3GSM rolled out its first rock mass characterization system for conventional tunnelling in 2005. It consisted of a digital camera, as well as software components for 3D image generation and geologic mapping. It took several years before such a system became standard procedure on tunnelling sites. The same principles were applied later to mechanised tunnelling in hard rock using a TBM leading to its first regular application starting in 2016. This contribution provides a description of the state of the art in digital rock mass characterization, as well as possible extensions that are currently available such as the use of tablet computers for on site rock mass characterization or analytic (automatic) rock mass characterization. It ends with an outlook of what may come next in the near future, e.g. the use of mixed reality devices in the tunnel.

Digitale Gebirgscharakterisierung 2017 - Wo stehen wir jetzt?
Was kommt als nächstes? Die 3GSM brachte ihr erstes System für die Gebirgscharakterisierung im Jahr 2005 auf den Markt. Es bestand aus einer Digitalkamera sowie Softwarekomponenten zur Erstellung von 3D-Bildern und geologischer Kartierung. Es dauerte einige Jahre, bis solche Systeme zu einem Standard auf Tunnelbaustellen wurden. Dieselben Prinzipien wurden später auch bei mechanischen Vortrieben mit TBM im Hartgestein angewendet, was 2016 zu einer ersten regelmäßigen Anwendung führte. Dieser Beitrag bietet eine Beschreibung des gegenwärtigen Stands der Technik in der digitalen Gebirgscharakterisierung sowie mögliche Erweiterungen, die derzeit bereits verfügbar sind, z. B. die Verwendung von Tablet-Computern für die Gebirgscharakterisierung vor Ort oder analytische (automatische) Gebirgscharakterisierung. Es endet mit einem Ausblick, was als nächstes in der näheren Zukunft kommen kann, z. B. die Verwendung von “Mixed-Reality-Brillen” im Tunnel.

The construction of subsurface underground structures poses a special challenge for the involved project team. The goal of geological documentation is to record the conditions as precisely as possible and provide support to the entire team based on this information. To this end, the situation is recorded during the advance, sketches are drawn, digital photos are taken and measurements are made. It has now become standard practice to store and evaluate the data obtained digitally. For this purpose powerful computerized information systems have been developed to store and evaluate large amounts of data. Geological observations in underground construction are almost exclusively spatial information and are recorded in three dimensions. In addition to the types of rocks encountered, the positional relationships of the geological bodies to each other and the discontinuity system of the rock mass have a great influence on the stability of the cavity. Future developments will be concerned with the integration of the geological data into BIM systems. Compared to present GIS techniques this will enable a more effcient aggregation with other tunnel construction data. Mobile applications will make it possible to record observations directly in digital form, thus avoiding redundancies.
Ziel der baugeologischen Dokumentation ist es, die Verhältnisse vor Ort genau zu erfassen und auf der Basis dieser Informationen den Bauherrn, die ausführende Firma und das Team hinsichtlich möglicher Gefahrenpotenziale bestmöglich zu beraten. Zu diesem Zweck werden die Situation beim Vortrieb aufgenommen, Skizzen angefertigt, Digitalfotos erstellt und Messungen durchgeführt. Die Daten digital abzulegen und auszuwerten, ist bereits Standard; leistungsfähige Fachinformationssysteme erlauben es, große Datenmengen in geeigneten Datenbankstrukturen abzulegen und auszuwerten. Bei geologischen Befunden im Hohlraumbau handelt es sich fast ausschließlich um Informationen mit räumlichem Bezug, die dreidimensional zu erfassen sind, weil die Lagebeziehungen der geologischen Körper zueinander und das Trennflächensystem des Gebirges neben den angetroffenen Gesteinsarten Einfluss auf die Stabilität des Hohlraums nehmen. Zukünftige Entwicklungen beziehen sich u. a. auf die Integration der geologischen Daten in BIM-Systeme, um eine leistungsfähigere Zusammenschau mit anderen Datenbeständen zu ermöglichen als dies bereits mittels GIS realisierbar ist. Mobile Anwendungen werden es ermöglichen, Beobachtungen im Vortrieb unmittelbar digital zu erfassen, wodurch Redundanzen vermieden werden können.

Since the start of construction on contract SBT3.1 in May 2016, all three tunnel construction contracts for the Semmering Base Tunnel are now under construction. From the geological and geotechnical point of view, this represents the transition from the geotechnical prediction for the design for tendering to the documentation in the course of construction. The paper describes the considerations about the systematics of ground characterisation and the definition of ground types in the course of producing the ground prediction for the design for tendering. It also describes the requirements for the documentation of ground conditions encountered during the advance, the updating of the prediction for the daily specification of support measures and the comparison of prediction and actual conditions for contractual purposes.
Seit dem Baubeginn im Baulos SBT3.1 im Mai 2016 sind alle drei Tunnelbaulose des Semmering-Basistunnels in Bau. Damit erfolgte aus geologisch-geotechnischer Sicht der Übergang von der geotechnischen Prognose der Ausschreibungsplanung zur vortriebsbegleitenden Dokumentation im Rahmen der Bauausführung. Im Beitrag werden einerseits die im Rahmen der Baugrundprognose der Bauausschreibung angestellten Überlegungen zur Systematik der Baugrundcharakterisierung und zur Definition der Gebirgsarten dargelegt. Anderseits wird auf die Anforderungen an die baubegleitende Dokumentation der angetroffenen Baugrundverhältnisse, die Fortschreibung der Prognose für die tägliche Ausbaufestlegung sowie für den bauvertraglichen Soll-Ist-Vergleich eingegangen.

The basis for reliable geological documentation is absolute objectivity. The encountered geological conditions should be documented to the latest technical and scientific standards without any ulterior motive. This is so important because geological documentation is often the basis for essential decisions or assessments. The significance of geological documentation is sometimes underestimated. Without reliable documentation, facts are irretrievably lost. Sometimes geological documentation is biased, and principally serves for the justification of claims or serves to negate deviations from the conditions predicted in the tender documents. This sort of documentation is wrong and can also damage reputations.
Grundlage einer belastbaren geologischen Dokumentation im Tunnelbau ist in jedem Fall die absolute Sachlichkeit. Auf aktuellem technischen und wissenschaftlichen Stand müssen die geologischen Verhältnisse ohne jeden Hintergedanken dokumentiert werden. Dies ist wichtig, weil die geologische Dokumentation oft Grundlage für wesentliche Entscheidungen und Beurteilungen ist. Die Bedeutung der geologischen Dokumentation wird oft unterschätzt. Ohne eine verlässliche und belastbare Dokumentation sind Fakten unwiederbringlich verloren. Mancherorts ist eine tendenziöse Art der geologischen Dokumentation, die vornehmlich der Suche nach Nachtragsgründen oder aber auch der Leugnung von Abweichungen der angetroffenen Verhältnisse von der Prognose dienen soll, zu beobachten. Dieser Art, zu dokumentieren, muss entgegentreten werden, da sie technisch und wissenschaftlich falsch und überdies rufschädigend ist.

The Vorarlberger Illwerke AG is constructing the 360 MW Obervermuntwerk II pumped storage power. The project area is located in the upper Montafon, Austria. The head between the elevations of the “Silvrettaspeicher” and “Vermuntspeicher” reservoirs will be exploited for production of electric energy. The Obervermuntwerk II is designed as a pumped storage plant with two highly flexible turbine/pump sets to operate the so called “hydraulic short-circuit”. At maximum gross head of 317 m and a maximum design discharge of Q = 150 m3/s, an electric power of 360 MW will be generated, which is equal to the pumping power. Upon completion, it will be the second largest pumped storage power plant of the Vorarlberger Illwerke AG. The construction of the approx. 500 million project began in May 2014 and is expected to start operating in 2018. The paper describes the underground waterway, its geotechnical design, the implementation concept and the construction experience gained up to June 2017.
Die Vorarlberger Illwerke AG baut derzeit das 360 MW Pumpspeicherkraftwerk Obervermuntwerk II. Das Pumpspeicherkraftwerk nutzt den Höhenunterschied zwischen den Speichern Silvretta und Vermunt zur Erzeugung von elektrischer Energie. Es ist als schnell regelbares Pumpspeicherkraftwerk mit zwei hochflexiblen, rasch und in einem weiten Bereich regelbaren Maschinensätzen konzipiert. Die Maschinensätze bestehen aus getrennten Turbinen und Pumpen, die im “hydraulischen Kurzschluss” betrieben werden können. Bei einer maximalen Fallhöhe von 317 m und einem maximalen Durchfluss von 150 m3/s wird eine Nennleistung von 360 MW erreicht, ebenso hoch ist die Nennleistung der Pumpen. Nach der Fertigstellung ist das Obervermuntwerk II die zweitgrößte Anlage der Vorarlberger Illwerke. Die Bauarbeiten des etwa 500 Mio. Euro Projekts begann im Mai 2014. Es wird mit einer Inbetriebnahme der 360 MW Anlage in 2018 gerechnet. Der Beitrag beschreibt den untertägigen Triebwasserweg des Obervermuntwerks II, dessen geotechnischen Planung, das Ausführungskonzept sowie die bis Juni 2017 gemachten Bauerfahrungen.

A new steel-lined pressure shaft was constructed for the existing Kaunertal high-head hydropower plant in the years 2012 to 2015. Before starting operation, initial filling tests were carried out in particular to investigate the behaviour of a steel penstock at the transition from a steel lined pressure tunnel to an open pipe section. Cases with and without steel ring bearings (thrust rings) to transfer the end loads to the rock mass were numerically analysed and compared to measurements. A conclusion is drawn from the measurement results how to arrange and analyse such a steel pipe transition into the rock mass, which may for example occur at valve chambers.
Beim Kaunertalkraftwerk wurden in den Jahren 2012 bis 2015 der Druckschacht, das Wasserschloss, die Flachstrecke und Teile des Druckstollens erneuert. Im Zuge der Inbetriebnahme wurden umfangreiche Messungen an drei Übergängen der Druckstollenpanzerung in die freitragende, abgedeckelte Rohrleitung durchgeführt. Ausführungen mit und ohne Schubring zur Aufnahme des Deckeldrucks wurden auf Grundlage der Messungen numerisch untersucht. Die Ergebnisse werden im Beitrag erläutert und daraus Empfehlungen zur Auslegung der gepanzerten Übergänge von einem Druckstollen in eine freitragende Rohrleitung, wie sie z. B. bei Apparatekammern und in der Flachstrecke eines Kraftabstiegs auftreten, abgeleitet.

Water power is the oldest and most-used energy source for provision of mechanical work and electricity generation. Furthermore pumped storage hydropower is ranked as the most reliable and efficient storage technology for electricity. The energy carrier water is also the most commonly-used thermal storage medium due to its high specific heat capacity. In a study, the combination of electrical and thermal energy storage in a pumped storage power station is investigated in order to cover two energy-intensive sectors with the economical double use of water as an energy medium. With this double application the energy output compared to separate storage usage can be considerably increased.
Underground power stations are independent of topography, so this storage concept can be used for district heating supply. One possible vision is to stor solar energy into the water reservoir of a pumped storage power station in the summer months and transfer it in the high-demand winter months. In order that pumped storage power stations can keep functioning at high and seasonally fluctuating water temperatures and simultaneously store thermal energy efficiently, some adaptations of the structures and the pressure tunnel layout are necessary.
Die Wasserkraft ist die älteste und meistgenutzte erneuerbare Energieressource zur Bereitstellung mechanischer Arbeit und elektrischer Energie. Der Energieträger Wasser dient außerdem in bewährten Pumpspeicherkraftwerken der sehr effizienten elektrischen Energiespeicherung. Darüber hinaus wird Wasser aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität als gängigstes thermisches Energiespeichermedium verwendet. In einer Studie wird die Kombination elektrischer und thermischer Energiespeicherung in einem Pumpspeicherkraftwerkssystem untersucht, um mit der wirtschaftlichen Doppelnutzung des Energieträgers Wasser zwei energieintensive Sektoren zu bedienen und den Energieumsatz gegenüber der jeweiligen separaten Nutzung deutlich zu erhöhen. Unterirdische Kraftwerksanlagen sind unabhängig von topographischen Gegebenheiten, wodurch dieses Speicherkonzept zur Fernwärmeenergieversorgung umgesetzt werden kann. Eine mögliche Vision ist, thermische Solarenergie über Sommermonate in den Wasserkörper eines Pumpspeicherkraftwerks einzuspeisen, um diese in die verbrauchsintensiven Wintermonate zu transferieren. Damit Pumpspeicherkraftwerke bei hohen und saisonal schwankenden Wassertemperaturen funktionsfähig bleiben und gleichzeitig thermische Energie effizient gespeichert werden kann, sind Anpassungen der baulichen Komponenten und der Triebwasserführung erforderlich.

In 1988 the Tonstad power plant (Norway) was upgraded from 640 to 960 MW. The headrace system to the reservoirs was not upgraded except for an additional pressure shaft, surge tank and an additional sand trap. Even with about 50 % higher discharge in the main tunnel, the sand traps worked adequately after the commissioning. However, in recent years, higher flexibility of demand is challenging the power plant and has resulted in events with flushing of sediments to the turbines. Higher flexibility demands also challenge the current surge tank design. During one event, free surface flow is believed to have occurred in the sand trap since severe damage to two of the turbines was observed. This contribution presents the background of the power system situation at the Tonstad power plant and the current flexibility demands of the power market and its challenges for the hydraulic system, as well as the proposals to solve the sand trap issues and the oscillation demands for the surge tank. The paper discusses the possibility of utilizing a model predictive controller with real-time flow simulations to solve the challenges without structural reconstruction, and possible options should structural reconstruction be necessary. The contribution compares analysed options for improving the efficiency of sand traps. Finally, an outlook is offered to future demands for flexibility in hydropower plants with increasing supply of renewable power sources.

Special considerations are required for the support of tunnels in fault zones. On the one hand, standard support elements are not compatible with the imposed displacements. On the other hand, local shearing can cause damage to the lining already at rather small displacements magnitudes. Cracks in the lining frequently are observed, when the geometry of the tunnel changes, or at the intersection with cross passages. As strengthening of the lining in many cases cannot prevent damage, temporarily leaving an open gap in the primary lining. Implementing yielding elements into the lining is as well feasible, as economical increasingly replaces the traditional method of leaving open gaps. This results in a better utilization of the lining's capacity and a considerable reduction of displacements. As the lining with integrated yielding elements develops considerable thrust, a transfer of the loads via the construction joints is required. Thus, careful construction of those joints is essential. Another problem can be the bond between bolt, grout, and rock mass, as the bolts are installed, when the displacement rate is highest, and the strength of the grout still low. This paper deals only with phenomena caused by discontinuities and large displacements, and does not address other hazards, like flowing ground.
Der Tunnelbau in Störungszonen stellt ganz besondere Herausforderungen an den Ausbau. Zum einen sind die üblicherweise verwendeten Ausbaumittel mit den zu erwartenden Verformungen nicht kompatibel. Andererseits kann es, bedingt durch lokalisierte Scherverschiebungen an Trennflächen auch schon bei kleineren Verformungen zu Schäden an der primären Stützung kommen. Risse in der Spritzbetonschale treten häufig auch bei Querschnittswechseln oder beim Ansatz von Querschlägen auf. Da häufig eine Verstärkung der Schale Schäden nicht verhindert, ist bei höherer Überlagerung das Belassen eines offenen Schlitzes in der Spritzbetonschale zweckmäßig und wirtschaftlich. Anstelle der früher üblichen offenen Schlitze in Störungszonen werden zunehmend Stauchelemente eingesetzt, was zu einer besseren Auslastung der Schale und damit zu einer deutlichen Reduktion der Verformungen führt. Durch die bessere Auslastung der Schale kommt auch der Ausführung von Arbeitsfugen vermehrt Bedeutung zu. Problematisch kann auch der Verbund zwischen Felsbolzen, Mörtel und Gebirge bei höheren Deformationsraten während der Aushärtung des Mörtels sein. Dieser Beitrag beschäftigt sich nur mit Phänomenen, die durch Trennflächen und große Verformungen hervorgerufen werden. Andere Mechanismen wie fließendes Gebirge werden hier nicht diskutiert.

The Semmering Base Tunnel with a total length of approx. 27 km is being driven through a complex system of fault zones. During the investigation period, technically demanding site investigations were carried out to obtain information on geological and hydrological conditions including the determination of the strength and stiffness of the faulted zones. The results formed the basis for the geotechnical design, performed according to the Guideline for the Geotechnical Design of Underground Structures with Conventional Excavation published by the Austrian Society for Geomechanics. According to the regulations, the system behaviour must already be tested against the designed support measures during the design stage. In this case the behaviour was assessed using a complex 3D Finite Element model. The expected and therefore predicted system behaviour represents the baseline for the observational method.
Der Semmering Basistunnel mit einer Gesamtlänge von ca. 27 km wird in einem äußerst komplexen Störungssystem vorgetrieben. Im Vorfeld wurden aufwändige Baugrunderkundungen angestellt, die auch umfangreiche Untersuchungen der hydraulischen Bedingungen sowie die Bestimmung der Festigkeit bzw. Steifigkeit des Gebirges in den Störungszonen umfassten. Die Ergebnisse der Vorerkundung bildeten die Basis für die Planung gemäß ÖGG Richtlinie für die geotechnische Planung von Untertagebauten mit zyklischem Vortrieb. Der Richtlinie entsprechend ist bereits im Planungsprozess das Systemverhalten bei der Festlegung der Baumaßnahmen zu überprüfen. Im gegenständlichen Fall wurde die Systemantwort anhand eines 3D Finite Elemente Modells ermittelt. Das erwartete und somit prognistizierte Systemverhalten stellt die Ausgangsbasis für die Beobachtungsmethode dar.

During the construction of the Semmering Base Tunnel, Lot SBT1.1, the drives have already encountered several fault zones in the Greywacke Zone. Because of the high overburden, the exact position of these fault zones is unknown at tunnel level; a common problem for all tunnelling projects in mountainous regions. Simple exploration drilling techniques such as percussion drillings, where only cuttings and not cores are won, do not always provide enough information to precisely specify the position of the fault zones or their nature ahead of the face. This is reason enough to examine other possibilities for the short-term prediction of fault zones with differing characteristics ahead of the face. Usually displacement data evaluation provides the basis for a short-term prediction of the system behaviour. However, experiences from Lot SBT1.1 show that applying this approach solely does not always yield satisfying results. A further systematic analysis of selected geological data can improve the short-term prediction. In particular, changes of discontinuity and rock mass characteristics mapped at the tunnel face are analysed to spot significant trends indicating fault zones ahead of the face. These trends are then related to and verified by the results of displacement data evaluation. This combination of rock mass characteristics mapped at the face and state-of-the-art evaluation of displacement data has helped to improve the reliability of short-term predictions during the tunnel excavation.
Beim Vortrieb des Semmering-Basistunnels wurden im Baulos SBT1.1 bisher mehrere Störungszonen in der Grauwackenzone durchörtert. Wie im Gebirgstunnelbau mit größeren Überlagerungen üblich, ist die metergenaue Lage dieser Störungszonen auf Tunnelniveau nicht bekannt und Tastbohrungen von der Ortsbrust aus nicht immer aussagekräftig. Diese Umstände wurden als Anlass genommen, die Möglichkeiten einer Kurzzeitprognose von Störungszonen zu evaluieren. Dieser Beitrag zeigt die Auswirkungen von Störungszonen unterschiedlicher Ausprägung auf das Systemverhalten des Tunnels bei der Durchörterung. Die systematische Analyse der geotechnischen Messdaten bildet hierzu eine elementare Grundlage, führt aber alleine nicht immer zum Ziel. Anhand der Erfahrungen beim Baulos SBT1.1 wird gezeigt, dass auch eine systematische Auswertung ausgewählter geologischer Parameter und geotechnische Beobachtungen beim Vortrieb wichtige Grundlagen für eine Kurzzeitprognose bilden können. Die Entwicklung des Gefüges und der geotechnischen Eigenschaften des Gebirges an der Ortsbrust im Nahbereich von Störungszonen wird analysiert und mit den Ergebnissen der geotechnischen Messungen korreliert. Die Kombination dieser Beobachtungen mit der Messdatenauswertung soll ein frühzeitiges Erkennen von Änderungen in den geotechnischen Verhältnissen, insbesondere von Störungszonen, im Vortrieb erleichtern.

In rock formations prone to karstification, there are no or only limited geological/hydrological principles that enable safe prognosis of the existence and location of karst and fault structures. The application of geophysical methods offers a high efficiency of detection and localisation of faults, cavities and karst structures, and when combined with targeted verification drillings, provides an extensive three-dimensional structural investigation of rock formations. Four examples of geophysical karst and fault investigations in German tunnelling are presented here to demonstrate the innovative technologies and their respective survey results that in all cases contributed to a safe excavation process and later operation of the tunnels.
In verkarstungsfähigen Gesteinsformationenexistieren keine oder nur eingeschränkt gültige geologisch-hydrologische Gesetzmäßigkeiten, die eine sichere Prognose der Existenz und räumlichen Lage von Karst- und Störungsstrukturen ermöglichen. Daher kann bei der Karst-, Störungs- und Hohlraumerkundung im Tunnelbau die Geophysik mit hoher Effizienz zur Prospektion eingesetzt werden, da sie, in Kombination mit einer gezielten bohrtechnischen Aufschlusserkundung, eine umfassende räumliche Strukturerkundung der Gesteinsformationen ermöglicht. Anhand von vier Beispielen der geophysikalischen Karst- und Störungserkundung im deutschen Tunnelbau werden die an die jeweilige Aufgabenstellung adaptierten innovativen Messtechnologien vorgestellt und mit konkreten Ergebnissen untersetzt, die in allen Fällen wesentlich zu einem gesicherten Vortrieb sowie zu einer sicheren Betriebsphase der Tunnel beigetragen haben.

Vienna is not only a growing city but also one with a high quality of life. One reason for this is the availability of good public transport services, the heart of which is the subway system, which has been steadily extended for 40 years. In order to relieve Line U6 and provide better conditions for changing trains, an underground route will be constructed for Line 2 in the next few years through the densely built-up 19th century part of the city starting from Rathaus station and running to Matzleinsdorfer Platz. Most of the running tunnels will be bored with an EPB machine while the station tunnels, crossovers and cross passages will be excavated conventionally using the New Austrian Tunnelling Method. Most of the tunnels pass through Miocene silt. In addition, a section with driverless operation and platform doors is planned for the construction of the U5 in order to gain experience for future extensions.
Wien ist nicht nur eine Stadt, die wächst, sondern auch eine mit hoher Lebensqualität. Mitverantwortlich dafür ist auch das gute Angebot an öffentlichen Verkehrsmitteln. Das Herzstück dafür ist das U-Bahnsystem, das seit 40 Jahren stetig erweitert wird. Zur Entlastung der U6 und um bessere Umsteigrelationen zu erhalten, wird in den nächsten Jahren durch die dichtverbauten Gründerzeitviertel eine U-Bahnstrecke für die Linie 2 ausgehend von der Station Rathaus bis zum Matzleinsdorfer Platz errichtet. Ein Großteil der Streckenröhren wird dabei mit einer EPB-Schildmaschine aufgefahren werden, während die Stationen, Gleiswechsel und Querschläge konventionell nach der Neuen Österreichischen Tunnelbaumethode ausgebrochen werden. Zum überwiegenden Teil kommen die Tunnel im Schluff des Miozäns zu liegen. Darüber hinaus wird mit dem Bau der U5 auch eine Strecke mit fahrerlosem Betrieb und Bahnsteigtüren errichtet, um Erfahrungen für den zukünftigen Ausbau zu sammeln.

In the course of several research projects carried out at the Lucerne University of Applied Sciences and Arts, the effect of block rotation on impact on protection embankments has been investigated. The occasion for these experimental studies was the conflicting statements in the literature about the influence of block rotation on impact and the different and mostly very simple models for the design and sizing of such structures. Considering this, both small-scale quasi-2D tests and half-scale 3D tests were performed and evaluated. The test results show that block rotation, which has until now been neglected in the design and sizing of rockfall protection embankments, is actually of great significance. Three rules for the geometry of such structures could be derived from the test results.
An der Hochschule Luzern wurde im Rahmen von mehreren Forschungsprojekten der Einfluss der Blockrotation beim Impakt auf einen Schutzdamm untersucht. Anlass für diese Untersuchungen waren zum einen die widersprüchlichen Aussagen in der Literatur im Hinblick auf den Einfluss der Blockrotation beim Impakt und zum anderen unterschiedliche, meist sehr einfache Modelle für den Entwurf und die Bemessung von solchen Bauwerken. Vor diesem Hintergrund wurden sowohl kleinmaßstäbliche Quasi-2D-Versuche als auch halbmaßstäbliche 3D-Versuche durchgeführt und ausgewertet. Die Versuchsergebnisse zeigen auf, dass der Blockrotation, die bisher beim Entwurf und der Bemessung von Steinschlagschutzdämmen vernachlässigt wurde, eine große Bedeutung zukommt. Aus den durchgeführten Versuchen konnten drei Regeln für die Geometrie solcher Bauwerke abgeleitet werden.
An der Hochschule Luzern wurde im Rahmen von mehreren Forschungsprojekten der Einfluss der Blockrotation beim Impakt auf einen Schutzdamm untersucht. Anlass für diese Untersuchungen waren zum einen die widersprüchlichen Aussagen in der Literatur im Hinblick auf den Einfluss der Blockrotation beim Impakt und zum anderen unterschiedliche, meist sehr einfache Modelle für den Entwurf und die Bemessung von solchen Bauwerken. Vor diesem Hintergrund wurden sowohl kleinmaßstäbliche Quasi-2D-Versuche als auch halbmaßstäbliche 3D-Versuche durchgeführt und ausgewertet. Die Versuchsergebnisse zeigen auf, dass der Blockrotation, die bisher beim Entwurf und der Bemessung von Steinschlagschutzdämmen vernachlässigt wurde, eine große Bedeutung zukommt. Aus den durchgeführten Versuchen konnten drei Regeln für die Geometrie solcher Bauwerke abgeleitet werden.

The New Lyon-Turin Line (NLTL) is an essential component of the “Mediterranean Corridor”, one of the nine TEN-T network corridors, the future “European metropolitan railway” that will promote the movement of people and goods by rail, an ecological mode of transport. The goal is to reduce road transport, which increases pollution and greenhouse gas emissions. The core element of the new line is the 57.5 km Mont Cenis Base Tunnel. The reference geological model is based on the data obtained during the excavation of the inclined access adits at Saint-Martin-La-Porte, La Praz and Modane, including the La Maddalena exploratory tunnel. With the planned investigations completed, all the collected data will allow a technical and economical optimization of the construction phase and operation and maintenance of the line. The impact on water resources is minimized by using a full-round waterproofing system up to a hydrostatic pressure of 10 bar. The expected residual water flows at the portals will be exploited for both drinking water and heating purposes. With 12 % of the tunnels already excavated, there are currently 800 people working on the NLTL. This unique project, with its extraordinary history and innovative features, has been proposed as the subject of an international case study.

This paper deals with the cross-border section of the Lyon-Turin Line, i.e. the 57.5 km long Mont Cenis Base Tunnel between Saint Jean de Maurienne in France and the Susa valley in Italy. Works at Saint Martin La Porte started in 2015 including the 9 km TBM excavation along the south tube of the base tunnel between the access adits of Saint Martin La Porte and La Praz. In order to assemble the TBM, a large underground cavern has been excavated at the end of the Saint Martin La Porte access adit. The size of this cavern, with a length of approximately 45 m, a span of 23 m and a height of 22.2 m, and the geological and geomechanical conditions in the Carboniferous Formation at a depth of about 600 m made this work a challenge. The excavation and support methods adopted are described, together with the rock mass conditions and the observed ground behaviour. The monitoring data obtained during excavation are briefly presented, including the works schedule.

The Lyon-Turin high-speed rail project includes a 57.5 km long twin-tube base tunnel. The design uses data collected from four exploratory tunnels, three in France, completed in 2010, and one in Italy, named “La Maddalena”. Excavation of this 7 km long Italian exploration tunnel was completed in February 2017 using a 6.3 m diameter main beam TBM under exceptionally high overburden of more than 2,000 m under the Ambin mountain slopes, where mild rockbursts were systematically experienced along nearly half of the alignment. The TBM excavated through gneiss and mica schists. Intercepted water inflows were lower than expected in the design phase, with temperature and chemical composition giving useful information. This exploration tunnel is the subject of the present paper.

The Brenner Base Tunnel (BBT) is a straight, flat railway tunnel between Austria and Italy. It runs from Innsbruck to Fortezza (55 km), crossing the main Alpine crest with an overburden up to 1.7 km. Including the connection to the line around Innsbruck, which has already been built and which is the endpoint for the BBT, the total length of the tunnel will be about 64 km. Once finished, the BBT will be the longest underground rail link in the world. A peculiar feature of the BBT is the exploratory tunnel running from one end to the other. This tunnel lies between the two main tunnels and about 12 m below them and is noticeably smaller than the main tubes. So far, a total of 60 km of tunnels have already been excavated in Austria and Italy (access tunnels, exploratory tunnel, main tubes and chambers), driven both by blasting and by TBM. Crossing fault zones is a geological and geomechanical challenge, both for TBM and conventional excavation methods. The Periadriatic fault zone, with a total length of 1 km, has already been driven through. This first step of the project provides an interesting look at the comparison of the predicted rock mass conditions with those that were actually encountered, the rock mass behaviour in fault zones and investigation measures ahead of the tunnel face.

The Semmering Base Tunnel (SBT) is about 27.3 km long and is being driven from the portal at Gloggnitz and from three intermediate construction accesses in Göstritz, Fröschnitzgraben and Grautschenhof. The main components of the tunnel system are the two single-track running tunnels, cross passages at a maximum spacing of 500 m and an emergency station in the middle tunnel section, with two shafts about 400 m deep for ventilation and extraction in case of an incident. For organisational, scheduling and topographical reasons, the tunnel is divided into three construction contracts. The eastern contract section SBT1.1 “Tunnel Gloggnitz” has been under construction since mid 2015. Construction started on contract section SBT2.1 “Tunnel Fröschnitzgraben” at the start of 2014. The western contract section SBT3.1 “Tunnel Grautschenhof” has been under construction since May 2016.
Der ca. 27,3 km lange Semmering-Basistunnel (SBT) wird vom Portal Gloggnitz aus und über die drei Zwischenangriffe Göstritz, Fröschnitzgraben und Grautschenhof aufgefahren. Die Hauptbestandteile des gesamten Tunnelsystems sind zwei eingleisige Tunnelröhren, Querschläge mit einem Abstand von maximal 500 m und eine Nothaltestelle im mittleren Tunnelabschnitt mit zwei ca. 400 m tiefen Schächten zur Be- und Entlüftung im Ereignisfall. Aus organisatorischen, terminlichen und topographischen Gründen ist der Tunnel in drei Baulose unterteilt. Das östlichste Baulos SBT1.1 “Tunnel Gloggnitz” befindet sich seit Mitte 2015 in Bau. Der Baubeginn im mittleren Baulos SBT2.1 “Tunnel Fröschnitzgraben” erfolgte Anfang 2014. Das westlichste Baulos SBT3.1 “Tunnel Grautschenhof” wird seit Mai 2016 gebaut.

The application of 3D laser scanning technology in tunnelling has gained increasing significance in recent years. Laser scanning is an innovative holistic approach for data acquisition in tunnelling regarding the geometrical parameters. It is a distance-based imaging technique for three-dimensional and high-resolution illustration (3D point cloud) of the surrounding rock that can be applied at various times to provide a variety of visualization and analysis possibilities. A new approach deals with excavation forecasting by linking the acquisition of the 3D geometry of previously excavated rounds with the geological documentation of the tunnel face. This approach enables the gathering of information about the expected overbreak or underprofile of subsequent excavation in similar rock conditions. Using this information, an optimization of the borehole positions (especially of the peripheral boreholes) can achieve the best possible excavation profile. This approach offers an improvement of excavation performance and saving potential with regard to excavation quantity and shotcrete consumption. The uniform excavation shape and consistent shotcrete thickness improve tunnel stability and finally increases the service life the tunnel structure.
3D-Laserscanning gewinnt in den letzten Jahren im Tunnelbau - bisher v. a. als Ergänzung zur klassischen Vermessung - immer mehr an Bedeutung. Beim Laserscanning handelt es sich um ein bildgebendes, distanzbasiertes Verfahren, mithilfe dessen hochauflösende, dreidimensionale Darstellungen (3D-Punktwolken) der Umgebung zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst werden können. Dies ermöglicht eine Vielzahl an Visualisierungen und schafft die Voraussetzung für weitere Anwendungsmöglichkeiten. Eine neue Auswertemethode verknüpft die dreidimensionale Erfassung der Ausbruchgeometrie vorangehender Abschläge mit der geologischen Ortsbrustaufnahme und ermöglicht eine Prognose zukünftiger Ausbruchquerschnitte bzw. des zu erwartenden Über- und Unterprofils für zukünftige Abschläge in Bereichen mit vergleichbaren Gebirgsverhältnissen. Mithilfe dieser Information ist es möglich, das Bohrraster (v. a. die Position der Kranzlöcher) so anzupassen, dass ein möglichst profilgerechter Ausbruch erreicht wird. Diese Vorgehensweise birgt neben einer Erhöhung der Vortriebsleistung auch Einsparungspotenziale hinsichtlich der Ausbruchmenge von Gesteinsmaterial sowie des Verbrauchs von Spritzbeton. Durch die gleichmäßigere Hohlraumgeometrie wird eine einheitlichere Spritzbetondicke erreicht, wodurch wiederum die Hohlraumstabilität verbessert und schlussendlich die Lebensdauer des Tunnelbauwerks erhöht werden kann.

The 8.8 km long Boßler Tunnel was tendered in 2012 as a NATM tunnel, although a variant with a tunnel boring machine (TBM) was permitted for the first 2,800 m of the tunnel from the north side. The joint venture Tunnel Albaufstieg ATA won the contract in a negotiation process with the variant TBM for the first 2,800 m. Out of the conviction that a large part of the Boßler Tunnel should be feasible for a TBM, the ATA made an optimisation proposal, according to which extensive additional investigation should be undertaken in the preceding NATM tunnel and to demonstrate the feasibility of extended TBM operation. This concept was successively implemented, with a 55 m deep investigation shaft being sunk and a 20 m long investigation tunnel excavated. The investigations brought the hoped-for improved estimation of the rock mass behaviour and finally convinced all those responsible for the project (client and the contractor) that a TBM drive along the entire length of the tunnel was feasible. This procedure demanded extreme flexibility from all parties involved since the design work mostly had to be undertaken at the last minute.
Der 8, 8 km lange Boßlertunnel wurde 2012 in Spritzbetonbauweise ausgeschrieben. Für die ersten 2.800 m Tunnel von der Nordseite war auch eine Variante mit einer Tunnelvortriebsmaschine (TVM) zugelassen. Die Arbeitsgemeinschaft Tunnel Albaufstieg ATA gewann das Projekt in einem Verhandlungsverfahren mit der Variante TVM für die ersten 2.800 m. Aus der Überzeugung heraus, dass große Teile des Boßlertunnels mit TVM machbar sein sollten, machte die ATA ein Optimierungsangebot, nach dem in den vorlaufenden Spritzbetonvortrieben umfangreiche zusätzliche Erkundungen gemacht werden sollten und damit ein Nachweis für die Machbarkeit der erweiterten TVM erbracht werden sollte. Dieses Konzept wurde sukzessive umgesetzt. Dabei wurden auch zusätzlich ein 55 m tiefer Erkundungsschacht und ein 20 m langer Erkundungsstollen abgeteuft. Die Erkundungen brachten die erhoffte bessere Einschätzung des Gebirgsverhaltens und schließlich die gemeinsame Überzeugung der Projektverantwortlichen des AG und AN, dass eine TVM-Fahrt über die gesamte Länge des Tunnels machbar ist. Diese Vorgangsweise erforderte extreme Flexibilität von allen Projektbeteiligten, da die Planungsgrundlagen meist erst in letzter Minute bereitgestellt werden konnten.

The Tunnel Albaufstieg consortium won the contract with an alternative proposal to drive a section about 2.8 km long of the 8.8 km long Boßler Tunnel with a tunnel boring machine (TBM). The next section, where squeezing conditions were forecast, was to be tunnelled by the shotcrete method according to the tender documents. Manifold and extensive additional investigations delivered the basis for the extension of the TBM drive along the entire length of the Boßler Tunnels. The driving of the section through the Aalenian 1 geology was problem free due to the low strengths and good cuttability of the rock mass combined with its impermeability. The next section in the intercalation of claystone and sandstone of the Aalenian 2 was much more differentiated but managable. The breakthrough of the east bore of the Boßler Tunnel confirms to the responsible people for the client and contractor that the decision to follow the aim of consistent mechanised tunnelling had been correct.
Die Arbeitsgemeinschaft Tunnel Albaufstieg wurde mit einem Nebenangebot beauftragt, das vorsah, von dem rund 8,8 km langen Boßlertunnel eine Strecke von ca. 2,8 km mit einer Tunnelvortriebsmaschine (TVM) aufzufahren. Die daran anschließende mit druckhaften Gebirgsverhältnissen prognostizierte Strecke war nach den Vorgaben der Ausschreibung in Spritzbetonbauweise aufzufahren. Mannigfaltige und in großem Umfang durchgeführte Zusatzerkundungen lieferten die Basis, die TVM-Fahrt über die annähernd gesamte Tunnellänge des Boßlertunnels zu erstrecken. Das Auffahren des im sogenannten Aalenium 1 liegenden Vortriebsabschnitts war aufgrund der geringen Festigkeiten und der guten Lösbarkeit des Gebirges in Verbindung mit der Wasserundurchlässigkeit unproblematisch. Wesentlich differenzierter, aber dennoch gut beherrschbar, gestalteten sich die Vortriebsarbeiten in den anschließenden Wechselfolgen von Ton- und Sandstein des sogenannten Aalenium 2. Der bereits erfolgte TVM-Durchschlag der Oströhre des Boßlertunnels bestätigt den Projektverantwortlichen des Auftraggebers und des Auftragnehmers, dass es die richtige Entscheidung war, das Ziel einer durchgängigen TVM-Fahrt konsequent zu verfolgen.

Impermeable tunnels are usually built conventionally with drill and blast or excavators followed by an inner lining or by mechanized tunnelling method with a segment lining. A combination of both methods on certain sections is commonly used for large tunnels due to geological and geotechnical considerations. The construction of the same section with both methods is not common and seems bizarre.
However, this is exactly what happened at the 8.8 km Boßler Tunnel, part of the new high-speed line Wendlingen-Ulm. Due to a section of about 800 m built by drill and blast as well as geological explorations, the mechanized tunnel drive could be extended. So a solution had to be developed to enable the TBM to pass through the existing tunnel. Design, economic, contractual and technical issues were considered to obtain the best solution: the TBM passed through the existing shotcrete section cutting replacement soil, followed by the installation of precast tunnel segments.
Vereinfacht dargestellt werden tunnelbautechnische Lösungen im Fall druckwasserhaltender Tunnel entweder im konventionellen Vortrieb mittels Spreng- oder Baggervortrieb mit Spritzbetonaußenschale und Betoninnenschale oder im maschinellen Vortrieb mittels Tunnelvortriebsmaschine (TVM) mit gedichtetem Tübbingausbau realisiert. Die kombinierte Bauweise eines Tunnels in Spreng- und Maschinenvortrieb ergibt sich i. d. R. bei langen Tunneln mit signifikanten geologisch-geotechnischen Einschränkungen. Die zweifache Herstellung desselben Streckenabschnitts unter Verwendung unterschiedlicher Bauweisen erscheint sonderbar und nicht alltäglich.
Beim 8,8 km langen Boßlertunnel der Neubaustrecke Wendlingen-Ulm ist aber gerade dies geschehen: Ein bereits konventionell aufgefahrener ca. 800 m langer Streckenabschnitt sowie weiterführende Erkundungsmaßnahmen ermöglichten aufgrund neuer geologischer Erkenntnisgewinne die weitere Erstreckung des TVM-Vortriebs über das ursprüngliche Soll hinaus. Jedoch musste hierfür eine Lösung gefunden werden, die TVM durch den bereits hergestellten Streckenabschnitt zu bringen. Planerisch, wirtschaftlich, vertragstechnisch sowie bautechnisch mussten diverse Szenarien unter vollem ingenieurtechnischen Einsatz aller am Projekt Beteiligten erörtert werden, um am Ende die beste - und schließlich erfolgreiche - Lösung zu erhalten: Die Durchfahrt einer TVM im Vortrieb durch einen bereits in Spritzbetonbauweise aufgefahrenen Bereich mit Ersatzboden und nachfolgender Tübbingauskleidung.

The 9, 468 m long twin-bored Fildertunnel is the longest railway tunnel of the Stuttgart 21 project. The maximum overburden is approximately 220 m, the tunnel tubes lie up to 60 m below the water table and the distance between the cross-passages is approximately 500 m. The precast concrete segments for the mechanised excavation of the Fildertunnel are equipped with measuring devices in proximity of the cross-passages to assess the lining strains prior to the construction of the cross-passages and to serve as a basis for the further design. The lining stresses are derived by applying an appropriate calculation method, which transforms the measured strains into material stresses, hence achieving the active load configuration. The strains measured on the outside and inside of the lining with embedded vibrating wire strain gauges are converted into stresses and internal forces, enabling a direct assessment of the internal forces along the entire circumference of the segmental lining. In this article the measurement results in the area of the cross passages 6a and 7a of the Fildertunnel are described and interpreted. The significant internal forces in the segments after their installation and their time development are described, their dependence on influence factors such as self-weight, thrust forces, grout pressure, rock mass and water pressure is discussed and the results are compared to the design calculation.
Der zweiröhrige Fildertunnel ist mit einer Länge von 9.468 m der längste Eisenbahntunnel des Projekts Stuttgart 21. Die maximale Überlagerung beträgt circa 220 m, die Tunnelröhren liegen bis zu 60 m unter dem Grundwasserspiegel und die Verbindungsbauwerke sind in einem Abstand von ca. 500 m angeordnet. Um die Auslastung des Tübbingausbaus und die vorherrschende Belastungssituation vor der Herstellung der Verbindungsbauwerke zu berechnen und fundierte Kenntnisse für die weitere Planung zu erhalten, werden beim TVM-Vortrieb Tübbingsegmente mit Messeinrichtungen (Schwingsaitendehnungsaufnehmer) eingebaut. Die Dehnungsmessungen der berg- und hohlraumseitigen Schwingsaitendehnungsaufnehmer werden in Spannungen umgerechnet. Anhand geeigneter Umrechnungsmethode können die Schnittkräfte aus den ermittelten Spannungen über den gesamten Umfang des Tübbingrings abgebildet werden. Im vorliegenden Beitrag werden die Messergebnisse im Bereich der Verbindungsbauwerke 6a und 7a des Fildertunnels dargestellt und ihre Auswertung präsentiert. Die tatsächlichen Beanspruchungen der Tübbinge nach dem Einbau und die zeitliche Entwicklung der Beanspruchung werden in Abhängigkeit von den Einflussfaktoren Eigengewicht, Vortriebspressenkräfte, Mörtelverpressdruck, Gebirgsdruck und Wasserdruck ermittelt und den Berechnungsergebnissen gegenübergestellt.

As part of the Stuttgart 21 infrastructure project, German Railways is building a four-line railway bridge across the River Neckar in Stuttgart, work started in 2016.
The Neckar railway bridge has an overall length of 345 m and has two abutments and six support axes. The structure crosses rail lines from the urban transit (Stadtbahn), the main trunk road B 10, inner city roads, the Neckar River, pedestrian and cycle ways as well as diverse public and private utilities.
The bridge structure is located within the core mineral water protection zone, with its strict restrictions regarding the permissible depth of penetration into the subsoil and groundwater reservoirs. The mineral water springs lie within the construction site 26 m below the surface as artesian aquifers with an artesian pressure of ca. 10 m above ground level. From a groundwater management perspective, and following a program of five ground investigations and their evaluation, a raft foundation at the mid-level of the lower Keuper, built using cut-and-cover technique with a compressed air caisson, was chosen as the most economical foundation type for the three primary supports.
A further programme of hydrochemical and geomechanical ground investigations was undertaken during the construction design phase. Following an evaluation of these additional ground parameters, it was possible to replace the compressed air caisson with a more economical deep foundation using large diameter piles. A management concept for possible scenarios was needed for the large diameter pile construction to achieve the required consent for exceptions from the ban on ground penetration in the area of the mineral springs.
Im Rahmen des Infrastrukturprojekts Stuttgart 21 errichtet die Deutsche Bahn in Stuttgart seit Anfang 2016 eine viergleisige Eisenbahnbrücke über den Neckar. Die Eisenbahnbrücke hat eine Gesamtlänge von ca. 345 m und führt über zwei Widerlager und sechs Pfeilerachsen.
Das Bauwerk überquert Stadtbahngleise, die Bundesstraße B 10, innerstädtische Straßen, den Neckar, Fuß- und Radwege sowie diverse Leitungen. Das Bauvorhaben liegt in der Kernzone des Stuttgarter Heilquellenschutzgebiets mit strengsten Auflagen hinsichtlich zulässiger Eingriffe in den Baugrund und Grundwasserhaltungen. Die Heilquellen liegen im Baufeld ca. 26 m unter Gelände als artesischer Grundwasserleiter mit einem Druckspiegel von rd. 10 m über Gelände vor.
Als schonendste Gründungsvariante der drei Hauptpfeiler hinsichtlich wasserwirtschaftlicher Aspekte wurde nach Auswertung der ersten fünf Baugrunderkundungsprogramme eine Flachgründung auf den Schichten des Unterkeupers mittels Druckluftgründung in Deckelbauweise angesehen. Im Zuge der Ausführungsplanung wurden die hydrochemischen und bodenmechanischen Eigenschaften des Baugrunds mit einem ergänzenden Erkundungsprogramm untersucht. Nach Auswertung aller zur Verfügung stehenden Erkundungsergebnisse konnte von einer Druckluftgründung auf eine wirtschaftlichere Tiefgründungsvariante mit Großbohrpfählen umgeplant werden. Um eine Genehmigung der erforderlichen Eingriffstiefen in der Kernzone des Heilquellenschutzgebiets zu erhalten, mussten im Vorfeld Handlungskonzepte für unterschiedliche Szenarien bei der Herstellung der Großbohrpfähle ausgearbeitet werden.