplanung des Überbaus Elbebrücke Schönebeck – Schrägseilbrücke mit Litzenbündelseilen (Teil 1): Konstruktion und Ausführung Neue Technologie für die Hängebrücke über die Saar in Mettlach Brückenfahrbahn aus Sandwich Plate System (SPS) Ersatzneubau für die Schnettkerbrücke in Dortmund – Teil 2: Bauausführung

Brücken in VFT-WIB-Bauweise mit Verbunddübelleisten Zum Tragverhalten von MCL-Verbunddübel unter statischer und zyklischer Belastung Tragverhalten von plattenartigen Tragelementen mit einund mehrlagigen Faltungen aus Feinblech Berichte Theory and Case Study of Vehicle Load Identification Based upon BWIM of Steel Truss

(Änderungen vorbehalten)