The clogging of Tunnel Boring Machine (TBM) tools by soils has long been investigated, owing to the numerous difficulties arising in shield tunnelling as a result. Its occurrence leads to operation delays owing to the frequent and lengthy interventions required to unblock the soil stuck to the excavation tools and screw conveyor. Several authors have proposed laboratory tests for evaluating the clogging potential, however, those include limitations, such as not considering the clay fraction in a soil. One of these methods is the empirical stickiness evaluation, whereby a mixer and a beater are used to define a clogging evaluation parameter. Following an extended test campaign using soils with different clay contents and minerals, it became clear that this method was not adequate to provide reliable information regarding the tendency of a soil to clog in a tunnel drive. A new device was then implemented, which adds to the first method a kinetic energy impulse via dropping of the beater from a certain height. This combination of methods could provide a reasonable approximation of the potential for clogging to occur along Earth Pressure Balance Machine (EPB) tunnel drives. This paper presents the results of the proposed combined methodology for clogging evaluation, as well as the research evolution that led to the addition of the beater dropping stage.

The Institute of Rock Mechanics and Tunnelling at the Graz University of Technology was founded in 1992. From the beginning, the primary focus of research and development was on Alpine tunnelling and slope stability issues, considering geological conditions and their impact on construction. The aim was to improve the current practice, as well as to reduce uncertainties. The research areas can be roughly grouped into rock mass characterization, improvement of monitoring data interpretation, ground behaviour assessment, as well as development and improvement of support elements. The research is documented in about 110 master theses and 30 doctoral theses, and approximately 350 papers.
Das Institut für Felsmechanik und Tunnelbau der Technischen Universität Graz wurde 1992 gegründet. Von Beginn an lag der Schwerpunkt der Entwicklung und Forschung auf dem Gebiet des alpinen Tunnelbaus und der Hangstabilität unter Berücksichtigung der geologischen Verhältnisse und der Auswirkungen auf den Bau. Ziel war, die gängige Praxis zu verbessern und die Unsicherheiten zu reduzieren. Die Forschungsgebiete können grob in die Bereiche Gebirgscharakterisierung, Verbesserung der Methoden der Messdateninterpretation, Gebirgsverhalten sowie Entwicklung und Verbesserung von Stützmitteln unterteilt werden. Die Ergebnisse sind in rund 110 Diplom- und Masterarbeiten sowie etwa 30 Dissertationen und 350 Artikeln dokumentiert.

Displacement curves in tunnelling depend both on time and the distance from the face and have thus not died down immediately after excavation. Therefore - the applied shotcrete lining experiences temporally variable loading, which depends on the forced strain curve and on the material behaviour of the shotcrete. Overloading of the shotcrete lining leads to crack formation, costly and laborious repair work and possibly also to dangerous situations for those present at the location, and should therefore be prevented. With the method presented in this article, which combines geological-geotechnical parameters and the interpretation of measured displacement data, the accuracy of the short-term prediction of the system behaviour can be improved. This makes it possible to react early to any potential overloading of the planned support and adapt it if necessary (e.g. changeover to ductile support). The article concludes with an explanation of the method through the example of the Semmering Base Tunnel, contract SBT 1.1 - Tunnel Gloggnitz.
Verschiebungsverläufe im Tunnelbau sind sowohl zeit- als auch vom Ortsbrustabstand abhängig und somit nicht sofort nach dem Ausbruch abgeklungen. Daher erfährt die aufgebrachte Spritzbetonschale eine zeitlich variable Auslastung, die vom aufgezwungenen Dehnungsverlauf und vom Materialverhalten des Spritzbetons abhängt. Eine Überbeanspruchung der Spritzbetonschale führt zur Rissbildung, zu kosten- und zeitintensiven Sanierungsarbeiten und gegebenenfalls zu gefährlichen Situationen für das Personal vor Ort und sollte somit verhindert werden. Mit der in diesem Beitrag präsentierten Methode ist es möglich, anhand einer Kombination von geologisch-geotechnischen Parametern und der Messdateninterpretation von Verschiebungsverläufen die Prognosesicherheit des Systemverhaltens zu erhöhen. Damit kann bereits frühzeitig auf eine allfällige Überbeanspruchung des geplanten Ausbaus reagiert und dieser gegebenenfalls vor Ort angepasst werden (z. B. Umstellung auf duktilen Ausbau). Der Beitrag schließt mit der Erläuterung der Methode an einem Fallbeispiel vom Semmering-Basistunnel, Baulos SBT 1.1 - Tunnel Gloggnitz, ab.

This contribution highlights recent developments in the analysis and monitoring of tunnel linings based on so-called hybrid methods. In this context, the word “hybrid” refers to a suitable combination of measurement data from geotechnical monitoring, with advanced simulation tools of engineering mechanics. The first part of this contribution refers to the New Austrian Tunneling Method (NATM), where monitoring during construction includes daily measurements of the 3D displacement vectors of “measurement points” installed in “measurement cross-sections”. Shell theory-informed spatial and temporal interpolation of the displacements between the aforementioned “grid points”, allows for reconstructing the evolution of the displacement and strain fields throughout the tunnel shell. Feeding these fields into realistic thermo-chemo-mechanical, potentially multiscale, models for the chemically hardening and creeping shotcrete, allows for the determination of the lining stresses over time. The latter give access to corresponding safety indicators or utilization degrees considering the evolving strength of shotcrete; and they also allow for quantifying the traction forces acting from the rock mass, on the exterior boundary of the tunnel lining. The second part of this contribution refers to the first steps towards the hybrid analysis of segmental lining, as installed in mechanized tunnelling. Relative rotation angles, as measured, in the course of a full-scale test, in the joints between adjacent segments of a segmental ring, are prescribed on a structural mechanics model based on analytical solutions from circular arch theory.
Dieser Beitrag behandelt neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Strukturanalyse und Überwachung von Tunnelschalen auf Basis sogenannter hybrider Methoden. Das Wort “hybrid” bezieht sich hierbei auf eine passende Kombination von Messdaten aus der Bauwerksüberwachung mit Simulationswerkzeugen der technischen Mechanik. Der erste Teil des Beitrags betrifft die Neue Österreichische Tunnelbaumethode (NÖT), bei der täglich 3D-Verschiebungsvektoren von in Messquerschnitten befindlichen Messpunkten während des Vortriebs gemessen werden. Mittels eines auf der Schalentheorie basierenden, räumlichen und zeitlichen Interpolationsverfahrenes werden aus den bekannten Messpunktverschiebungen die sich über die gesamte Tunnelschale erstreckenden Verschiebungs- und Verzerrungsfelder rekonstruiert. Einsetzen dieser Felder in realistische thermo-chemo-mechanische, potenziell mehrskalige Materialmodelle für aushärtenden und kriechenden Spritzbeton erlaubt die Ermittlung der Spannungen in der Schale. Daraus können quantitative Sicherheitsindikatoren oder Auslastungsgrade berechnet werden sowie die Spannungen an der Kontaktfläche zwischen Spritzbetonschale und Baugrund. Der zweite Teil des vorliegenden Beitrags behandelt erste Schritte auf dem Weg zu einer hybriden Methode für einen Tübbingausbau bei einem maschinellen Vortrieb mittels Tunnelvortriebsmaschinen. Relativdrehwinkel, die in den Gelenken zwischen benachbarten Segmenten eines Versuchs im Originalmaßstab an einem Tübbingring gemessen wurden, werden als kinematische Übergangsbedingungen auf ein strukturmechanisches Modell aufgebracht. Letzteres basiert auf analytischen Lösungen der Theorie kreisförmiger Bögen.

When using shield machines, the excavation support is established using prefabricated concrete segments. The structurally required cavity between the built ring and the rock mass is usually filled with pea gravel in hard rock conditions. The backfilled material ensures the necessary bedding and evenly distributes the rock loads. To evaluate the in-situ deformation behaviour of pea gravel, a testing device was developed that measures the reaction of the backfill under load increase and load decrease on the basis of the static load plate test. The test is carried out via the opening for pea gravel injection. The results have shown that the elasticity of pea gravel is predominantly influenced by the load level and the type of loading.
Subsequently, the detectability of possible voids in the annular gap was evaluated by means of ground penetration radar. For this purpose, the feasibility of the measurements was confirmed by a numerical study. Furthermore, the boundary conditions and the propagation behaviour of the electromagnetic waves could be demonstrated. With calibration measurements, the electromagnetic properties of all components involved in the system segmental lining and annular gap were determined. An extensive series of analogue model tests confirmed the detectability of the transitions from dry, wet and water-saturated pea gravel to water- and air-filled voids. In the final series of experiments, the transition between pea gravel and hollow space in the annular gap was successfully detected at on-site installed lining segments.
Beim Einsatz von Schildmaschinen erfolgt der Ausbau des Tunnels durch Tübbingsegmente. Der bautechnisch erforderliche Hohlraum zwischen den Tübbingringen und Gebirge wird bei Hartgesteinsvortrieben in der Regel mit Perlkies verfüllt. Das eingebrachte Material dient dabei der Sicherstellung der erforderlichen Bettung und damit der gleichmäßigen Verteilung der Gebirgslasten. Zur Überprüfung des in situ-Verformungszustands von Perlkies wurde eine Messvorrichtung entwickelt, die auf dem Prinzip des statischen Lastplattenversuchs die Reaktion der Hohlraumverfüllung bei gezielter Be- und Entlastung misst. Die Prüfung erfolgt hierbei über die Perlkiesverblasöffnung. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Verformbarkeit von Perlkies in überwiegendem Maße last- und belastungsabhängig ist.
In weiterer Folge wurde die Detektierbarkeit von möglichen Hohlräumen im Ringspalt mittels Georadar evaluiert. Hierfür wurde mit einer numerischen Modellierung die Durchführbarkeit der Messungen bestätigt. Weiterhin konnten die Randbedingungen und das Ausbreitungsverhalten der elektromagnetischen Wellen aufgezeigt werden. Mit Kalibriermessungen wurden die elektromagnetischen Eigenschaften aller beteiligten Komponenten im System Tübbingausbau und Ringspalt festgestellt. Eine umfangreiche Versuchsserie an Analogmodellen konnte die Messbarkeit der Übergänge von trockenem, feuchten und wassergesättigten Perlkies zu wasser- und luftgefüllten Hohlräumen bestätigen. Bei der abschließenden Versuchsserie wurde schließlich der Nachweis erbracht, dass der Übergang zwischen Perlkies und Hohlraum im Ringspalt unter Tage detektiert werden kann.

Like every civil engineered structure tunnels are subject to an ageing process. The reasons for the degrading of the condition are manifold: not fully completed stress redistribution, deterioration in the rock mass quality through long-term exposure (creeping), weathering or dynamic loads and stresses, to name but a few. All this processes lead to a deformation of the surrounding bedrock and the lining.
For a continuous monitoring of a tunnel condition the measurement of the deformation is necessary. Conventional methods are elaborate and time-consuming and require almost always a shutdown of the tunnel for traffic. Therefore, an inspection is done selectively with large time gaps. A continuous condition assessment becomes hardly possible. Currently no robust method for permanent monitoring of tunnels exists. With a fibre optic measuring method many of these restrictions can be overcome. In the course of this research project, a novel and innovative measuring methodology has been developed to continuously and extensively measure rock deformations. The measurement results were evaluated performing laboratory tests. Subsequently, they were installed in the course of a field test at the Semmering Base Tunnel. With complementary technologies such as laser scanning, the measurement methodology could be verified for its applicability.
Wie jedes andere Ingenieurbauwerk sind auch Tunnel einem Alterungsprozess unterworfen. Die Gründe für eine Verschlechterung des Zustands können vielfältig sein: Nicht abgeschlossene Spannungsumlagerung, Verschlechterung der Gebirgsqualität durch Langzeitbeanspruchung, Verwitterung oder dynamische Beanspruchung, um nur einige zu nennen. Alle diese Vorgänge führen zu Deformationen von Gebirge bzw. Ausbau, die wiederum Schäden verursachen und die Betriebssicherheit beeinträchtigen können.
Zur kontinuierlichen Überwachung des Zustands von Tunneln ist die Messung dieser Deformation notwendig. Dies ist mit herkömmlichen Mitteln aufwändig und erfordert meist eine Tunnelsperre. Daher wird eine Überprüfung nur punktuell und in großen Zeitabständen vorgenommen, wodurch eine laufende Bewertung des Zustands kaum möglich ist. Eine robuste Methode zur permanenten Überwachung von Tunneln existiert derzeit nicht. Mit faseroptischen Messverfahren sind viele dieser Einschränkungen lösbar. Im Zuge eines Forschungsprojekts wurde eine neuartige und innovative Messmethodik entwickelt, um Gebirgsverformungen kontinuierlich und flächendeckend zu messen. Die Messergebnisse wurden anhand eines Laborversuchs überprüft. In weiterer Folge wurden diese im Zuge eines Feldversuchs am Semmering-Basistunnel eingebaut. Mit komplementären Technologien wie Laserscanning konnte die Messmethodik auf ihre Anwendbarkeit verifiziert werden.

The Chair of Subsurface Engineering at the Montanuniversitaet Leoben is part of the Department of Mineral Resources Engineering. Regarding research and development, the chair cooperates with several departments of the university, such as the Departments of Petroleum Engineering, Environmental and Energy Technology, Product Engineering and Polymer Engineering. In addition to the construction of the ZAB, a research and development but also training and education centre at the Styrian Erzberg, some other research projects at the chair have recently been reported in this journal. These include, for example, research on segmental lining design in collaboration with with the ÖBB-Infrastruktur AG, and also topics such as disc force and face monitoring systems for TBMs. This research is deliberately not discussed here; rather research is reported that has received less attention lately. This includes further developments mainly relating to laboratory tests, the research field of rockfall simulations, international research cooperations, and also work on BIM implementation at the ZAB-Zentrum am Berg.
Der Lehrstuhl für Subsurface Engineering der Montanuniversität Leoben ist Teil des Departments Mineral Resources Engineering und kooperiert hinsichtlich Forschung und Entwicklung universitätsintern unter anderem mit den Departments für Petroleum Engineering, Umwelt- und Energieverfahrenstechnik, Product Engineering sowie Kunststofftechnik. Neben der Errichtung des Forschungs- und Entwicklungs- aber auch Trainings- und Ausbildungszentrums ZAB am steirischen Erzberg laufen am Lehrstuhl auch einige Forschungsprojekte, über die in dieser Zeitschrift erst kürzlich berichtet wurde. Dazu gehören beispielsweise Forschungsarbeiten zum Thema Tübbingbemessung, die gemeinsam mit der ÖBB-Infrastruktur AG bearbeitet werden, aber auch solche zu den Themen Diskenkraft- und Ortsbrustbildmonitoring bei TBM-Vortrieben. Auf diese Forschungsarbeiten wird hier bewusst nicht eingegangen; vielmehr wird auf Forschungsarbeiten eingegangen, die in letzter Zeit weniger Beachtung fanden. Dazu gehören Weiterentwicklungen, die vor allem die Laborversuche betreffen, der Forschungsbereich der Steinschlagsimulationen, internationale Forschungskooperationen aber auch Arbeiten zur BIM-Implementation am ZAB - Zentrum am Berg.

In water pressure-relieved rail tunnels, calcium carbonate scaling occurs in tunnel drain pipes. This scaling is caused by the surrounding geology, groundwater or the use of building materials containing cement. If the amount of scale becomes excessive, the drains have to be be cleaned to prevent an increase of the water pressure on the tunnel lining, which can cause damage to the tunnel structure or water ingress. At the moment, the growth of scale in tunnel drainage can only be monitored by camera surveys. This requires closure of the track or the whole tunnel and causes a massive operational restriction. Therefore the ÖBB-Infrastruktur AG project “Task Force Drainage” is looking for ways to monitor the growth of scale without any operating restrictions. Among other measures, an FFG project has been launched, and international knowledge transfer is taking place in the context of Shift2Rail. Various sensors and measuring methods are currently being examined regarding their suitability for this research question, examples including the measurement of differences in electrical resistance and acoustic measurement methods.
In druckwasserentlasteten Eisenbahntunneln entstehen in Bauwerksdränagen oftmals Versinterungen, die ihre Ursache in der umgebenden Geologie, dem Grundwasser oder in eingesetzten zementgebundenen Baustoffen haben. Diese Versinterungen bestehen zumeist aus Calciumcarbonat. Erreichen die Versinterungen ein kritisches Maß, müssen die Rohre gereinigt werden, um zu verhindern, dass sich durch einen Verschluss ein Wasserdruck auf das Tunnelbauwerk aufbauen oder Wasser in den Fahrbereich eindringen kann. Um die Versinterungen in den Rohren zu überwachen, sind derzeit aufwendige Kamerabefahrungen notwendig. Diese erfordern eine Einstellung des Zugverkehrs und führen damit zu einer massiven Betriebseinschränkung. Im Rahmen des Projekts “Task Force Dränagen” der ÖBB-Infrastruktur AG wird nach Möglichkeiten gesucht, das Versinterungswachstum ohne Betriebseinschränkungen überwachen zu können. Dazu wurde unter anderem ein FFG-Projekt ins Leben gerufen. Internationaler Wissenstransfer findet im Rahmen von Shift2Rail statt. Aktuell werden verschiedene Sensoren und Messverfahren auf ihre Eignung für diese Fragestellung untersucht. Beispielhaft seien die Messung von Unterschieden des elektrischen Widerstands und akustische Messverfahren genannt.

The construction of the Gotthard and Ceneri Base Tunnels through the Alps resulted in large quantities of excavated material. Selecting appropriate storage sites for the excavated material is a very important step that is often determined not only by technical criteria but also by external circumstances, a fact that may lead to sites that are not optimally suitable. Managing geotechnically difficult conditions in a professional manner is a decisive prerequisite to make a success of the planning and design process. Applying profound experience furthermore permits optimizations which lead to more efficient utilization of the available storage areas while at the same time maintaining the required structural stability. Such optimizations require detailed geotechnical investigation, careful planning and design, and thorough observation during construction. Furthermore, experience and specialist knowledge of comparable structures are helpful. The Chalchofen storage site at the Gotthard and the Sigirino site at the Ceneri Base Tunnel are used as examples to present a target-oriented approach. The observations and measurements made the projects a success. To ensure a favorable outcome of such construction projects, it is of vital importance that all the parties involved (owner, consultant and checking engineer) work together effectively and efficiently.
Beim Bau der beiden Basistunnel Gotthard und Ceneri durch die Alpen fielen große Mengen Ausbruchmaterial an. Die Standortauswahl für die Ablagerungen stellt einen äußerst wichtigen Schritt dar, der oft nicht nur durch technische Kriterien, sondern auch durch äußere Umstände bestimmt wird, was zu nicht optimalen Standorten führen kann. Der professionelle Umgang mit geotechnisch schwierigen Verhältnissen ist eine entscheidende Voraussetzung für eine erfolgreiche Planung. Die Umsetzung fundierter Erfahrungen erlaubt es zudem Optimierungen vorzunehmen, die eine bessere Ausnutzung der verfügbaren Ablagerungsflächen bei gleichzeitiger Erhaltung der erforderlichen Standsicherheit ergeben. Solche Optimierungen setzen detaillierte geotechnische Untersuchungen, sorgfältige Planungen und intensive Beobachtungen während des Baus voraus. Zudem sind Erfahrungen und Fachkenntnisse von vergleichbaren Strukturen hilfreich. Am Beispiel der Ablagerungen Chalchofen am Gotthard- und Sigirino am Ceneri-Basistunnel wird ein zielführendes Vorgehen aufgezeigt. Die Beobachtungen und Messungen haben die Projekte zum Erfolg gebracht. Für das Gelingen solcher Bauvorhaben ist eine konstruktive Zusammenarbeit aller Beteiligten (Bauherr, Planer und Prüfer) von essentieller Bedeutung.

With the revision of the German contract conditions VOB in 2015, the previously usual soil and rock classes were replaced by homogeneous areas, into which the ground is to be divided according to the condition of soil and/or rock before excavation. Numerous properties and characteristic values also have to be specified with their determined bandwidths. In the tendering process for many works in specialised civil engineering, earthworks and tunnelling, the abrasiveness now always has to be assessed and, if necessary, tested for soil using the LCPC test according to the French standard NF P18-579. This test was originally designed to determine the abrasion and crushability of artificial aggregates and is normally carried out under conditions that are in most cases unrepresentative of the behaviour of natural (mixed grained) soils in-situ. Transfer of the results to the contractually binding ground report required by the VOB is therefore extremely critical, as this article points out based on new investigations with the LCPC test.
Mit der VOB 2015 wurden die bis dahin gebräuchlichen Boden- und Felsklassen durch sogenannte Homogenbereiche abgelöst, in die der Baugrund nun entsprechend dem Zustand von Boden und/oder Fels vor dem Lösen einzuteilen ist. Hierbei sind zahlreiche Eigenschaften und Kennwerte mit ihren ermittelten Bandbreiten anzugeben. So ist bei der Ausschreibung vieler Arbeiten des Spezialtief-, Erd- und Tunnelbaus nunmehr immer auch die Abrasivität zu bewerten und für Lockergesteine - falls erforderlich - mit dem LCPC-Versuch nach der französischen Norm NF P18-579 zu überprüfen. Dieser Versuch ist ursprünglich zur Bestimmung von Abrieb und Brechbarkeit künstlich aufbereiteter Gesteinskörnungen gedacht und wird normgemäß unter Bedingungen durchgeführt, die in den meisten Fällen keineswegs repräsentativ für das Verhalten natürlich gewachsener (gemischtkörniger) Böden in situ sind. Eine Übertragung der Ergebnisse im Hinblick auf die vertraglich bindende Baugrundbeschreibung gemäß VOB ist somit äußerst kritisch zu sehen, wie in diesem Beitrag anhand von eigenen Untersuchungen mit dem LCPC-Versuch aufgezeigt wird.

Cutter consumption and parameters such as cutter ring wear has a great relevance in the overall excavation time and cost in hard rock tunnel boring machines (TBMs), especially in hard rock conditions. Cutter wear involves a complex tribological system that interacts also with the geologicy of the rock mass. Understanding the processes and failure mechanisms during cutter wear (e.g. modes of contact, wear, load effects) and assessing the influence of temperature on cutter ring wear processes enables new knowledge to be applied to get better cutter consumption predictions and future improvements in cutter ring development. In addition, it might be used to evaluate the suitability of the new rock abrasivity test method (Rolling Indentation Abrasion Test, RIAT) for assessing cutter ring wear.

Excessive wear to excavation tools leads to unplanned downtime, which results in additional costs. To predict tool wear during the planning phase of a project, an analysis of the acting tribological system is essential. The different influential factors and interactions have to be considered. The abrasive surface degradation of tools is investigated on a microstructural scale with nano-scratch experiments. Material-dependent variables like hard phase content and size are discussed in terms of the resulting wear-resistance. Using the RUB Tunnelling Device, abrasive surface degradation can be investigated on a more global scale and correlated with the acting tribological system, and the different tribological system components and influential factors can be considered.
Im maschinellen Tunnelbau kann Verschleiß von Abbauwerkzeugen zu unplanmäßigen Stillständen und damit zu hohen Mehrkosten führen. Um den Werkzeugverschleiß im Vorfeld eines Tunnelbauprojekts zielführend abzuschätzen, ist die Analyse des wirkenden tribologischen Systems unter Berücksichtigung der Boden-Werkzeug-Wechselwirkungen, des Belastungskollektivs (Penetration, Drehzahl) und etwaigen Zwischenmedien (Wasser, Bodenkonditionierung) in einem ganzheitlichen Ansatz notwendig. Die Wechselwirkungen zwischen dem Werkzeug und den angreifenden Abrasiven können auf mikrostruktureller Ebene durch Ritzversuche abgebildet werden. In der vorliegenden Arbeit werden Ritzversuche an den verschleißbeständigen Werkstoffen, die in Form von Auftragschweißungen oder als Inlays/Schneidkanten bei Werkzeugen für den maschinellen Tunnelbau Anwendung finden, durchgeführt. Die werkstofftechnischen Einflussgrößen, z. B. Hartphasengehalt und -größe, werden dabei in Bezug auf den Widerstand gegen Furchungsverschleiß diskutiert. Mithilfe des RUB-Tunnelling-Verschleißprüfstands können die auf mikrostruktureller Ebene ablaufenden Einzelritzereignisse zwischen Werkstoff und Ritzindenter und die damit verbundenen Schädigungsprozesse auf einer umfassenderen Größenskala abgebildet und in Bezug auf das wirkende tribologische System analysiert werden.

In hard rock TBM drilling, wear issues play a crucial role in the success of a tunnelling project. Thus, excavation tools must be selected carefully and be adapted to ground conditions. Wear-related changes in the tools that occur over the course of the tools' operating lives must also be taken into account. This paper presents five basic types of macroscopic wear for cutter rings: (1) abrasive/normal wear, (2) tapering, (3) mushrooming, (4) brittle fracture of the cutter ring (special wear type 1) and (5) blockade of the roller bearing (special wear type 2). These basic wear types lead to distinct cutter ring shapes which allow deriving some fundamental characteristics of the interacting rock types. In addition, a microscopic analysis of the surfaces and associated metallographic sections from worn cutter tools has been performed. As a result, the tribological processes under the cutter, leading to tool wear, can be better understood. In summary, the investigations may contribute to a better understanding to make it easier to choose the proper TBM disc cutter for a distinct rock type in order to minimize the risk of tool-related downtimes.

For underground construction projects in the United States and Canada it is standard procedure to use a Geotechnical Baseline Report (GBR) to contractually define subsoil conditions. The GBR sets baselines based on which tunneling contractors develop bids and plan the works. Baseline values for soil abrasiveness are a focus especially where drives with pressurized-face Tunnel Boring Machines (TBM) beneath the groundwater table and in unstable face conditions require changing the cutterhead tools under hyperbaric conditions or in pre-constructed safe havens.
Several laboratory procedures exist that can be used for providing soil abrasiveness baselines in the context of the GBR. However, none of them cover all the soil characteristics that are relevant in causing tool wear. Also, other factors need to be considered for wear rate prediction. Analyzing the performance of previous TBM drives is a proven way to gain insight into the wear system behavior. This paper presents correlation analyses of geotechnical conditions, TBM operational data, and tool wear measurements from several TBM drives in the metropolitan areas of Seattle and Vancouver, B.C. These drives with earth pressure balance and slurry TBMs include various tool types and were conducted in glacial and interglacial deposits that are considered highly abrasive.

Wear to the tools used for excavate the rock mass has a significant relevance for the cost and performance of tunnel drives in hard rock. This applies in particular to mechanised tunnelling processes, where the effect of wear is an important factor for system availability. At the moment, laboratory tests and derived abrasiveness indices like the Cerchar Abrasiveness Index (CAI) or the Rock Abrasivity Index (RAI) provide the basis for evaluation of tool wear. It should however be noted that such index values can only take into account influential factors on the scale of the intact rock. Influential factors on the scale of the rock mass, for example mixed-face conditions, unstable face conditions, blockiness or the primary and secondary stress states at the face, can also be significant for the tool wear that is actually experienced. The possible consequences of such disadvantageous effects, which for example can cause catastrophic failure of tools, can represent many times the abrasiveness of the intact rock.
Der Verschleiß an zur Gebirgslösung eingesetzten Werkzeugen stellt einen wesentlichen, kosten- und leistungsrelevanten Aspekt bei Tunnelvortrieben im Hartgestein dar. Dies gilt insbesondere für maschinelle Vortriebsverfahren, bei der die Auswirkungen des Verschleißes eine wichtige Rolle für die Systemverfügbarkeit spielen. Gegenwärtig bilden Laboruntersuchungen und abgeleitete Abrasivitätsindizes, wie der Cerchar Abrasiveness Index (CAI) oder der Rock Abrasivity Index (RAI) die Grundlage für jegliche Werkzeugverschleißbewertung. Es sollte jedoch beachtet werden, dass solche Indexwerte nur Einflussfaktoren in der Größenordnung des intakten Gesteins berücksichtigen können. Einflüsse im Maßstab des Gebirges, zum Beispiel Mixed-Face-Bedingungen, instabile Ortsbrustverhältnisse, Blockigkeit oder die primären und sekundären Spannungszustände an der Ortsbrust, können eine zusätzliche, signifikante Rolle für den tatsächlich angetroffenen Werkzeugverschleiß spielen. Die möglichen Konsequenzen solcher nachteiligen Effekte, die beispielsweise ein katastrophales Versagen des Werkzeugs verursachen können, können dabei ein Vielfaches der Abrasivität des intakten Gesteins selbst betragen.

Analysis of wear data from a TBM tunnelling project under high overburden shows diverging wear rates on the disc cutters depending on their position in the cutterhead. The disc cutters at inner and middle positions in the cutterhead reach about twice the running distances compared with cutters fitted at pre-gauge positions. This work shows that the construction of the cutterhead has an impact on the degree of abrasive wear, especially for the gauge positions. Moreover, the analysis shows that the in-situ stress state correlates significantly with disc cutter wear.
Working temperatures of disc cutters were also measured and analysed. In general, the measured temperatures are controlled by the transverse velocity of the disc cutters, which depends on the position of the disc cutter in the cutter head. Furthermore, there is a good correlation between the results of the analysis of disc cutter wear and the measured disc cutter temperatures. It is shown that high temperatures and high cutter wear occur at the same positions in the cutterhead.
Die Auswertung von Verschleißdaten aus einem maschinellen Tunnelvortrieb mit Überlagerungen von etwa 1.000 m ergibt stark unterschiedliche Verschleißraten in Abhängigkeit von der Meißelposition im Bohrkopf. Bis zum verschleißbedingten Werkzeugwechsel legen die Brustmeißel an den inneren und mittleren Positionen im Bohrkopf mehr als doppelt so weite Rollstrecken über das Gebirge zurück als die baugleichen Brustmeißel an den äußeren Positionen. Dieser Mehrverschleiß ist einerseits auf die Geometrie und die Konstruktion des Bohrkopfs zurückzuführen, andererseits scheint auch der Sekundärspannungszustand des Gebirges erheblichen Einfluss auf den Abrasivverschleiß zu haben.
Zudem wurden Messungen der Arbeitstemperatur von Schneidringen im Bohrkopf durchgeführt. Grundsätzlich ist die Temperatur der Disken von ihrer Umlaufgeschwindigkeit und damit von ihrer Einbauposition im Bohrkopf abhängig. Darüber hinaus ergibt sich eine gute Korrelation mit den Ergebnissen der Verschleißanalyse, wobei Disken mit überproportionalen Verschleiß auch überproportional hohe Temperaturen erreichen.

This paper presents the pre-construction evaluation of the ground for the Lake Mead Intake No 3 Tunnel and the experience gained from the project, which had the aim of maintaining water supplies for the Las Vegas greater metropolitan area. The construction of this tunnel using a dual-mode slurry shield represents a major engineering achievement, which pushed back the boundaries of closed shield tunnelling: Overcoming an extended fault zone under high hydrostatic pressure in the metamorphic rocks and mucking-out difficulties associated with high rates of water inflow in the sedimentary rocks necessitated closed-mode operation over about 2 km at unprecedentedly high face pressures of up to 14 bar.

The Sydney Harbour crossing is a key element of Sydney Metro City & Southwest, which includes 15.5 km of twin tube running tunnels extending from Chatswood at the north through to Sydenham, south of the Central Buisness District (CBD). One of the key features is the 1 % length of the alignment that passes under Sydney Harbour. The rest of the alignment is through rock, but the harbour crossing is designed to pass through harbour sediments and mixed face conditions undersea. An in depth study and analysis was required to confirm the feasibility of the safe construction of this short length of the tunnel in sub-aqueous, soft ground conditions. It was necessary to carry out detailed, targeted investigation of the ground to enable the selection of an appropriate tunnelling technique for constructing the tunnels.

The contribution takes a glance at the application of BIM technologies in the design and construction phases of shield tunnelling projects. The intention is to show how Building Information Modelling can be translated into actual benefit, not only in the operation phase but also in the design and construction phases of bored tunnels. Emphasising the integrative character of referencing data uniformly in space and time, examples are given of seamless communication between 3D geometrical modelling, efficient numerical simulation and model adaptation based on measured data acquired during the boring process. The article covers the complete range from predesign through structural analysis and detailed design until the actual excavation process including its interactions with the environment. Special emphasis is given to data management, which is the key to transforming a mere 3D visualisation into a Building Information Model. The article therefore presents a concept for database-supported, web-based integration of software modules for geometrical modelling in various levels of detail, efficient numerical simulation tools that are based upon this representation, and process controlling that manages all data acquired during the construction process in a spatially and temporally coordinated reference system.
Der Beitrag wirft einen praxisorientierten Blick auf den Einsatz von BIM-Technologien in der Planungs- und Bauphase von maschinell vorgetriebenen Tunnelbauwerken. Dabei wird aufgezeigt, wie sich Building Information Modelling in einen direkt nutzbaren Mehrwert nicht nur im Betrieb von Tunneln, sondern auch bei der Planung und während des Vortriebs umsetzen lässt. Den integrativen Charakter von einheitlich referenzierter Datenhaltung betonend, gibt der Artikel Beispiele für die nahtlose Kombination von 3D-Geometriemodellierung, effizienter numerischer Simulation und messdatenbasierter Modellanpassung. Dabei wird der Bogen über die Entwurfsplanung, die statische Berechnung und die Ausführungsplanung bis zum Vortrieb und dessen Interaktion mit der Umgebung geschlagen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf das Datenmanagement gelegt, das aus einer reinen dreidimensionalen Visualisierung ein echtes Informationsmodell macht. Dazu wird ein Konzept zur datenbankgestützten und webbasierten informationellen Integration von Softwaremodulen zur geometrischen Modellierung in multiplen Detailstufen, zur darauf aufbauenden effizienten numerischen Simulation des Vortriebsprozesses und seiner Interaktionsprozesse sowie des Prozesscontrollings mit Integration aller während des Schildvortriebs anfallenden Daten in einem räumlich und zeitlich koordinierten Referenzsystem vorgestellt.

The capital of Qatar, Doha is being increasingly turned into a modern centre for industry, trade and sport. One essential precondition for this is the development of high-capacity infrastructure with modern means of transport. This includes the construction of an underground railway network, which has to be completed in a very short time due to the football World Cup taking place in Qatar in 2022. The (part) project “Metro Green Line Underground” was awarded in summer 2013 to a Joint Venture comprised of Porr (lead), the Saudi Binladin Group and the local construction company HBK. It includes the turnkey completion of the underground part of the Green Line in the future underground system. This includes two tunnels with a length of 17 km each, six stations, crossover structures, several emergency exits and 32 cross passages and two road underpasses. The shield drive for the running tunnels began in late summer 2014 and could be completed after only 18 months of construction time in early 2016. In addition to explaining how the simultaneous operation of six EPB machines was successfully mastered, this article also describes the conventional tunnelling of the various connection and underpass structures under inner-city conditions.
Katars Hauptstadt Doha wird zunehmend in ein modernes Zentrum für Wirtschaft, Handel und Sport verwandelt. Eine wesentliche Grundlage hierfür ist der Aufbau einer leistungsfähigen Infrastruktur mit modernen Transportmitteln. Unter anderem gehört auch die Errichtung eines U-Bahnnetzes dazu, das wegen der im Jahr 2022 in Katar stattfindenden Fußballweltmeisterschaft in kürzester Zeit errichtet werden muss. Das (Teil-) Projekt “Metro Green Line Underground” wurde im Sommer 2013 an ein Joint Venture vergeben, das sich aus der Porr (Federführung), der Saudi Bin Ladin Group und der lokalen Baufirma HBK zusammensetzt. Es enthält die schlüsselfertige Erstellung des unterirdischen Teils der Green Line des zukünftigen U-Bahnnetzes. Dazu gehören zwei Tunnelröhren von einer Länge von je 17 km, sechs Stationen, Wechselbauwerke, mehrere Notausgänge sowie 32 Querschläge und zwei Straßenunterführungen. Der Schildvortrieb für die Hauptröhren begann im Spätsommer 2014 und konnte nach nur 18 Monaten Bauzeit im Frühjahr 2016 abgeschlossen werden. Neben der Erläuterung, wie der gleichzeitige Betrieb von sechs EPB-Schildmaschinen erfolgreich gemeistert wurde, geht dieser Artikel auf den konventionellen Tunnelbau der verschiedenen Verbindungs- und Unterführungsbauwerke unter innerstädtischen Randbedingungen ein.

In order to further increase the transfer of transalpine traffic through Switzerland from road to rail, the Gotthard axis is to be improved to a 4 m corridor. For this purpose altogether 270 km of railway line between Basel and the Italian border is to be improved to a corner height of 4 m by 2020. The largest individual structure is the new Bözberg Tunnel in the canton Aargau. Various options were investigated for the preliminary design. The best variant turned out to be the new construction of a two-track tunnel parallel to the existing tunnel. The existing two-track Bözberg Tunnel, which is not suitable for upgrading to the 4 m standard, will be used as a service and escape tunnel. Various emergency exits lead through five cross passages from the new to the old tunnel. The short construction time of five years until opening on the one hand, and the challenging geology in the Faltenjura with swelling rock mass on the other pose great problems for client, designers, and the contractor. This article reports on these challenges and describes how they have also led to innovative solutions.
Um die Verlagerung der alpenquerenden Gütertransporte von der Straße auf die Schiene durch die Schweiz weiter zu steigern, soll die Gotthard-Achse zu einem 4-Meter-Korridor ausgebaut werden. Dabei werden insgesamt 270 km Eisenbahnstrecke zwischen Basel und der italienischen Grenze bis 2020 für Transporte mit einer Eckhöhe von 4 m ausgebaut. Das größte Projekt ist dabei der Neubau Bözbergtunnel im Kanton Aargau. Im Vorprojekt sind verschiedene Varianten untersucht worden. Als Bestvariante erwies sich der Neubau eines doppelspurigen Tunnels in Parallellage zum bestehenden Tunnel. Der bestehende zweispurige und nicht 4-Meter taugliche Bözbergtunnel wird künftig als Dienst-und Rettungsstollen genutzt. Verschiedene Notausgänge führen dabei über fünf Querverbindungen vom neuen zum alten Tunnel. Die kurze Bauzeit von fünf Jahren bis zur Inbetriebnahme einerseits und die anspruchsvolle Geologie im Faltenjura mit quellhaften Gebirge andererseits stellen Bauherr, Planer und ausführende Baufirma vor besondere Herausforderungen. In diesem Beitrag wird über diese Herausforderungen berichtet und dargestellt, wie sich daraus auch innovative Lösungen ergeben haben.

The Port Said Tunnels Project consists of twin road tunnels crossing the Suez Canal with a planned capacity of 2,100 mixed vehicles/hour in each direction. The dual carriageway tunnels are an important part of the Suez Canal Region Development Plan, which will connect the Sinai with other Egyptian provinces to provide a gateway for investment opportunities and speed up the development of Sinai province. The project is located 19 km south of Port Said city, near the northern entrance of the Suez Canal. The tunnels are constructed using slurry shield TBMs in difficult ground conditions, including the presence of methane gas. This paper demonstrates the main challenges encountered during tunnelling and the measures taken to mitigate potential risks during construction and to control long-term differential settlements in the upper, very soft soil. The tunnels are connected by two cross passages which are being constructed using ground freezing and conventional tunnelling.

Integration of national railway systems into a European network is a prerequisite for a sustainable competitive edge of the railway sector. With its current extensive project portfolio and its role in the European Baltic-Adriatic Corridor, the southern line in Austria is positioned to successfully face future requirements. Furthermore, the establishment of new railway infrastructure is not only geared towards international transport operations in passenger and freight service, but also towards satisfying national and regional needs. The expansion of the southern line correlates with projects in the partner countries along the corridor and is in line with economic trends, both domestically and in greater Europe. Once a neglected line in the railway expansion program of recent decades, the southern line is now benefiting from considerable developments, including the on-going commissioning of several major projects in a 10 to 12-year period. Currently, the expansion strategy is based on the Transport Forecast Austria and the Target Network 2025+. Additional expansions for sections such as towards the Slovenian border as well as concepts for the existing southern line are subject to on-going evaluation with regard to actual traffic developments and will be developed in line with respective needs.
Die Integration nationaler Bahnsysteme in ein europäisches Netzwerk ist die Voraussetzung für die nachhaltige Wettbewerbsfähigkeit der Eisenbahn. Die Südstrecke in Österreich als Teil des europäischen Baltisch-Adriatischen Korridors erfüllt mit ihrem aktuellen umfangreichen Projektportfolio die zukünftigen Anforderungen. Dabei wird die neue Bahninfrastruktur nicht nur für den internationalen Personen- und Güterverkehr, sondern auch für den nationalen und regionalen Bedarf geschaffen. Der Ausbau der Südstrecke korreliert mit Projekten in den Partnerländern des Korridors und steht im Einklang mit den wirtschaftlichen Trends in Europa und Österreich. In den letzten Jahrzehnten im nationalen Ausbauprogramm der Eisenbahn hintenangestellt, kann die Südstrecke nun ein Bündel laufender Inbetriebnahmen von Großprojekten in einem Zeitraum von zehn bis zwölf Jahren aufweisen. Aktuell basiert die Ausbaustrategie auf der Verkehrsprognose Österreich und dem Zielnetz 2025+. Weiterführende Ausbauten für Abschnitte, wie jene zur slowenischen Grenze oder Konzepte für die Bestandsstrecken der Südstrecke, werden laufend einer Evaluierung hinsichtlich der tatsächlichen Verkehrsentwicklungen unterzogen und bedarfsorientiert weiterentwickelt.

The opening of the Semmering Base Tunnel (SBT from timetable change in 2026/27) will change the characteristics of the Baltic-Adriatic axis from a mountain railway to a flat trajectory. This will revalue the trans-European route in the Austrian segment with lasting effect. In future, the railway station at Mürzzuschlag will play an even more important role in the Baltic-Adriatic axis than today. The connection to the metropolitan area of Vienna will bring a time saving for long-distance passenger traffic of about 30 minutes. The rail freight traffic will profit from the fact that train will no longer run over the mountains. The enlargement of the park & ride facility, the improved connection to public transport as part of the transformation of the forecourt, the enlargement of the ASC location and the adaptation of the existing station buildings will improve Mürzzuschlag station with lasting effect.
Mit der Inbetriebnahme des Semmering-Basistunnels (SBT) ab Fahrplanwechsel 2026/27 ändert sich die Charakteristik der Baltisch-Adriatischen-Achse von einer Bergbahn zur Flachbahn, und die transeuropäische Route im österreichischen Abschnitt wird somit nachhaltig aufgewertet. Der Bahnhof Mürzzuschlag wird zukünftig eine noch stärkere Rolle auf der Baltisch Adriatischen Achse einnehmen als heute. Die Verbindung in den Großraum Wien wird eine Zeitersparnis im Personenfernverkehr von rund 30 Minuten bringen. Der Güterverkehr profitiert davon, dass die Zugfahrten nicht mehr über Bergstrecken geführt werden müssen. Durch die Erweiterung der Park-and-Ride-Anlage, verbesserte Anbindung an den öffentlichen Personennahverkehr durch die Umgestaltung des Vorplatzes, die Erweiterung des ASC-Standorts und Anpassung der bestehenden Hochbauten wird der Bahnhof Mürzzuschlag nachhaltig attraktiviert.

The intermediate construction access at Göstritz was planned based on the results of a comprehensive geological investigation programme. The intermediate access minimises the risk of the excavation of the Semmering Base Tunnel through the Grassberg-Schlagl fault system, which is located in the Otterstock area in Lower Austria. The site consists of an approx. 1000 m long access tunnel, a complex system of shaft head caverns, two shafts with a depth of about 250 m down to the level of the tunnel as well as a system of shaft bottom caverns for the four tunnel drives in the directions of Gloggnitz and Mürzzuschlag. During the construction of the access tunnel, a new shaft head layout was proposed by the contractor in form of value engineering to optimize further construction operation, and the optimized layout was adopted to the contract. At the end of the access tunnel, it turned out that the shaft head cavern system could neither be constructed in the original layout as tendered nor in the newly revised layout due to a geological fault zone, which had not been predicted despite extensive geological investigation in advance. Consequently, ÖBB, designer and contractor worked intensively to find a new feasible design to enable further construction of the cavern system, avoid a standstill of tunnelling works and comply with all approvals.
Für einen risikominimierenden Vortrieb des Semmering-Basistunnels durch das Grasberg-Schlagl-Störungssystem im Bereich des Otterstocks in Niederösterreich wurde nach einem umfangreichen geologischen Erkundungsprogramm in der Planungsphase der temporäre Zwischenangriff Göstritz entwickelt. Der Zwischenangriff besteht aus einem rd. 1.000 m langen Zugangstunnel, einem komplexen Schachtkopfkavernensystem, zwei auf Tunnelniveau führenden, jeweils rund 250 m tiefen Schächten und einem Schachfußkavernensystem für die Baulogistik der insgesamt vier Streckenröhrenvortriebe Richtung Gloggnitz und Mürzzuschlag. Nach dem Beginn der Vortriebsarbeiten für den Zugangstunnel im April 2016 hat der Auftragnehmer ein auf seinen vorgesehenen weiteren Baubetrieb hin optimiertes Schachtkopflayout als Value Engineering eingereicht. Am Ende des Zugangstunnels stellte sich heraus, dass trotz der umfangreichen vorangegangenen Erkundung die Errichtung des Schachtkopfbereichs aufgrund einer nicht prognostizierten Störungszone weder in der ausgeschriebenen noch in der adaptieren Form errichtet werden konnte. In einem gemeinsamen Prozess haben ÖBB, Planer und Auftragnehmer den Zwischenangriff so gestaltet, dass eine Errichtung bautechnisch und ohne große Zeitverluste möglich ist und allen bestehenden Genehmigungen entspricht.