The future of our energy supply systems is moving towards Smart Cities and Smart Rural Communities, where the integration of combined technologies using renewable energy sources reduces environmental impact and offers citizens a better quality of life. Geothermal has a particularly important role in smart electricity and thermal grids, since it can deliver both heating and cooling, and electricity.
Shallow geothermal, using heat pumps, is a key energy source for smart energy systems. It provides solutions for the future energy system by coupling smart thermal and electricity grids with underground thermal storage and by providing reliable and affordable heating and cooling supply to both urban and rural areas.
As these technologies can be installed in grid and off-grid heating and cooling systems, they perfectly fit the new smart cities and rural communities approach.
In addition, there is also an important role for shallow geothermal energy in connection with and management of smart electricity grids. Geothermal heat pumps can provide demand response services, thereby contributing to grid stabilisation, whilst Underground Thermal Energy Storage (UTES) is an excellent storage solution. Shallow geothermal technologies will be utilised in the next generation of district heating: Smart Thermal Grids.

If international agreements to replace fossil fuels with renewables are taken seriously by politicians, a much broader use of environmental-friendly energy sources will be needed for heating and cooling purposes in the future. This necessary decarbonisation can be supported by the use of heat pumps in combination with geothermal absorbers, which have particular advantages since a large part of the heat used is extracted from the environment surrounding the building. The advantage of building-integrated geothermal systems also lies in the simple and inexpensive supply of cooling energy, which can be accomplished either by free cooling or by reversing the heat pump circuit. The geothermal plants at Salzburg railway station and the Austria Campus will be exemplified and operating experience is given.
Werden die internationalen Vereinbarungen zum Ersatz fossiler Energieträger durch erneuerbare von der Politik tatsächlich umgesetzt, ist auch im Gebäudesektor in Zukunft ein wesentlich ausgeweiteter Einsatz klimafreundlicher Energieträger erforderlich. Im Sinne einer notwendigen Dekarbonisierung bietet die Verwendung von Wärmepumpenanlagen in Kombination mit Geothermieabsorbern besondere Vorteile, da ein Großteil der Nutzwärme aus der Umgebung des Gebäudes bezogen wird. Der Vorteil gebäudeintegrierter Erdwärmeanlagen liegt auch in der einfachen und kostengünstigen Bereitstellung von Kühlenergie, welche sich entweder durch Free-Cooling oder durch die Umkehrung des Wärmepumpenkreislaufs bewerkstelligen lässt. Die Geothermieanlagen am Hauptbahnhof Salzburg und am im Bau befindlichen Austria Campus werden beispielhaft beschrieben und Bau- sowie Betriebserfahrungen angeführt.

The design and construction of the Rosenstein Tunnel was intended to minimize the effects on the environment, nature and groundwater during construction and operation. Part of this design agenda was a decision to equip the tunnel with a geothermal energy system to recover energy from the ground for the heating and cooling of the elephant house at Wilhelma zoo. The Rosenstein Tunnel is located in the spa water protection area of Stuttgart. The construction of the geothermal system was only permitted on the condition that it must be guaranteed that there is no threat to the groundwater due to leakage of heat transfer fluid, which led to increased constructive demands for the design and construction of the system. One of these demands was the protection of the pipes during construction and service. The heat exchange takes place at absorber pipes installed between the shotcrete shell and the inner lining. Niches were placed on both sides of the tunnel blocks to house the boxes for the distribution manifolds, valves, regulators as well as the measuring and control instruments. To measure the operating temperature, a temperature measurement section is installed in both tubes, which records the temperature of the tunnel lining and the surrounding soil. The detailed measuring results not only allow a precise monitoring and control of the system, but also enable scientific research into the relationship between the temperature, soil temperature and the production of energy over the lifetime of the system.
Ziel bei der Planung und Ausführung des Rosensteintunnels war eine möglichst umwelt-, natur- und heilwasserschonende Realisierung. Im Rahmen dieses Konzepts wurde in der Entwurfsphase u. a. entschieden, den Rosensteintunnel mit einer Geothermieanlage zur Gewinnung von Energie aus der Erdwärme zum Heizen und Kühlen des neu zu errichtenden Elefantenhauses der Wilhelma auszustatten. Der Rosensteintunnel liegt im Heilquellschutzgebiet der Landeshauptstadt Stuttgart. Einer Ausführung der Anlage wurde daher nur unter der Bedingung zugestimmt, dass sichergestellt werden kann, dass eine Gefährdung des Grundwassers infolge des Austretens der Wärmeträgerflüssigkeit ausgeschlossen ist. Daraus ergaben sich erhöhte, konstruktive Anforderungen bei der Planung der Tunnelkonstruktion und der Konstruktion der Geothermieanlage. Diese waren u. a. der Schutz der Rohrleitungen im Bau- und im Endzustand sowie die Verlegung der Rohre in und durch die wasserundurchlässige Innenschale. Der Wärmeaustausch erfolgt über Absorberleitungen, die im Gewölbe zwischen der Spritzbetonaußenschale und der Ortbetoninnenschale liegen. In den Tunnelblöcken wurden Nischen angeordnet, in denen Kästen für die Modulverteiler, Armaturen, Regler sowie die Instrumente der Mess- und Regelungstechnik untergebracht sind. Zur Erfassung und Überwachung der Betriebstemperaturen wurde in jeder Tunnelröhre zusätzlich ein Temperaturmessquerschnitt vorgesehen, der die Temperatur der Innenschale und die des Untergrunds aufzeichnet. Die detaillierten Messergebnisse ermöglichen neben der Überwachung und Steuerung der Geothermieanlage auch die wissenschaftliche Erforschung der Zusammenhänge zwischen Lufttemperatur, Bodentemperatur und der Energiegewinnung über die gesamte Lebensdauer der Anlage.

Shallow geothermal energy now provides an essential contribution to the base load of heating energy. The thermal activation of tunnels is an interesting alternative and an economically appropriate supplement to the present hybrid systems in the field of ground engineering. An essential difference between the tunnel absorber and structures such as activated piles and diaphragm wall elements is the use of heat fluxes from the ground, as well as from the inside of the tunnel. Due to this circumstance, the tunnel absorber is assigned to the group of the duo-hybrid systems. The tunnel air temperature is essential for the heat flux inside the tunnel. Stuttgart-Fasanenhof and Jenbach are two geothermal tunnel plants which have been delivering dependable measurement data of the subsoil temperature, the tunnel lining temperature and the tunnel air temperature for four years. Based on the selected operation modes and case studies, the measurement results are analyzed and discussed. In addition, the possible geothermal potential of a geothermal tunnel system is introduced.
Oberflächennahe Geothermie leistet mittlerweile einen wesentlichen Beitrag zur Grundlastversorgung mit Wärmeenergie. Die thermische Aktivierung von Tunneln ist eine interessante Alternative und ökonomisch sinnvolle Ergänzung der bisherigen Hybridsysteme des Spezialtiefbaus. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal des Tunnelabsorbers gegenüber z. B. aktivierten Pfählen oder Schlitzwandelementen ist die Nutzung von Wärmeströmen sowohl aus dem Erdreich als auch aus der Tunnelluft. Damit ist der Tunnelabsorber in die Gruppe der Duo-Hybrid-Systeme einzuordnen. Wesentlich für den Wärmestrom aus dem Tunnelinneren ist die Tunnellufttemperatur. Mit den Tunneln Stuttgart-Fasanenhof und Jenbach existieren zwei Tunnelgeothermieanlagen, die seit nunmehr vier Jahren verlässliche Messdaten zu Baugrund-, Tunnelschalen- und Tunnellufttemperatur liefern. An ausgesuchten Betriebsphasen und Modellstudien werden Messergebnisse analysiert und diskutiert sowie das mögliche tunnelgeothermische Potenzial vorgestellt.

The research study was intended to investigate the potential use of geothermal energy power plants in subsurface infrastructure such as tunnels and active or closed mines. The aims of the study was to examine the geological and geothermal conditions of a tunnel and a mine to survey the drilling technologies and necessary infrastructures for the drilling of deep boreholes as well as to determine rock, operating and process parameters and safety aspects in case of subsurface structures. The results are given in an evaluation matrix, which assembles the collected data and describes the specific boundary conditions of the tunnel projects and the mine as well as the risks of project Implementation.
Das Forschungsprojekt untersuchte das Nutzungspotenzial von Tiefengeothermiekraftwerken für untertägige Infrastrukturen wie Tunnelbauwerke und aktive oder auch stillgelegte Bergbaustrukturen. Ziel des Projekts war, die geologischen und geothermischen Standortbedingungen an einem ausgewählten Tunnelbauwerk und einer aktiven untertägigen Bergbauanlage zu überprüfen, die Bohrtechnologien und die Bereitstellung der notwendigen Infrastrukturen zum Abteufen von Tiefenbohrungen zu erheben und auch Gebirgs-, Betriebs- und Prozessparameter und Sicherheitsaspekte zu erfassen, die sich im Spezialfall von Untertageanlagen ergeben. Die Ergebnisse fanden Eingang in eine Bewertungsmatrix, die sich aus den erhobenen Daten, welche die konkreten Randbedingungen der Projekte aufzeigen, sowie die Risiken einer Projektumsetzung beschreiben.

The overall economics of a geothermal project are basically governed by the formation temperature gradient and the productivity of the reservoir. At the Chair of Petroleum and Geothermal Energy Recovery, a simulator has been developed considering different well geometries and casing strings or liner completions as well as total or partial cementation. In order to optimize heat transfer or to minimize losses, various tubing types like gas- or vacuum isolated pipes as well as relined or outside coated pipes can be simulated. The program also allows the simulation of transient states as well as the circulation of various media with various rates in closed systems. This enables the optimisation of energy recovery by simulating various materials and circulation rates over a long term, which is essential for the evaluation of the economical limits and energy efficiency of a geothermal project. The program can also be used for the simulation of oil and gas production since the conservation of energy results in less friction losses and higher flow velocities in gas wells which finally results in better deliquification behaviour.
Die Wirtschaftlichkeit eines geothermischen Projekts wird im Wesentlichen durch den Temperaturgradienten und die Produktivität der Lagerstätte bestimmt. Am Chair of Petroleum and Geothermal Energy Recovery der Montanuniversität Leoben wurde in den vergangenen Jahren ein Simulator entwickelt, der die Modellierung geothermischer Vorgänge im Bohrloch erlaubt. Ziel dieser Arbeit ist die Simulation der Wärmeverluste auf dem Weg von der Lagerstätte nach Obertage unter Berücksichtigung verschiedener Bohrlochgeometrien als auch Tagesrohrtouren oder Linerkomplettierungen samt deren vollständigen oder partiellen Zementation.
Um den Wärmetransport zu optimieren bzw. die Verluste zu minimieren, werden verschiedene Materialien der Steigrohre, wie gas- oder vakuumisolierte Rohre, aber auch innen und/oder außen isolierte Tübbinge behandelt. Das Programm ist für transiente Simulation sowie die Zirkulation verschiedener Medien mit variabler Zirkulationsrate in einem geschlossenen System ausgelegt. So kann die optimale Energieausbeute unter Verwendung verschiedenster Materialien und Zirkulationsraten über einen langen Beobachtungszeitraum simuliert werden, was wiederum die Basis für die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz geothermaler Projekte darstellt. Das Programm wird aber auch für die Simulation von Erdöl- und Erdgasförderung herangezogen, zumal durch die Energiekonservierung die Reibungsdruckverluste wesentlich geringer sind, bei Gassonden die Fließgeschwindigkeit höher ist und somit die Austragfähigkeit von Flüssigkeiten aus der Sonde verbessert werden kann.

In the former quarry near Spitz many rockslides have occurred during operation as well as after closure. They endangered a railway, the Wachau-bicycle route, an important road and the left Danube river bank. Therefore, a protection embankment and a rock fall fence were constructed as well as a monitoring system installed automatically closing all traffic routes, when rock face displacements are exceeding a threshold. In order to clarify the need for risk reduction measures, the hazard caused by the former quarry near Spitz was investigated by
- Analyses of weather - and of occurrences statistics (when did rock slides occur for which reasons?) in order to assess the probability of future rock slides,
- Geomechanical analyses of occurred and of possible future rock detachments and
- Analyses of existing deposits and simulations of possible future rock slides in order to estimate the damage caused by these slides.
The results of these investigations and the subsequent conclusions are described.
Im ehemaligen Tagebau Spitz a. d. Donau ereigneten sich in der Vergangenheit sowohl während des Abbaus als auch nach dessen Stilllegung zahlreiche Felsstürze. Diese bedrohten die Wachau-Bahn, den Wachau-Radweg, die Wachau-Bundesstraße und das linksseitige Donauufer. Deshalb wurden ein Schutzdamm geschüttet, ein Steinschlagschutzzaun errichtet und ein Monitoring-Programm installiert, das bei Gefahr (bei größeren Verschiebungen) automatisch eine Sperre der Verkehrswege auslöst. Um die Notwendigkeit weiterer Maßnahmen zur Reduktion des Risikos abzuklären, wurde die vom ehemaligen Tagebau Spitz a. d. Donau ausgehende Gefahr analysiert. Dies geschah in Form von
- Analysen der Wetter- und Ereignisstatistiken (wann ereigneten sich warum Felsstürze), um die Wahrscheinlichkeit weiterer Felsstürze abzuschätzen,
- Geomechanischen Analysen früherer Ablösungen sowie Analysen möglicher zukünftiger Ablösungen und
- Analysen früherer Ablagerungen und Simulationen möglicher zukünftiger Absturzszenarien, um den durch diese Szenarien verursachten Schaden abzuschätzen.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und die Schlussfolgerungen daraus werden beschrieben.

The uranium mine in Schlema-Alberoda near the town Aue in south-east Germany was operated between 1947 and 1990. In 1979, a seismic event with local magnitude of ML = 2.9 and intensity MSK = 5 (Medvedev-Sponheuer-Karnik scale) was monitored close to the mining area. Due to this event and observations of underground dynamic de-stressing, a local seismic network was installed and extended in the following years. Seismic events were routinely located and source parameters for selected events were determined [1], [2]. It was found that most of the sources of dynamic events are located outside the mine, in the neighbouring granitic intrusion. During the period of active mining, continuous online evaluation of seismic events was performed in conjunction with online hazard evaluation [2].
In 1990, the controlled flooding of the mine was started. A total excavated volume of 35 m. m3 had to be flooded. The flooding was completed in 2012. The flooding process was continuously monitored with a seismic network over the whole period of 22 years. This large dataset has been used for statistical calculations, correlations between seismicity and flooding level and ground velocity predictions.
Im Bergwerk Schlema-Alberoda, in der Nähe der Stadt Aue im Südosten Deutschlands, wurde von 1947 bis 1990 Uranerz im Firststoßbau-Verfahren abgebaut. Im Jahr 1979 wurde in der Nähe des Bergwerks ein seismisches Ereignis mit einer Lokalmagnitude von ML = 2,9 und einer Intensität von I = 5 nach der Medwedew-Sponheuer-Karnik-Skala aufgezeichnet. Dieses Ereignis, verbunden mit beobachteten Spannungsumlagerungen, führte zur Entscheidung, ein lokales seismologisches Online-Überwachungsnetz zu installieren und in den folgenden Jahren auszubauen. Die Lokalisierung und Magnitudenbestimmung wurde seitdem routinemäßig durchgeführt, und für ausgewählte Ereignisse konnten Herdparameter bestimmt werden [1, 2]. Weiterhin wurde während der Zeit des aktiven Bergbaus eine Online-Gefährdungsbeurteilung durchgeführt [2]. Die Beobachtungen zeigten, dass sich ein Großteil der Hypozentren nicht im Bergwerk selbst befinden, sondern in der darunter liegenden Granitintrusion. Nach der Einstellung der Bergbauarbeiten wurde im Jahr 1990 die kontrollierte Flutung eingeleitet, die im Jahr 2012 abgeschlossen war. Insgesamt wurden 35 Mio. m3 Hohlraum geflutet. Während des gesamten Zeitraums wurde die Flutung kontinuierlich mit dem seismologischen Netz überwacht. Dieser umfangreiche Datensatz wurde für statistische Berechnungen, Korrelationen zwischen Seismizität und Flutung und zur Abschätzung von Bodenschwinggeschwindigkeiten verwendet.

The 500.000 t/a underground Mittersill scheelite mine produced around 12 Mio. t during its 40 year lifetime. The active western field dips with 55° to the NNW under the western flank of the steep valley. The ore zone is developed over a vertical length of 600 m from its outcrop at 1.250 m down to the 650 m asl. The deepest workings are already more than 1.000 m below surface due to the dipping below the mountain range. Open stoping with backfill, cut and fill as well as sublevel caving are the prominent mining methods. End of 2015 a micro seismic system from Canadian ESG Solution was installed to get a better understanding of induced stresses and movements in rock formation. As of December 2015 the system consisting of ten sensors are constantly recording all microseismic events in the mine at a depth between 500 and 1.000 m. The events are analysed and graphically displayed according their location, magnitude and category.
Der Mittersiller untertägige Scheelit Bergbau gewinnt pro Jahr etwa 500.000 t Erz. Über die Lebensdauer des Betriebs wurden bereits mehr als 12 Mio. t abgebaut. Die derzeit im Abbau befindliche Lagerstätte, das sogenannte Westfeld fällt mit etwa 55° noch NNW unter den Hang ein. Die Lagerstätte ist vom Ausbiss auf dem Niveau 1.250 m NN bis zum Niveau 650 m NN über 600 Höhenmeter aufgeschlossen. Durch das Einfallen unter den Hang haben die tiefsten Grubenbaue bereits eine Überdeckung von über 1.000 m. Als Abbauverfahren kommen großräumiger Weitungsbau, Firstenstoßbau und Teilsohlenbruchbau zur Anwendung. Ende 2015 wurde ein mikroseismisches Überwachungssystem der kanadischen Firma ESG Solutions installiert, um ein besseres Verständnis über die durch den Bergbau hervorgerufenen Spannungsverlagerungen und Bewegungen im Gebirgsverband zu bekommen. Seit Dezember 2015 erfolgen die Aufzeichnungen in einem Bereich mit einer Überdeckung von 500 bis 1.000 m. Das System erfasst mithilfe von zehn Sensoren seismische Aktivität und zeichnet diese kontinuierlich in Echtzeit auf. Die Ereignisse werden nach Ort, Größe und Kategorie ausgewertet und dreidimensional grafisch dargestellt.

Pillar systems in mines are statically indeterminate systems. The paper presents the results of numerical investigations to evaluate the effects of panel dimensions on pillar loads. It is shown that pillar load in deep mines is strongly influenced by the lateral and vertical extent of extraction panels. The commonly applied tributary area concept does not account for these effects and is an oversimplification that has to be applied with caution. The effects of local pillar failures on stability of pillar workings are examined using simple models. It is shown that limiting panel dimensions by substantial barrier pillars can reduce the danger of regional pillar collapses and enhance overall mine stability.

The El Teniente Mine of Codelco is one of the largest underground mine operations in the world. The mine employs massive mechanised panel caving methods with pre-undercut variants to extract copper-molybdenum ore, producing 140,000 t/d, mainly of primary copper ore. In the context of a study of rehabilitation measures for collapsed zones at the Esmeralda mine, which is one of Tenientés most important operations, a preliminary assessment of the post-collapse pillar's rock mass condition was carried out, allowing the characterization of the damage zone surrounding the drifts and some insights into the likely pillar's rock mass damage development. The paper outlines these findings and discusses some underlying factors that may also have influenced the process.

In the Lower Inn Valley of the Tyrol, Autria, the existing railway line has been upgraded. In the course of these works a two-track tunnel with an excavated diameter of 13.03 m was built in the track section H3-4 Münster/Wiesing. The tunnel was excavated with a slurry TBM. Demanding geotechnical conditions on this difficult contract necessitated changes to the overall concept. After tendering and the award of contract, the client and the contractor started the construction phase with different expectations. We report on the strongly differing experiences of the parties during the construction of the works. At the end, we draw conclusions for both parties from the experience gained during the successful completion of the project.
Im Tiroler Unterinntal wurde im Zuge des Ausbaus der bestehenden Bahntrasse im Streckenabschnitt H3-4 Münster/Wiesing ein zweigleisiger Tunnel mit einem Ausbruchsdurchmesser von 13,03 m ausgeführt. Zum Einsatz kam hierbei eine Schildmaschine mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust. Die besonderen Anforderungen im geotechnisch anspruchsvollen Baulos haben bereits in der Phase der Projektierung eine Reihe von Anpassungen des Gesamtkonzepts erforderlich gemacht. Nach Ausschreibung und Vergabe sind Auftraggeber (AG) und Auftragnehmer (AN) mit bestimmten tlw. nicht deckungsgleichen Erwartungshaltungen in die Bauausführung gestartet. Über dies und die tlw. davon stark abweichenden Erfahrungen, die während der Ausführung gemacht wurden, wird berichtet. Zudem werden die für beide Vertragspartner wesentlichen Schlussfolgerungen aus dem technisch und vertraglich erfolgreich abgewickelten Bauvorhaben zusammengefasst.

The 13.35 km long Wienerwald (Vienna Woods) Tunnel forms a key element of the new railway line between Vienna and St. Pölten. The 11 km long twin-tube western section of the tunnel was constructed using two tunnel boring machines, type TBM-S, with an excavation diameter of approximately 10.7 m, and a water pressure-relieved, double shell lining system. A Swiss unsealed, stacked segment lining system was used. In the year 2000, a TBM with these dimensions represented new territory for ÖBB-Infrastructure AG, so intensive investigations of the technology were undertaken from the feasibility study and permit application phases onwards. Risk analyses in respect of geotechnical engineering, TBM design and segmental tunnel lining, cross-checking of the construction schedule and costs that were estimated during the tender phases were undertaken. Together with a comprehensive and thorough investigation, this led the client to the conclusion that the tunnelling work in the western section should be tendered with two alternatives (conventional tunnelling and TBM drive). Appropriate tender evaluation criteria allowed an objective comparison of the submitted tenders to be made and resulted in an unproblematic contract with the western section being awarded for the TBM system. The expectations of the client and the contractor with regard to geology and geotechnics, construction schedule and construction process are described. Deviations from these expectations and the actual technical and construction difficulties encountered are explained, along with the corresponding solutions that were used to overcome these problems.
Der 13,35 km lange Wienerwaldtunnel stellt das Kernstück der Neubaustrecke Wien-St. Pölten dar. Der zweiröhrige Westabschnitt des Tunnels wurde über eine Länge von rd. 11 km mit zwei Tunnelbohrmaschinen TBM-S, Ausbruchsdurchmesser rd. 10,7 m und druckwasserentlastetem, zweischaligen Ausbau hergestellt. Als Tübbingsystem wurde ein ungedichteter Schweizer Stapeltübbing gewählt. TBM-Vortriebe in dieser Dimension waren Anfang 2000 für die ÖBB-Infrastruktur AG Neuland, und so befasste sie sich schon bei den Machbarkeitsstudien und den behördlichen Einreichungen intensiv mit dieser Technologie. Risikoanalysen zu Geotechnik, Maschinentechnik, Tübbingausbau, Bauzeit und Kosten in den Phasen Einreichung und Ausschreibung sowie eine umfangreiche Erkundungskampagne ließen den Auftraggeber zu dem Schluss kommen, die Vortriebsarbeiten im Westabschnitt in zwei Varianten (zyklisch und TBM-Vortrieb) auszuschreiben. Entsprechend gewählte Zuschlagskriterien ermöglichten einen objektiven Vergleich der Angebote und eine einspruchsfreie Vergabe des Westabschnitts zugunsten der Variante mit TBM-Vortrieben. Die Erwartungen des Auftraggebers (AG) und des Auftragnehmers (AN) werden hinsichtlich Geologie und Geotechnik, Bauzeit und Bauablauf sowie Vertragsabwicklung dargelegt. Die Abweichungen und tatsächlich aufgetretenen, technischen und bauwirtschaftlichen Schwierigkeiten sowie deren Lösungen werden erläutert.

In the course of designing the Gotthard Base Tunnel, extensive questions were considered about the tunnelling conditions to be expected and the resulting requirements for the TBM. Naturally this mainly concentrated on the achievable advance rates and the associated costs. The tunnelling works have now been completed and the essential assumptions and decisions from the design phase could be confirmed. Experience does however also show that the behaviour of the rock mass could not always be correctly predicted in its entireness and a corresponding flexibility in the use of support measures is unavoidable, which is only possible with suitable tunnelling equipment and machinery. The present article collects the essential data and facts from the TBM drives and described the areas where significant deviations arose. Particular attention is paid to the following subjects and the corresponding effects: wear to the cutterhead, heavy water ingress, rockburst, reciprocal influencing of the two tunnel drives under poor geological conditions and the collapse in the Tenelin Zone. The stated matters are described with a comparison against the assumptions made in the design phase and a complemented with few of the lessons learnt.
Im Zuge der Planung des Gotthard Basistunnels wurden umfangreiche Überlegungen angestellt, über die zu erwartenden Vortriebsverhältnisse und die sich daraus ergebenden Anforderungen an die TBM. Im Fokus standen dabei naturgemäß vor allem auch die erreichbaren Vortriebsleistungen und die damit verbundenen Kosten. Die Vortriebsarbeiten sind abgeschlossen, und die wesentlichen Annahmen und Entscheide aus der Planungsphase konnten bestätigt werden. Die Erfahrung zeigt aber auch, dass das Verhalten des Gebirges nicht immer vollumfänglich zutreffend vorausgesagt werden konnte und eine entsprechende Flexibilität beim Einsatz der Sicherungsmittel unumgänglich ist, was nur mit einer dafür geeigneten Vortriebsinstallation möglich ist. Der vorliegende Beitrag stellt die wesentlichen Daten und Fakten aus dem TBM- Vortrieb zusammen und zeigt auf, in welchen Bereichen sich deutliche Unterschiede ergeben haben. Ein besonderes Augenmerk wird auf folgende Themen und die entsprechenden Auswirkungen gelegt: Verschleiß am Bohrkopf, hoher Wasseranfall, Bergschlag, gegenseitige Beeinflussung der beiden Tunnelvortriebe bei schlechten geologischen Verhältnissen und Niederbruch in der Tenelin-Zone. Die aufgeführten Punkte werden mit einem Vergleich der Annahmen aus der Projektierung und den effektiv angetroffenen Verhältnissen beleuchtet sowie mit einigen Hinweisen zu den Lessons learned abgerundet.

As part of the Qatar National Vision 2030, the capital of Qatar - Doha - is being expanded into a modern centre for economy, trade and sport. A main part of this plan is the establishment of an efficient infrastructure with modern means of transportation.
The Design & Build - Project Green Line Underground was awarded to a Joint Venture (JV) composed of PORR (lead), the Saudi BinLadin Group and the local construction company HBK in summer 2013. It contains the turnkey construction of the underground part of the Green Line with a total length of 2 × 17 km tunnel, six stations, switching areas as well as cross passages and emergency exit shafts. The 34 km of tunnelling, bored by six EPB machines simultaneously, has now been completed. The expectations for the project, especially concerning the TBM tunnelling, are compared to the knowledge gained.
The following topics are highlighted:
- climate and culture,
- personnel of different origins/education,
- working with unskilled/semiskilled workers,
- TBM/logistic concepts,
- performance, wear and tear,
- geological conditions,
- segment design,
- health and safety.
The tunnel drives were completed in 18 months despite all challenges.
Im Rahmen der Qatar National Vision 2030 wird die Hauptstadt Katars - Doha - zu einem modernen Zentrum für Wirtschaft, Handel und Sport ausgebaut. Ein wesentlicher Bestandteil zur Realisierung dieses Ziels ist die Errichtung einer leistungsfähigen Infrastruktur mit modernen Massentransportmitteln.
Das Design & Build-Projekt Green Line Underground wurde im Sommer 2013 an ein Joint Venture (JV) aus Porr (Federführung), der Saudi BinLadin Group und dem lokalen Bauunternehmen HBK vergeben und beinhaltet die schlüsselfertige Errichtung des unterirdischen Abschnitts der Green Line mit einer Tunnellänge von 2 × 17 km, sechs Stationen, Spurwechsel- und Weichenanlagen sowie Querschlägen und Notausstiegsschächten. Die Vortriebe der ca. 34 km langen Tunnel, die mit sechs EPB-Maschinen hergestellt wurden, sind mittlerweile abgeschlossen. In einem Rückblick werden die Erwartungen an das Projekt, insbesondere an den TVM-Vortrieb, mit den gemachten Erfahrungen verglichen.
Hier werden speziell folgende Themen beleuchtet:
- klimatisches und kulturelles Umfeld,
- Personal unterschiedlichster Herkunft und Bildung,
- Arbeiten mit ungelerntem/angelerntem Personal,
- Vortriebs- und Logistikkonzepte,
- Leistungen, Verschleiß, Schäden,
- geologische Verhältnisse, Vorauserkundung,
- technische Ausführung der Tübbinge, inkl. Dichtung,
- Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz.
Trotz aller Herausforderungen konnten die Vortriebsarbeiten in ca. 18 Monaten abgeschlossen werden.

In the course of constructing the new Vienna - St. Pölten high-speed railway line, three TBM tunnels with an excavated diameter of approx. 13 m were driven between 2005 and 2010. The total length of these three tunnels including portal structures, cut-and-cover and top-down sections was approx. 7.4 km, of which 6.2 km were excavated by TBM-S. The tunnels were constructed with drainage systems and two-pass linings in the tunnel arch. During the feasibility study, the permit application design and the tender design phase, detailed risk analyses were performed for excavation method (TBM or NATM), machine type (TBM-S or SM-EPB) and lining type (single- or two-pass). The expectations of the client during the design phase and those of the contractor during the bidding phase are compared and discussed, taking into account construction time considerations, geotechnical risk assessments, lining design, machine type and construction sequence as well as the allocation of risks between client and contractor. The reality of the project, i.e. the construction time actually needed, the challenges encountered, the problems solved and the joint approach adopted to implement the project as well as the lessons learned (experiences and findings) are all described.
Im Zuge der Errichtung der Neubaustrecke Wien - St. Pölten wurden in den Jahren 2005 bis 2010 drei Tunnel mittels einer Tunnelbohrmaschine mit einem Ausbruchsdurchmesser von rund 13 m aufgefahren. Die Gesamtlänge der drei Tunnelbauwerke, inklusive der Portalbauwerke, offenen Bauweisen und Deckelbauweisen, betrug rund 7,4 km, wobei rund 6,2 km mit einer TBM-S aufgefahren wurden. Die Tunnel wurden druckwasserentlastet mit einem zweischaligen Ausbau im Gewölbe hergestellt. Für die Tunnel wurden in den Phasen der Grundsatzprüfung, der Behördenverfahren und der Ausschreibungsplanung vertiefte Risikoanalysen zur Vortriebsmethode (TVM oder NÖT), zur Wahl des Maschinentyps (TBM-S oder SM-EPB) und des Ausbaus (einschalig oder zweischalig) erstellt. Die Erwartungen des Auftraggebers (AG) in der Planungsphase und des Auftragnehmers (AN) in der Angebotsphase werden anhand von Bauzeitüberlegungen, Risikobetrachtungen zu Geotechnik, Ausbau, Maschine und Bauablauf sowie der Sphärenzuordnung AG und AN gegenübergestellt und erläutert. Die Wirklichkeit, also die reale Bauzeit, die aufgetretenen Schwierigkeiten, die gelösten Probleme und die partnerschaftliche Projektabwicklung sowie die gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnisse werden dargelegt.

The population increase in Istanbul is also reflected in car ownership, which brings an extensive traffic load to the city, especially to the two bridges over the Bosphorus. After feasibility studies, a double deck, 3.4 km subsea tunnel with a 13.7 m diameter at a maximum depth of 106 m below sea level and a capacity of 100,000 cars/day was initiated as a solution for the city. The tunnel, excavated by a custom-made mixshield slurry TBM, passes through very complex geological structures including the Trakya formation, transition zones and marine sediments in a highly seismic area.

The 14.6 km long Istanbul Strait Road Crossing Project is a safe, quick and environmentally responsible alternative road link between Asia and Europe, as such it is being constructed under a Build-Operate-Transfer contract by a public-private partnership. The investor/contractor has committed to build the Project in 55 months and to operate the facility for a concession period of approximately 25 years. This article examines the project's two critical structures located in the Asian side of Istanbul, considering site investigation, construction and monitoring. The first structure is a cut and cover construction next to the Bosphorus, called the Asia Transition Box (ATB), which enabled the launching of the TBM and conventional tunnels. The second is the conventionally excavated twin tunnels (CETT), which pass under a highly urbanized part of Istanbul and provide the transition from the highway into the tunnel under the Bosphorus.

The Üsküdar-Çekmeköy Metro Line (UCM), which is located on the Asian side of Istanbul, is an 18 km underground metro line with 27 km of TBM tunnel, 13 km of NATM tunnel and 16 stations. Apart from being a completely tunnelled station, it has several other features. It is the deepest station in this metro line with the platform depth 45 m below surface level. The station is being built in a complex geology that contains several passive fault zones. The ticket hall and technical rooms are also located in an NATM tunnel with an excavated width of 20 m. Most of the passenger circulation is planned to be carried out by elevators.
The station has been designed with two levels of NATM tunnels with four main elliptical shafts. The geology varies from very strong quartz arenite with a compressive strength of 77 MPa to highly weathered fault zones containing andesite. The complex geometry and geology of the station dictated utmost care for excavation and final lining design of the NATM sections in order to provide stability during excavation and sufficient structural capacity in case of a seismic event.

The aims of this study are to find a solution for the problems (lumping, adhesion, and clogging) encountered with fine-grained sedimentary materials, minimize the time and cost of excavation, and decrease the potential environmental effects due to soil conditioning chemicals used in the process of excavating a waste water tunnel. Therefore, this study will contribute important technical knowledge regarding design and implementation of excavation with TBM to the mining and construction industries as well as for optimization in mechanical engineering.
In this research, real-time machine operational parameters recorded by EPB TBM and actual geotechnical parameters in an Istanbul-Büyükcekmece Wastewater Tunnel at seven selected tunnel sections were used as input data for the back analysis and assessment method. The method covers excavated materials with: (1) water and (2) soil conditioning chemicals. The influence of water and soil-conditioning chemicals of different proportions on torque, thrust, advance rate of the TBM, and plasticity and consistency indices of the material were investigated. Finally, integrated data were evaluated by multiple linear regression models.

Istanbul is among the fastest growing megacities in the world and the only one located on two continents, divided by the Bosphorus strait. The geographic situation together with the enormous growth of population impose great challenges, especially considering urban and infrastructure development. The Bosphorus Strait Road tunnel, also called Eurasia Tunnel, is the first road tunnel connecting the European and the Asian side of the city with the aim of alleviating Istanbul's traffic pressure and reducing the travel time between Kazlıçeme and Göztepe from 100 to 15 minutes. This article focuses on the design of the twin tunnels and the transition box from NATM to TBM on the Asian side.

Gasket sealant behavior along joints of concrete tunnel lining depends on gasket-gasket and gasket-groove contact loads, bonding between gasket and groove, and gasket lateral extrusion. As the gaskets are made of polymers, gasket contact loads are expected to drop with time due to relaxation. Reduction in the contact load with time is expected to affect the gasket sealant capacity. Gasket-gasket contact loads depend on many factors such as: stiffness of the gasket material, gasket shape and volume, groove size and configuration, gasket base configuration, and the amount of gasket compression. In this work, the mechanical and sealant behavior of gaskets in grooves were investigated. Two types of gaskets were considered: open base gasket for low design water pressure (less than 600 kPa), and closed base gasket for high water pressure (up to 4###, 000 kPa). The work focused on gasket-in-groove load deformation behavior and gasket sealant potential including the effect of gasket contact loads, relaxation, extrusion, and the change in joint gap during water pressurization. The effect of gasket base conditions (fingers base vs. closed base) on the gasket sealant behavior was also considered in this work. A conceptual model was developed that explains the leakage of the gasket as water pressure is applied.

Tunnel excavation represents a particularly challenging problem from the design point of view, mainly due to the uncertainties characterising the soil or rock mass behaviour and to the difficulties in the prediction of the stress state on the structural supports. This explains why tunnel designers mostly rely on observational data, adapting excavation sequences and support measures during the construction phase (at least in the case of traditionally excavated tunnels), especially for deep tunnels, where the geological and geotechnical uncertainties can be significant. However, the observational method requires a reliable monitoring system as well as considerable work to interpret and back-analyse data measured during construction. On the other hand, this interpretation and back-analysis represent an important step in gaining better understanding of the system response and allowing improvement of the design, thus avoiding excessively conservative and uneconomical solutions. In this paper, a back-analysis of stress and displacement measurements is presented for a NATM tunnel excavation in rock, carried out using a rheological model for shotcrete. It is shown, consistently with the previous literature on the topic, that the use of an advanced model improves the prediction of tunnel behaviour compared to the common practice of using quasi-elastic E-moduli.

With the use of tunnel boring machines under different geological and geotechnical conditions, the support with precast elements has been state of the art for decades. For the verification of the load-bearing and deformation behaviour of these high-strength reinforced concrete elements under exact known loading conditions, a test rig has been developed and implemented in a cooperation between experts of Austrian Federal Railways (ÖBB-Infrastruktur AG, SAE Fachbereich Bautechnik/Tunnelbau) and the Montanuniverität Leoben (Chair of Subsurface Engineering). The newly developed segment test rig allows biaxial tests on real segments. Due to the modular construction it is feasible to test segments with different geometries and dimensions. The obtained findings should be included in the optimization of these elements. Furthermore, the optimisation of the reinforcement design and replacement of steel bar reinforcement with fibre reinforcement is being investigated. With this test rig, an important step has been taken towards new technologies and materials in the field of segment linings. Currently, tests with distributed fibre optic sensing systems are carried out in cooperation with the Graz University of Technology (Institute of Engineering Geodesy and Measurement Systems - IGMS). A fibre optic sensing cable can be embedded in the segment during production and used for lifelong in-situ deformation measurements of the segment.
Bei einem kontinuierlichen Vortrieb mit Tunnelvortriebsmaschinen zählt der Ausbau des aufgefahrenen Hohlraums mit Tübbingen seit Jahrzehnten zum Stand der Technik. Zur Verifizierung des Trag- und Verformungsverhaltens der Tübbinge bei unterschiedlichen geologischen und geotechnischen Verhältnissen unter definierten Belastungs- und Auflagerbedingungen wurde in enger Kooperation zwischen der ÖBB-Infrastruktur AG (SAE Fachbereich Bautechnik/Tunnelbau) und dem Lehrstuhl für Subsurface Engineering der Montanuniversität Leoben ein Prüfstand geplant und realisiert, der biaxiale Versuche an Tübbingen ermöglicht. Durch den modularen Aufbau ist das Prüfen von unterschiedlichen Tübbinggeometrien sowie -abmessungen möglich. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen in die Tübbingoptimierung einfließen. Unter anderem sollen Optimierungen des Bewehrungsdesigns und die mögliche Verwendung von Faserbewehrung untersucht werden. Zukünftig bietet dieser Prüfstand neue Prüfmöglichkeiten zur Weiterentwicklung des Tübbingausbaus und dessen Materialien. Derzeit werden Versuche mit faseroptischen Messsystemen in Kooperation mit dem Institut für Ingenieurgeodäsie und Messsysteme (IGMS) der Technischen Universität Graz durchgeführt. Das faseroptische Sensorkabel wird während der Herstellung in den Tübbing eingebettet und kann zur In-situ-Deformationsmessungen über die gesamte Lebensdauer des Tübbings genutzt werden.

With mechanized shield tunnelling the quality of the backfill is of significant importance for the stability of the lining. The used material affects the interaction between support and rock mass. Therefore, the choice of a proper backfilling material is of great importance for the system behaviour. Scaled model tests have been carried out investigating the relocation behaviour of pea gravel within the annular gap. The tests have shown that especially with Double shielded TBMs a distinct relocation mechanism is triggered by the regripping process. This leads to an unfavourable bedding situation immediately behind the TBM shield.
Within a numerical study the influence of an incomplete bedding situation on the section forces within the lining segments has been carried out. The simulations have shown that crack propagation is more likely in unfavourable bedding situations. Nevertheless, numerical simulations have proven that cracks within the segments denote a higher utilization level but do not directly imply an acute danger to the load-bearing capacity. As observed in reality, the state of incomplete bedding represents the relevant load case.
A design improvement has been introduced overcoming the temporary state of a partially bedded segmental lining. Furthermore, this approach prevents a large-scale relocation process of pea gravel within the annular gap.
Bei Schildvortrieben hat die Qualität der Ringspaltverfüllung einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Tübbingausbaus. Das verwendete Bettungsmaterial beeinflusst die Interaktion Gebirge-Tübbingausbau. Deshalb ist die Wahl eines geeigneten Materials für die Ringraumverfüllung von hoher Bedeutung für das Systemverhalten. Zur Untersuchung des Umlagerungsverhaltens von Perlkies innerhalb des Ringspalts wurden Laborversuche durchgeführt. Die Versuche zeigten, dass vor allem bei Doppelschildmaschinen eine ausgeprägte Tendenz zur Umlagerung des Perlkieses in Längsrichtung während des Umsetzvorgangs gegeben ist. In Folge dessen sind die Tübbingringe unmittelbar hinter dem Schildschwanz nur teilgebettet.
Mittels numerischer Simulationen wurde der Einfluss der unvollständigen Bettung auf die Schnittkräfte der Tübbingsegmente untersucht. Die Simulationen haben gezeigt, dass die Rissentwicklung vor allem bei ungünstigen Bettungsszenarien bevorzugt auftritt. Weiters wurde festgestellt, dass Betonrisse lediglich auf einen erhöhten Ausnutzungsgrad innerhalb der Stahlbetonfertigteile, jedoch nicht auf eine Gefährdung der Ausbautragfähigkeit hinweisen. Wie in der Realität beobachtet, repräsentiert der Zustand der unvollständigen Bettung den maßgebenden Lastfall.
Abschließend wird eine Maßnahme vorgestellt, die die temporäre Bettung gezielt verbessern soll. Zudem verhindert diese eine großräumige Umlagerung von Perlkies innerhalb des Ringspalts.