The new approx. 21 km long section between Köstendorf and Salzburg is one of the last major milestones in the upgrading of the Salzburg-Vienna rail corridor to four tracks. The section comprises a multitude of different civil engineering structures, posing high demands on the interdisciplinary design team. The open sections of the alignment require many over- and underpasses and road diversions. In addition, the majority of the section runs underground through the Flachgau Tunnel, which has the particular feature of a tunnel bridge. The aim of the BIM project is to provide a software-independent, integrated model of the whole project. All parties involved in the project collaborate to define the LOD for the terrain, existing building, land use and geological models, as well as the models for the proposed new infrastructure for the open section, tunnels, ventilation control building, bridges, civil structures and drainage. The LoD are defined in parallel with the AIA according to the KISTE infrastructure identification system used by ÖBB (Austrian Federal Railways). At the same time, the BIM execution plans are generated by the team and adapted to the new BIM processes. The opportunities provided by the element-based display and evaluation are anticipated to lead to considerable improvements in the field of interdisciplinary design and visualisation studies. The present article describes the current state of work and provides a preview of future developments.
Die ca. 21 km lange Neubaustrecke zwischen Köstendorf und Salzburg ist ein wichtiger Meilenstein für den viergleisigen Ausbau der Strecke Salzburg-Wien. Charakteristisch für diesen Streckenabschnitt ist die große Anzahl an unterschiedlichen Ingenieurbauwerken, die hohe Anforderungen an das interdisziplinäre Planungsteam stellt. Neben der Trassenplanung für die freie Strecke mit einer Vielzahl von Über- und Unterführungsbauwerken sowie Straßenumlegungen verläuft der Großteil der Strecke unterirdisch im Flachgauertunnel und weist als Besonderheit eine Tunnelbrücke auf. Ziel des BIM-Pilotprojekts ist die Erarbeitung eines softwareunabhängigen integralen Gesamtprojektmodells. Die dafür notwendigen Definitionen des LOD für die Bereiche Geländemodell, Bebauungsmodell, Nutzungsmodell, Baugrundmodell sowie für die Entwurfsmodelle der Infrastrukturbauwerke freie Strecke, Tunnelanlagen mit Lüfterzentrale, Brücken, Kunst- und Wasserbauten werden in einem kooperativen Verfahren aller Projektbeteiligen entwickelt und in den AIA festgehalten. Parallel zur Erstellung der AIA werden die LoDs (Elementanforderungen und Attributlisten mit Projektphasenzuteilung) unter Berücksichtigung des ÖBB Anlagenverzeichnissystems “Kiste” definiert. Im gleichen Zuge werden die für die Zielerreichung jeweiligen BIM-Abwicklungspläne im Team erarbeitet und auf die neue integrale BIM-Prozesslandschaft abgestimmt. Durch die Möglichkeiten der elementbasierten Darstellung und Auswertung sind wesentliche Verbesserungen im Bereich der interdisziplinären Planungen und Visualisierungsstudien zu erwarten. Der vorliegende Artikel beschreibt den aktuellen Stand der Arbeiten und gibt eine Vorschau auf zukünftige Entwicklungen.

Tunnelling differs fundamentally from mining, high rise buildings and civil surface construction in many ways, but when it comes to challenges, it combines the toughest from the three worlds. Tunnelling projects inherit uncertainties of ground conditions and constant preparedness for on-site changes from mining; complexity, dynamics and the need for detailing from buildings; and one of the challenges that tunnels inherit from civil surface construction is definitely the complex and curved geometry. To overcome the challenges and exploit the benefits of BIM methodology on tunnelling project it is essential to harmonize particles of existing standards, guidelines, processes and tools from the three worlds.
There are hundreds of specific questions arising from the BIM tunnelling pioneers: Which tool should be used? How can the efficiency of modelling and implementation of changes be increased? Which elements of the primary support structures need to be modelled? Which properties need to be assigned to elements? How to classify the elements? What to do when the performance of the software is over its limits? How should the spatial elements be used? How accurate should specific elements be modelled? And many more. Unfortunately, each of the question generates hundreds of different solutions. Thais article will tackle some of them and provide possible solutions as a result of experience from past projects with the goal of raising the discussion in a wider tunnel engineering society and consequently promoting the development and implementation of BIM methodology in tunnelling.

Three major technical and economic factors of the “Yellow Line” project of the Stockholm subway network justify the decision to apply a BIM-oriented design: (1) Early optimization and risk minimization for cost and time and active counteraction to the loss of information throughout the entire lifecycle of the project, (2) all technical aspects are to be incorporated in the design simultaneously and from early stage onwards, (3) numerous surface and subsurface structures, including tunnels under operation and in vicinity of the new line lead to a complex geometrical layout and geotechnical influences on each of these structures are to be minimized. Commercial 3D/BIM products have proven to be developed for application in surface structure design and new methods had to be established to cope with high quality tunnel modelling, coordination and tunnelling challenges. This publication is addressing the experience and solutions made during the design: Choice of appropriate modelling tools, applied methodology for a structured design process in a multidisciplinary and manifold work environment, accounting to highly complex geologically-geotechnical data, seamless transfer of the model data to numerical analysis tools. The advantages and disadvantages of using BIM methodology are discussed and recommendations with regard to future development are presented.

An essential part of the Koralmbahn line, the Granitztal tunnel chain with a length of about 6.1 km runs between the Lavanttal and the Jauntal valleys and crosses the Deutsch Grutschen, the Granitztal and the Langer Berg. In early 2016, Austrian Railways ÖBB made a decision for the Granitztal tunnel chain project, which was then already under construction, to test the 3D model-based Building Information Modelling (BIM) design method in addition to conventional 2D design. One essential precondition for the application of the BIM method on transport infrastructure projects was recognised as the required data structures. In addition to the definition of general project requirements and standards for BIM, work started on the structuring and classification of the construction elements required for the tunnel structure and their properties. Of equal importance are the spatial positioning and location of the construction elements and the definition of topological relationships to each other.
The article gives an insight into the current state of development of BIM data structures for tunnel structure and track superstructure at the ÖBB and is intended to make a contribution to initiating the development of such data structures by all the disciplines involved in tunneling and transport infrastructure. The prime intention is to provide the BIM data structures produced in this way as an active contribution to the further development of the open BIM standard IFC (Industry Foundation Classes) in the IFC Underground Construction Group at buildingSMART
Als ein wesentlicher Bestandteil der Koralmbahn verläuft die Tunnelkette Granitztal mit einer Gesamtlänge von ca. 6, 1 km zwischen dem Lavanttal und dem Jauntal und quert die Deutsch Grutschen, das Granitztal und den Langer Berg. Im Frühjahr 2016 wurde bei den Österreichischen Bundesbahnen ÖBB die Entscheidung getroffen, anhand des bereits in Ausführung befindlichen Projekts Tunnelkette Granitztal zusätzlich zur konventionellen 2D-Planung die auf einem 3D-Modell basierende Planungsmethode Building Information Modelling (BIM) zu testen. Als essenzielle Voraussetzung für die Anwendung der BIM-Methode in der Verkehrsinfrastruktur wurden die dafür erforderlichen Datenstrukturen erkannt. Neben der Definition von allgemeinen Projektanforderungen und Standards hinsichtlich BIM wurde mit der Strukturierung und Klassifizierung der im Tunnelrohbau erforderlichen Bauelemente und deren Eigenschaften begonnen. Von gleichrangiger Bedeutung sind die Positionierung und Verortung der Bauelemente im Raum und die Definition von topologischen Beziehungen untereinander.
Der Artikel gibt Einblick in den aktuellen Stand der Entwicklung von BIM-Datenstrukturen für den Tunnelrohbau und den Oberbau bei den ÖBB und soll beitragen, die Entwicklung solcher Datenstrukturen bei allen am Tunnelbau und in der Verkehrsinfrastruktur beteiligten Disziplinen anzuregen. Als übergeordnetes Ziel sollen die so entstehenden BIM-Datenstrukturen als aktiver Beitrag zur Weiterentwicklung des Open-BIM-Standards IFC (Industry Foundation Classes) in die IFC-Underground-Construction-Gruppe bei buildingSMART eingereicht werden.

In the context of mined tunnelling, the excavation of the tunnel cross-section is performed with an overcut. The size of the required overcut depends on the expected rock deformation as well as on typical construction tolerances. Likewise, secondary linings are also built with an overcut in order to account for formwork deformation, construction tolerances and deformation due to ground loads. On the other hand, clients usually specify the nominal tunnel geometry, which differs from the overcut geometries previously mentioned. When designing a tunnel according to the BIM method, it should be clarified which geometry should be used to create the geometrical model, since deviations between the target and the overcut geometry can be considerable. To generate a drawing derived directly from the 3D BIM model for tunnel construction use, it is imperative that the geometrical model is created based on the overcut geometry. Only then can the reinforcement quantity or formwork be designed correctly. Only a model based on overcut geometries will yield the correct theoretical masses, which for example could be used for target-actual comparisons. This article outlines the basics of the current 2D design approach; its technical limits are presented and contrasted with the proposed 3D design model. The article further shows how a 3D BIM design model has to be created so that 2D drawings for construction can be derived or created from it. In addition, general recommendations are provided for creation of BIM geometrical models.
Im konventionellen Tunnelbau wird der Tunnelausbruch mit überhöhten Querschnitten aufgefahren. Die Größe der erforderlichen Überhöhung richtet sich nach den zu erwartenden Gebirgsverformungen und den voraussichtlichen Bautoleranzen. Auch Innenschalen werden mit einer Überhöhung hergestellt, um etwaige Schalwagenverformungen, Bautoleranzen und Verformungen infolge Belastung zu berücksichtigen. Von den Auftraggebern wird dagegen i. d. R. die Soll-Geometrie vorgegeben, die sich von den vorgenannten Geometrien mit Überhöhungen unterscheidet.
Bei der Planung von Tunnelbauwerken nach der BIM-Methode ergibt sich nun die Frage, nach welcher Geometrie das geometrische Modell erstellt werden soll, da die Abweichungen zwischen Soll-Geometrie und überhöhter Geometrie beträchtlich sein können. Um eine Zeichnungsableitung direkt aus dem 3D-Modell anzufertigen und diese Pläne als Ausführungspläne zur Herstellung des Tunnelbauwerks zu verwenden, ist es zwingend erforderlich, dass das geometrische Modell auf der Grundlage einer überhöhten Geometrie erstellt wird. Nur dann ist es möglich, die Bewehrung oder die Schalung korrekt zu planen. Nur mit einem überhöhten Modell erhält man die tatsächlichen theoretischen Massen entsprechend der Ausführung, was z. B. für einen Soll-Ist-Vergleich verwendet werden kann. Im Beitrag werden die Grundlagen der bisherigen zweidimensionalen Planung und deren Abrechnungsgrenzen dargelegt und dem geometrischen Modell einer 3D-Planung gegenübergestellt. Es wird aufgezeigt, wie im Zuge einer BIM-Planung das geometrische Modell aufgebaut werden muss, um davon 2D-Pläne für eine Ausführungsplanung ableiten zu können. Darauf aufbauend werden Empfehlungen für die Erstellung der geometrischen Modelle einer BIM-Planung gegeben.

The use of Building Information Modelling (BIM) for tunnelling projects, is not yet very common in Austria or Germany. First attempts to use BIM in tunnelling are being undertaken on specially selected and supported projects, but this can only be considered a first small step. In the following article, the current status and progress of BIM in tunnelling in Austria and Germany will be described and compared. Furthermore, the article focuses on a range of different aspects of BIM in tunnelling. Particular attention is paid to the special requirements of underground mining. This regards the challenges of the state of the art software capacities concerning the complex geometrical structures of underground constructions. Another important aspect is the interaction between ground and excavation method. The physical properties of the ground will never be completely known. Therefore, consolidated basics/rules for the behaviour and treatment of the ground have to be developed. BIM follows the principle of “first build virtually, then in reality”, for which reason construction companies have to be involved in the early planning phase. It is necessary to develop new contract models and to strive for a cooperative partnership.
Die Methode Building Information Modelling (BIM) steckt bei Tunnelbauprojekten, noch in den Kinderschuhen. Erste Versuche und Bemühungen, BIM im Tunnelbau einzusetzen, werden mithilfe von Pilotprojekten unternommen, doch kann dies nur als erster kleiner Schritt gewertet werden. In nachfolgendem Beitrag sollen der aktuelle Stand und der Fortschritt von BIM im Tunnelbau in den Ländern Österreich und Deutschland dar- und gegenübergestellt werden. Zusätzlich werden weitere Aspekte zum Thema BIM im Tunnelbau betrachtet. Besonderes Augenmerk wird auf die speziellen Anforderungen des Untertagebaus gelegt. Dies betrifft vor allem die Problematik der heutigen Softwarekapazitäten hinsichtlich der komplexen geometrischen Strukturen von Untertagebauten. Eine weitere wichtige Thematik stellen die Baugrundinteraktion sowie das Baugrundverfahren beim Auffahren von Hohlräumen dar. Das wichtigste Baumaterial, der Baugrund, wird hinsichtlich seiner physikalischen Eigenschaften aufgrund seiner natürlichen Beschaffenheit nie vollständig bekannt sein, weswegen hier vertiefte Grundlagen im Umgang mit dem Baugrund erarbeitet werden müssen. BIM folgt dem Prinzip “Zuerst virtuell bauen, dann real”, weswegen der Einbezug von Bauunternehmen bereits in der Planungsphase elementar wichtig ist. Hierfür gilt es, neue Vertragsmodelle zu erarbeiten und eine partnerschaftliche Projektabwicklung anzustreben.

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.