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Autor(en)TitelZeitschriftAusgabeSeiteRubrik
Spagnoli, Giovanni; Feinendegen, Martin; Ziegler, MartinAssessing the clogging potential of clay/additive / mixtures by cone pull-out testsGeomechanics and Tunnelling4/2019362-371Topics

Kurzfassung

Clogging can be a massive problem during the mechanized excavation of tunnels. Soil conditioning with foams and/or polymers is normally used in these cases to decrease the adverse effect of clogging. In a research project the cone pull-out test was used to assess the variation of adherence for four sticky clays with four commercial additives. Results show that the additives have also an impact on the basic mechanical properties of the clays such as liquid limit, plasticity index and shrinkage limit. The tests were performed on the one hand by spraying the additives on the metal surface of the cone and on the other hand by directly mixing them to the clays to reach the critical consistency index (i.e. where the maximum adherence with water was observed). Sprayed cone tests show for two clays a decrease in adherence. However, by directly mixing the additives to the clay, adherence considerably decreases, except for one kaolinitic clay. The results can be useful to select suitable additives or to develop new ones considering the geotechnical and mineralogical properties of the excavated clays.

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de Oliveira, Daniela Garroux G.; Thewes, Markus; Diederichs, Mark S.EPB machine excavation of mixed soils - Laboratory characterisationGeomechanics and Tunnelling4/2019373-385Topics

Kurzfassung

Earth pressure balance (EPB) tunnel boring machines are shield machines that rely on their own excavated material as a support medium to maintain the support pressure at the face. This material also needs to have the necessary properties to be extracted, transported and, finally, disposed of. Whenever the natural material does not fulfil the necessary requirements, additives like water, foam, polymers, and fines, must be added, modifying the excavated ground to the desired conditions. The rheological properties of any excavated material, together with any additives, must be investigated and understood, as they will influence the flow behaviour of this conditioned material, directly affecting the machine operation and tunnel logistics. While studies assessing the flowability related to the EPB excavation of sand or clay soils are available, there is a lack of information on mixed soils. This paper presents the results from a testing campaign with mixed clay-sand samples, aiming to reproduce a simplified tropical weathered mixed soil, investigating its flow behaviour when changing certain controlled variables: clay-sand proportions, clay mineral, size of the clastic grain mixed with clay, water content, and additives (foam and polymers). Results from the tests conducted with a flow table, a slump test, and a rheometer device were compared, providing insights about the flow behaviour of the tested samples and its interaction with an EPB machine.

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Gerstner, Reinhold; Vigl, Alois; Jäger, Manfred; Wilfinger, NicoleSuitability and selection of excavation methods for headrace tunnels of high head hydropower plants / Eignung und Auswahl von Vortriebsverfahren für Druckstollen von Hochdruck-WasserkraftanlagenGeomechanics and Tunnelling3/2019199-211Topics

Kurzfassung

In the construction of high-pressure hydropower plants, the headrace is often the decisive cost component and determines the economic feasibility of the plant. For this reason, the selection and dimensioning of the most suitable tunnelling method is of fundamental importance. This starts with the determination of a suitable layout followed by a reliable geological prediction and covers the geotechnical interpretation and identification of geotechnical requirements. This is followed by the most accurate forecast of the performance of different excavation systems and risk assessments for each estimate. Finally, the development and comparison of different construction process scenarios is required to determine the most practical and safest combination of the most suitable excavation methods. Subsequently, these individual steps are explained and a comparison is drawn with experience gained in construction practice in the implementation of numerous headraces of high-pressure hydropower plants.
Beim Bau von Hochdruck-Wasserkraftanlagen stellt der Triebwasserweg vielfach den entscheidenden Kostenanteil dar und entscheidet über die wirtschaftliche Machbarkeit der Anlage. Aus diesem Grund kommen der Auswahl und Dimensionierung der bestgeeignetsten Vortriebsverfahren eine entscheidende Bedeutung bei. Dies beginnt bei der Trassenwahl, gefolgt von einer zutreffenden geologischen Prognose und erstreckt sich über die geologisch-geotechnische Interpretation und Identifikation der Anforderungen. Danach folgt eine möglichst exakte Prognose der Machbarbarkeit und Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Vortriebssysteme und der Risikobandbreite dieser Einschätzungen. Schließlich ist die Entwicklung und Gegenüberstellung unterschiedlicher Bauablaufszenarien erforderlich, um zur sinnvollsten und sichersten Kombination der bestgeeigneten Vortriebsmethoden zu kommen. In der Folge wird auf diese einzelnen Schritte eingegangen, und es wird ein Vergleich mit den in der Baupraxis gemachten Erfahrungen bei der Realisierung zahlreicher Triebwasserwege von Hochdruck-Wasserkraftanlagen gezogen.

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Blauhut, Andreas; Steyrer, Peter; Eichiner, Hans; Fiegl, Marco; Gasser, Oliver; Riediger, ChristianLower Tuxbach diversion - A high pressure diversion tunnel: Excavation and lining design for internal pressure greater than 20 bar / Untere Tuxbachüberleitung - Ein Überleitungsstollen als Hochdruckstollen: Vortrieb und Auskleidungskonzept für Innendrücke über 20 barGeomechanics and Tunnelling3/2019212-227Topics

Kurzfassung

The “Lower Tuxbach diversion” project includes an 8.5 km headrace tunnel to the Stillupp reservoir. Nearly in the middle, the tunnel has to pass under the Zemm valley, which is more than 200 m deeper than the weir and the reservoir. With the shallow gradient of the TBM excavation, long sections of the tunnel will then have a high internal pressure during operation (pressure > 20 bar). The TBM excavation was carried out mainly in the Ahorn gneiss of the “Tauernfenster”, which strikes perpendicular to the tunnel axis. The stability of the rock mass was regular, but in the tunnel section to the weir, many joints and smaller fault zones with non-water-resistant infilling were encountered. Considering the high internal pressure, it was decided to retain most of the originally foreseen concrete lining. In the tunnel section to the reservoir, the decision about a possible optimisation of the lining design will be made after the completion of excavation.
Das Projekt “Untere Tuxbachüberleitung” beinhaltet die Ausleitung des Tuxbachs über einen ca. 8, 5 km langen Stollen in den Speicher Stillupp. Bei etwa der Hälfte der Stollenstrecke muss das Zemmtal unterquert werden, das mehr als 200 m tiefer als die Bachfassung bzw. der Speicher liegt. Durch die Linienführung des maschinellen Vortriebs mit flacher Neigung kommen dabei im Betriebszustand längere Stollenabschnitte unter hohen Innendruck (> 20 bar). Die TBM-Vortriebe durchfahren großteils das achsparallel streichenden Ahorngneis des Tauernfensters. Die Stabilität des Gebirges ist weitgehend unproblematisch, allerdings sind im Stollenabschnitt Richtung Tux zahlreiche Klüfte bzw. Scherbahnen mit teils erosionsempfindlichen Füllungen zu beobachten. Im Hinblick auf die Innendruckbelastung wird daher in diesem Abschnitt die vorgesehene Ringbetonauskleidung großteils beibehalten. Im Stollenabschnitt Richtung Stillupp wird die Entscheidung über eine allfällige Optimierung des Auskleidungskonzepts nach Abschluss des laufenden Vortriebs getroffen.

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Gerstner, Reinhold; Dich, Christopher; Tschuchnigg, Franz; Bickel, LukasGeological basics, geotechnical design and lining of the new headrace system for the Rodundwerk I / Geologische Grundlagen, geotechnische Planung und Auskleidung des neuen Kraftabstiegs Rodundwerk IGeomechanics and Tunnelling3/2019228-237Topics

Kurzfassung

In Memoriam Reinhold Gerstner
The Vorarlberger Illwerke AG is currently working on redesigning the headrace system to the existing Rodundwerk I. The old power water way consists of an upper pressure tunnel, a penstock, a lower pressure tunnel along with the distribution pipeline to the four turbines and a pump. The same headwater sections are being constructed with an optimized route in the immediate vicinity of the existing structure. For the optimized layout of the new headrace, system options were isolated by means of 2D analyses. The variant for construction was investigated by means of a 3D analysis and the obtained results are the basis of the definition of the lining areas and thus the dimensioning of the individual types of lining. The present contribution deals with the geological boundary conditions, the findings from the old headrace, the assumptions and the resulting layout of the redesign. Finally, the basics of the lining concept and the design results are presented.
Aktuell arbeitet die Vorarlberger Illwerke AG an der Neukonzeption des Kraftabstiegs zum Rodundwerk I. Der Altbestand besteht aus einem oberen Druckstollen, einem Schrägschacht, einem unteren Druckstollen samt der Verteilrohrleitung zu den vier Turbinen und einer Pumpe. Felsmechanisch bedingt werden dieselben Triebwasserabschnitte mit einer optimierten Trassenführung im Nahbereich des verbleibenden Altbestands errichtet. Für die optimierte Trassenführung wurden mittels 2D-Analysen ausführbare Möglichkeiten isoliert. Die zur Ausführung gelangende Variante wurde mittels einer 3D-Analyse bestätigt und deren Ergebnisse bilden die Grundlage der Festlegung der Auskleidungsbereiche und somit der Bemessung der einzelnen Auskleidungsarten. Im vorliegenden Beitrag werden einleitend die geologischen Randbedingungen und die Erkenntnisse aus dem Altbestand, die in der 2D FE-Analyse vermuteten und durch die 3D FE-Analyse bestätigten neuen Erkenntnisse und die daraus resultierende Trassenwahl erläutert. Abschließend werden aus geologischer und geotechnisch-felsmechanischer Sicht die Grundlagen des Auskleidungskonzepts vorgestellt.

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Wachter, Robert; Bonapace, Paul; Bilak, AndreasUnderground construction on the Prutz/Ried contract of the Gemeinschaftskraftwerk Inn (GKI) / Der Untertagebau im Baulos Prutz/Ried des Gemeinschaftskraftwerks Inn (GKI)Geomechanics and Tunnelling3/2019238-250Topics

Kurzfassung

Even in the 1920s were already the plans for hydropower exploitation of the upper River Inn. Since the resumption of design work, the Gemeinschaftskraftwerk Inn (GKI) project has been optimised and adapted to the latest state of the technology as well as ecological requirements. After a collaborative process involving the authorities from both countries, the start of construction could be approved in 2014. The project will build a diversion hydropower station with an annual generation of about 414 GWh in the border area of Switzerland and Austria.
Schon in den 1920er-Jahren gab es bereits erste Pläne für die Wasserkraftnutzung am Oberen Inn. Seit der Wiederaufnahme der Planung wurde das Projekt Gemeinschaftskraftwerk Inn (GKI) optimiert und an den neuesten Stand der Technik sowie an die ökologischen Ansprüche angepasst. Nach einem zweistaatlichen Behördenverfahren konnte 2014 der Startschuss für die Errichtung gegeben werden. Damit entsteht im schweizerisch-österreichischen Grenzgebiet ein Ausleitungskraftwerk mit einer Jahreserzeugung von rund 414 GWh.

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Pikl, Franz Georg; Richter, Wolfgang; Zenz, GeraldLarge-scale, economic and efficient underground energy storage / Großtechnische, wirtschaftliche und effiziente untertägige EnergiespeicherGeomechanics and Tunnelling3/2019251-269Topics

Kurzfassung

The conversion of the energy supply system towards renewable technologies is indispensable for climate and environmental protection. With the predominant use of inexhaustible but fluctuating renewable energy sources, energy storage capacities and physical networks are key infrastructure for sustainable functionality. Efficient pumped-storage hydropower can meet these demands. However, suitable sites for conventional surface reservoirs are facing natural limits, and new storage capacities in ecologically sensitive mountainous valleys are increasingly difficult to license. To gap these aspects this article reflects the construction of fully underground pumped-storage hydropower plants to cover multipurpose energy storage requirements.
Thus, the surface reservoirs are substituted by underground storage caverns with less water volume required by equivalent energy storage capacity since high heads are utilized. Proximity to urban areas improves the construction and operation through various infrastructure and close connection to existing power grids, power plants and consumers. Valuable surface resources remain untouched and the closed water cycle ensures a constant storage volume and independent operation against external influences. Furthermore pumped-storage is combined with seasonal underground thermal energy storage. This system leads the well-proven hydraulic energy storage technology into a new energetic age and ensures the demand-based and cross-sectoral renewable energy supply.
Der Umbau der Energiebereitstellung mit überwiegender Nutzung erneuerbarer Energien ist auf Energiespeicher und physikalische Vernetzung der Energieinfrastruktur angewiesen. Die Speicher sind Schlüsselkomponenten, welche die Schwankungen zwischen Energiebedarf und Energieerzeugung ausgleichen. Effiziente Pumpspeicherkraftwerke erfüllen diese Anforderungen; geeignete Speicherstandorte sind jedoch nur begrenzt verfügbar. Darüber hinaus ist der Speicherausbau in ökologisch sensiblen Hochtälern immer schwieriger realisierbar.
Die für Triebwassersysteme und Krafthäuser gängige untertägige Bauweise soll auf die gesamte Kraftwerksanlage inklusive den Speicherbauwerken ausgeweitet werden. Vollständig unterirdisch errichtete, tiefliegende, nicht an natürliche Gegebenheiten gebundene Kraftwerksbauten können für sehr große Fallhöhen und gleichzeitig reduzierte Wasservolumina ausgelegt werden. Der geschlossene Wasserkreislauf gewährleistet maximale Umweltverträglichkeit und unabhängigen Betrieb gegenüber äußeren Einflüssen. Die Nähe zu urbanen Gebieten erleichtert Bauvorhaben durch vorhandene Infrastruktur und sichert die Anbindung an bestehende Energienetze. Die Kombination von Pumpspeichern mit saisonalen thermischen Energiespeichern führt die hydraulische Energiespeicherung in ein neues Zeitalter und sichert die bedarfsgerechte und sektorenübergreifende Energieversorgung.

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Innerhofer sen., Guntram; Greiner, Richard; Innerhofer jun., GuntramStructural design concept for pressure shafts of hydro plants using the passive resistance of the rock mass / Bemessungskonzept für Druckschächte bei Nutzung des passiven GebirgswiderstandsGeomechanics and Tunnelling3/2019270-281Topics

Kurzfassung

The proposed method can be seen as an adaption of the “Seeber” concept considering developments in geomechanics, calculation methods and steel technology over the last decades. When exposed to inner pressure, the cracking condition is transgressed and steel linings will not protect the rock mass against cracking. Accordingly, the post-failure behaviour of the rock mass is an essential basis for structural design. The effects of crack water pressure on radial displacements and the width of gaps are considered. The resistant behaviour of the rock mass is determined by its minor primary principal stress. Under mountain ridges and slopes, there is no correlation between the minor stresses and the height of overburden. Obviously damage cases in concrete lined tunnels are the result of inappropriate assessment of principal stresses. A better approach is proposed based on fundamental considerations and FE calculations. Crack water pressure close to the level of the minimal principal stress will induce progressive hydraulic fracturing in the rock mass, which requires safe waterproofing sealing of the shaft. Grouting the coaxial gap in rock mass is a firm part of any design concept. In shafts sealed by membranes, the capability to bridge fissures must be proved by tests. In steel lined shafts, the usable passive resistance of rock mass is determined by the acceptable radial displacement.
Die Betrachtung des Verbundverhaltens Felsmantel-Auskleidung kann als Erweiterung des Seeber-Verfahrens durch Berücksichtigung der Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten von Geomechanik, Berechnungsverfahren und Stählen aufgefasst werden. Bei Innendruckbelastung entstehen Radialrisse an der Laibung, sobald dort die wirksame Tangentialspannung unter Null fällt. Nach Überschreiten der Anrissbedingung können Panzerungen Radialrisse im Felsmantel und Rissweiten an der Laibung nicht verhindern. Das Post-Failure-Verhalten des Felsmantels ist wesentlicher Bestandteil des Bemessungsverfahrens. Die Wirkung des Kluftwasserdrucks auf Radialverschiebung der Laibung und Rissweite wird berücksichtigt. Die Primärspannung des Gebirges bzw. dessen im betrachteten Querschnitt kleinere Hauptnormalspannung bestimmen das Tragverhalten des Felsmantels. In Kamm- und Hanglagen besteht kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen Überlagerungshöhe und der kleineren Hauptnormalspannung. Mit grundsätzlichen Überlegungen und Ergebnissen von FE-Parameterstudien wird ein Zugang zur Abschätzung der Gebirgsspannungen angeboten. Kluftwasserdrücke nahe der minimalen Gebirgsspannung können zu fortschreitender Kluftsprengung führen. Innendrücke, die diesem Zustand nahekommen, bedürfen somit einer verlässlich dichten Auskleidung. Die Riss-Überbrückung von Membranen muss gewährleistet sein. Für Kunststoff-Folien sind entsprechende (Versuchs-) Nachweise zu liefern.

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Kieffer, Scott; Dreese, Trent; Weil, Jonas; Kleberger, JohannesTools for optimizing rock mass groutingGeomechanics and Tunnelling2/2019121-128Topics

Kurzfassung

Optimization of rock grouting procedures during construction is necessitated when sparse data sets and incomplete geologic understanding form the basis of initial design. Relying on geologic investigation findings that often have limited budgets, initial designs typically consider data from only a small volume of the entire rock mass to be grouted. During construction, thousands of production boreholes may be drilled and grouted, and each of these boreholes has the potential to provide valuable information for modifying the injection materials and construction means/methods. Implementation of procedural changes is greatly facilitated by the ability to efficiently assemble, query, visualize and interpret vast amounts of 3D data in near real-time.
This contribution summarizes the main targets of rock mass characterization in the context of grouting works, along with investigative tools that provide valuable information: (1) regarding the distribution and properties of in situ permeability features; (2) for modifying and optimizing grouting procedures; and (3) for verifying grouting results in situ. Three dimensional modeling approaches that are amenable to data visualization are reviewed, including the workflow for near real-time model updating as construction proceeds.

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Kogler, Kurt; Hechenbichler, Johann; Gabriel, PatrickGrouting measures in dam construction / Injektionsmaßnahmen im TalsperrenbauGeomechanics and Tunnelling2/2019129-140Topics

Kurzfassung

Grouting measures in dam construction are of increasing importance in Europe, where many of the largest dams were constructed during the 1950s and 1970s. Nowadays, these dams often have to resist higher loads then they were originally designed for, and changes of reservoir management have increased loads on the structures in many cases. For this reason, many plant operators have decided to adapt dam structures for present-day use, to increase sustainability and guarantee serviceability. At the same time, the construction of new dams requires comprehensive planning as well as full cooperation between all areas of civil engineering and grouting technology. Grouting works are key elements of dam structures, which are usually not directly visible from the surface and therefore seldom perceived by the public. This paper gives an insight into the possibilities of grouting measures in dam construction and a brief overview of objectives of grouting measures and their assignment to components of dams as well as grouting measures for waterproofing curtains, pressure tunnels, pressure shafts, surge tanks and porous mass concrete.
Injektionsmaßnahmen im Talsperrenbau gewinnen durch die erforderlich gewordene Ertüchtigung von bestehenden Anlagen wieder zunehmend an Bedeutung in Europa. Durch moderne Methoden der Speicherbewirtschaftung (Pumpspeicherwerke) und daraus resultierende hohe dynamische Lasten über die Lebensdauer der Anlagen wurde es notwendig, die in den 1950er- und 1970er-Jahren gebauten Anlagen dem aktuellen Stand der Technik anzupassen. Gleichzeitig ist beim Bau neuer Talsperren eine umfassende Planung von Injektionsmaßnahmen sowie eine Zusammenarbeit aller Bereiche der Ingenieurwissenschaften mit der Injektionstechnik notwendig. Injektionen sind dabei ein wesentlicher Bestandteil von Sperrbauwerken, die in der Regel von der Oberfläche nicht sichtbar sind und somit selten von der Öffentlichkeit wahrgenommen werden. Der Beitrag gibt Einblick über die Vielfältigkeit der Einsatzmöglichkeiten von Injektionsmaßnahmen im Talsperrenbau und behandelt hierbei die Funktionen von Injektionsmaßnahmen und deren Anlagezuordnung im Kraftwerksbau, die Injektion von Dichtschirmen, Druckstollen, Druckschächten und Sperrbauwerken aus Massenbeton.

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Hognestad, Hans-Olav; Kieffer, ScottPre-excavation grouting in rock tunneling - Dealing with high groundwater pressuresGeomechanics and Tunnelling2/2019141-146Topics

Kurzfassung

In rock tunneling, pre-excavation grouting (or, pre-injection) refers to systematic treatment of the rock mass ahead of an advancing tunnel face via pressure grouting. The main purpose of pre-excavation grouting is to reduce water inflows, or to improve geomechanical properties of the rock mass. This paper summarizes approaches for treating competent rock masses with systematic pre-injection of cementitious grouts through boreholes drilled from the working tunnel face. The focus is on traditional cement based grouting technology and drill-and-blast tunneling under high static groundwater pressures (> 20 bar). Post-injection, where drilling and grouting is performed somewhere behind the tunnel face, provides an additional means for achieving a high degree of watertightness, but is beyond the scope of this paper.

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Creütz, Mikael; Osterman, FredrikThe Stockholm Bypass - Design and execution of grouting works - Pre-excavation grouting by means of rock fissure grouting with cementitious groutsGeomechanics and Tunnelling2/2019147-157Topics

Kurzfassung

The E4 Stockholm Bypass is a new route for the European highway (E4) past the Swedish capital Stockholm. The bypass will connect the southern and northern parts of Stockholm. To reduce the impact on the surroundings, 18 km of the total of 21 km of the Stockholm Bypass are being constructed in tunnels. The Bypass will be one of the longest road tunnels in the world, with a construction cost of 3.1 billion Euro (2009 prices).
The challenges have been many, for example how to evaluate the hydraulic rock mass properties for such a vast tunnel stretch and then find the most suitable grouting design, the contractor's ability to deliver proper grout properties and suitable grouting equipment, the time and resources needed for QA/QC of the grouting works and the need for adaption of the grouting works to true geological conditions. Not to mention the complexity of monitoring water ingress during construction for the Client to show that the sealing demands are being met according to the environmental permits for water works operations. The Stockholm Bypass is by far the largest rock fissure grouting operation undertaken for road tunnels in Swedish history.

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Wannenmacher, Helmut; Entfellner, Manuel; Krenn, HaraldConsiderations for rock mass grouting for tunnelling in faulted rock masses with tubes á manchette / Überlegungen zu Gebirgsinjektionen für den Tunnelbau im gestörten Gebirgsverband mittels ManschettenrohrenGeomechanics and Tunnelling2/2019158-167Topics

Kurzfassung

Grouting into an open borehole is a process that has been well described academically. Numerous grouting techniques and grouting criteria are available for various applications and combinations of rock mass/ground. Tube á manchette (TAM) or sleeve port grouting systems have until now mostly been used in specialized civil engineering work in soft ground. In order to be able to carry out grouting successfully in faulted rocks, cased drilling is necessary in order to maintain the stability of the borehole for the insertion of the sleeve pipe. Under these premises, fundamental considerations for successful TAM grouting in faulted rocks are presented. The rheological properties of the grout used, the form and size of the injection opening and the strength and thickness of the sheathing compound significantly influence the penetration into the surrounding rock mass. Increased effective pressure is necessary in order to break through the sheathing compound and also to overcome friction losses during the grouting process. The necessity of high effective pressure and the emergence of the grout at the sleeve ports can, in contrast to an open borehole, increase the risk of jacking the ground in the course of grouting and this has to be carefully taken into account and investigated in advance. The interaction of effective grouting pressures and friction losses of the grouting system and their effect on the grouting process in faulted rock are described through the formulation of a general grouting criteria for TAM grouting.
Der Injektionsprozess in einem offenen Bohrloch ist ein wissenschaftlich gut beschriebener Vorgang. Zahlreiche Injektionstechniken und Injektionskriterien sind für verschiedene Anwendungsfälle sowie Gebirgs-/Baugrundarten vorhanden. Manschettenrohr-Injektionssysteme wurden bisher vorwiegend bei Spezialtiefbaumaßnahmen im Lockergestein eingesetzt. Um Injektionen im Störungsgestein erfolgreich durchführen zu können, ist ein verrohrtes Bohrverfahren zur Aufrechterhaltung der Bohrlochstabilität zum Einbringen der Manschettenrohre sinnvoll. Unter dieser Prämisse werden Grundüberlegungen für eine erfolgreiche Manschettenrohr-Injektion im Störungsgestein vorgestellt. Die rheologischen Eigenschaften des verwendeten Injektionsmittels, die Form und Größe der Injektionsöffnungen im Manschettenrohr, sowie die Festigkeit und Stärke der Mantelmischung beeinflussen die Penetration in das umgebende Gebirge maßgeblich. Ein erhöhter wirksamer Injektionsdruck ist notwendig um einerseits die Mantelmischung aufzusprengen und andererseits die Reibungsverluste während des Injektionsprozesses zu überwinden. Die Notwendigkeit von hohen wirksamen Injektionsdrücken und punktuellen Injektionsaustritten kann im Vergleich zu Injektionen am offenen Bohrloch das Risiko, den Baugrund im Zuge der Injektion aufzusprengen erhöhen und muss somit sorgfältig im Vorhinein berücksichtigt und untersucht werden. Durch die Formulierung von grundlegenden Injektionskriterien für Manschettenrohre wird die Wechselwirkung von wirksamen Injektionsdrücken und Reibungsverlusten des Injektionssystems und deren Auswirkungen auf den Injektionsprozess im Störungsgestein beschrieben.

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Walter, Andreas; Mihaylov, Vladislav; Wagner, HannsDevelopment of a guideline for cross passage junctions in segmental lined tunnels / Entwicklung eines Planungsleitfadens für das Anfahren von Querschlägen bei maschinellem VortriebGeomechanics and Tunnelling1/201919-32Topics

Kurzfassung

The connection between tunnels and cross passages places high demands on support and safety measures, especially for mechanized tunnelling with segmental lining. The critical task is to develop a temporary support system during the opening of the precast segmental lining until the inner lining of the cross passage has developed its full bearing capacity and is acting as a final support measure. For singleshell tunnels with waterproof linings, the serviceability of a durable waterproofing connection has to be ensured. A working group initiated by Austrian Federal Railways (ÖBB) has been concentrating on the opening of cross passages in TBM tunnels. The result of the research will be summarized in a guideline for the design of cross passage openings in tunnel with segmental lining. The guideline will describe the different systems already used for various scenarios according to the state of the technology. The paper summarizes the current state of the guideline and provides some recommended systems for lining support, waterproofing systems as well as some fundamental structural design models for the different support and coupling elements.
Die Verbindung von Tunnelröhren mit Querschlägen stellt speziell bei maschinellen Vortrieben mit Tübbingausbau hohe Ansprüche an die baulichen Sicherungsmaßnahmen. Der Übergang zwischen Tunnelröhre und Querschlag bildet im Bauzustand den kritischen Bereich. Die Herausforderung liegt darin, die Tübbinge der Tunnelröhre beim Abtragen bzw. Aufschneiden temporär zu stützen, bis der Ausbau bzw. die Innenschale des Querschlags hergestellt ist. Zusätzlich gilt es, die Gebrauchstauglichkeit des Dichtungsanschlusses bei gedichteten, einschaligen Systemen dauerhaft sicherzustellen. Eine von der ÖBB-Infrastruktur AG im Rahmen einer TVM-Forschungsinitiative initiierte Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Anfahren von Querschlägen bei maschinellen Vortrieben. Das Ergebnis dieser Untersuchungen wird in einem Planungsleitfaden zusammengefasst. Ziel und Zweck des Planungsleitfadens ist es, die verschiedenen technischen Möglichkeiten für das Anfahren gemäß den anerkannten Regeln der Technik und den bisher erzielten Erfahrungen der eingesetzten Systeme zusammenzufassen. Beginnend mit dem Versuch, einheitliche Begriffe zu bestimmen, über die Abhandlung von allgemeinen Planungsgrundsätzen werden die gängigen Systeme zur Lastabtragung im Bereich der Tübbingöffnung, Abdichtungssysteme sowie Vorschläge für die statische Berechnung und Dimensionierung vorgestellt. Der Beitrag fasst den aktuellen Arbeitsstand des Planungsleitfadens zusammen.

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Atzl, Georg; Josmann, Gerd; Handke, Dieter; Zevnik, Jaka; Fleissner, Werner; Moritz, Bernd; Schiesser, Karl; Kiesling, AndreasGround pressure-dependent segment opening options for cross passages on Koralm Tunnel contract KAT3 - Development of support types for cross passage excavation to segment-lined tunnel / Gebirgsdruckabhängige Tübbing-Öffnungsvarianten für Querschläge beim Koralmtunnel KAT3 - Entwicklung von Sicherungstypen zum Einfahren von Querschlagvortrieben in TübbingröhreGeomechanics and Tunnelling1/201933-44Topics

Kurzfassung

The southern tube of the Koralm Tunnel, contract KAT3, is being conventionally excavated with two-pass lining, while the northern tube is being driven by TBM with single-pass segment lining. The tunnel tubes are located in quite different geotechnical conditions, with soft ground of high and low permeability, major fault zones and hard rock. Cross passages are provided about every 500 m of the 12 km long tunnel section. Different support types are required for the opening of the segment lining and connection to the excavation of the cross passage. In hard rock, the support consists of anchors, tail void grout and permanent bolts between the segments. In soft ground, a temporary pre-stressed steel structure is provided, with longitudinal dowels at ring joints and special segments with increased reinforcement for the special case where cross passage excavation enters the segment-lined tunnel.
Im Baulos KAT3 des Koralmtunnels KAT3 wird die Südröhre konventionell mit zweischaligen Ausbau und die Nordröhre maschinell mit einschaliger Tübbingauskleidung aufgefahren. Die Fahrröhren liegen in sehr unterschiedlichen geologischen Verhältnissen wie durchlässigen und undurchlässigen Lockerböden mit hohem Wasserdruck, großen Störungszonen und langen Abschnitten mit standfestem Gebirge. So wie für den gesamten Tunnel sind auch für den 12 km langen Tunnelabschnitt in der Nordröhre Querschläge im Abstand von rund 500 m herzustellen. Das Auffahren der Nordröhre erfolgt mittels einer Tunnelvortriebsmaschine (TVM) mit einschaliger Tübbingauskleidung. Aufgrund dieser Randbedingungen ergeben sich unterschiedliche Sicherungstypen für die Querschlaganbindung an die Tübbingröhre. Im kristallinen Festgestein erfolgt die Sicherung durch Anker, Ringspaltvermörtelung und permanente Schrauben. In den neogenen Sedimenten wurde eine temporäre Sicherung mit vorgespannter Stahlabstützung, Längsdübeln in den Ringfugen und Sondertübbingen entwickelt, die für diesen besonderen Fall des Einfahrens des Querschlagvortriebs in die Tübbingröhre anwendbar ist.

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Ring, Benno; Gollegger, JohannesWatertight segmental lining at drained cross passages under high water gradientsGeomechanics and Tunnelling1/201945-52Topics

Kurzfassung

The Follo Line tunnels consist of a watertight single shell segmental lining with gaskets. The cross passages are drained, but watertightness is required between the two structures, which is a challenging boundary condition for design and construction. This paper focuses on the structural design of the intersection between the tunnels and the cross passages, which is performed with considerable effort. Special attention is brought to the water pressures acting in this area. Some of the challenges during project execution are discussed as well.

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Mihaylov, Vladislav; Zenz, ReinhardBoßler Tunnel - Use of shear dowels between segment rings at cross passages / Boßlertunnel - Anwendung von Schubdübeln bei den Sondertübbingen im Bereich der VerbindungsbauwerkeGeomechanics and Tunnelling1/201953-61Topics

Kurzfassung

In the course of the construction of the new Wendlingen-Ulm line, the Boßler Tunnel with a length of 8,806 m is under construction between Aichelberg and Filstal. Both single-track main tunnel tubes are for the most part excavated by TBM and lined with segments. The main tunnel tubes have an overburden of up to 280 m and are separated by a rock pillar ranging in width from 5 to 30 m. For safety reasons, seventeen cross passages connect the main tunnels, each at a spacing maximum of 500 m. Cross passage excavation requires the opening of the main tunnel lining and therefore the removal of lining segments. In order to ensure stability of the tunnel lining during the construction phase, special lining segments are used for the main tunnel in cross passage areas. Special lining segments are adapted with additional reinforcement and built-in components. Shear forces in the circumferential joints are transmitted by shear dowels.
Im Zuge der Neubaustrecke Wendlingen-Ulm wird zwischen Aichelberg und Filstal der Boßlertunnel mit einer Länge von 8.806 m errichtet. Die beiden eingleisigen Haupttunnel werden vorwiegend maschinell aufgefahren und mit einer einschaligen Tübbingschale ausgebaut. Die Dicke des Gebirgspfeilers zwischen den beiden Röhren beträgt zwischen 5 und 30 m, die maximale Überlagerungshöhe ca. 280 m. Die beiden Haupttunnel werden in einem maximalen Abstand von 500 m mit insgesamt 17 Verbindungsbauwerken verbunden. Für den Vortrieb der Verbindungsbauwerke müssen die im Bereich der Tübbingöffnung verbauten Tübbinge ausgebaut werden. Um die Stabilität der Tübbingschale in der Bauphase sicherzustellen, werden die Tunnelröhren im Bereich der Verbindungsbauwerke mit Sondertübbingen, die entsprechend den zusätzlichen statischen und konstruktiven Anforderungen mit den erforderlichen Einbauteilen und zusätzlicher Bewehrung ergänzt werden, ausgeführt. Die Kraftübertragung im Bereich der Ringfuge erfolgt mit Schubdübeln.

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Iasiello, Cosimo; Torralbo, Juan Carlos Guerra; Pérez Caldentey, P.E. AlejandroCross passages between TBM tunnels: The experience in Spanish high-speed railway tunnelsGeomechanics and Tunnelling1/201962-68Topics

Kurzfassung

This paper describes, by means of two practical examples, the different approaches employed to design and build cross passages between segmental lined tunnels for high speed railway lines in Spain. The increment of principal stresses at the cross passages leads to the need of an additional support system for the tunnel lining. The chosen solution for this support system depends mainly on the ground conditions, the tunnel overburden and contractor's local experience. The first example is related to the Pajares Tunnels bored in the San Emiliano formation and the second one collects the experiences of the Guadarrama tunnels bored in very hard gneiss and granite rocks. The aim of this paper is to establish some key aspects to be considered when choosing the cross passage design and the corresponding excavation process.

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Frodl, StephanSupport structures for segments at the construction of cross passages in different soil conditions / Unterstützungskonstruktionen für Tübbinge beim Herstellen von Querschlägen in unterschiedlichen BaugrundverhältnissenGeomechanics and Tunnelling1/201969-81Topics

Kurzfassung

Emergency exits must be available at certain intervals in tunnels for safety reasons. For this purpose, cross passages are excavated to a second tunnel tube, to shafts with staircases or separate exit tunnels. For the excavation of these emergency exits in TBM drives with segmental lining, openings have to be provided in the segmental lining. This article outlines different systems to make openings in segmental linings. The choice of a suitable system depends on various constraints, e.g. the geometric dimensions of the tunnel tube and the cross passages or the prevailing soil conditions. In addition, the loadbearing capacity and serviceability is also very important.
In Tunnelbauwerken müssen aus sicherheitstechnischen Gründen in bestimmten Abständen Rettungswege vorhanden sein. Hierzu werden Querschläge zu einer zweiten Tunnelröhre, zu Schächten mit Treppenaufgängen oder auch separate Fluchtstollen hergestellt. Für den Bau dieser Rettungswege in maschinell vorgetriebenen Tunnelröhren mit Tübbingausbau müssen bei allen Varianten Öffnungen in der Tübbingschale ausgebrochen werden. Im Beitrag werden verschiedene Systeme zur Herstellung von Öffnungen in Tübbingschalen vorgestellt. Die Wahl eines geeigneten Systems hängt von verschiedenen Randbedingungen wie den geometrischen Abmessungen der Tunnelröhre und der Querschläge oder den anstehenden Baugrundverhältnissen ab. Darüber hinaus spielen aber auch die Tragfähigkeit und die Gebrauchstauglichkeit des Tübbingausbaus eine entscheidende Rolle.

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Tellioglu, VolkanObservations on cracking in concrete tunnel segments - An assessment of correlationsGeomechanics and Tunnelling1/201982-95Topics

Kurzfassung

Faced with the combined challenge of aging sewer infrastructure and rapid population growth, the Abu Dhabi Sewerage Services Company (ADSSC) has embarked on a bold approach to build an enhanced sewer infrastructure with a deep gravity sewer tunnel at the centre. The primary lining of the new 41 km-long deep sewer tunnel has been completed by tunnel boring machines (TBM). The concrete segmental lining has an internal diameter varying from 4 to 5.5 m internal diameter and is located at depths of 20 to 80 m below the ground surface. This paper discusses the results of observations made on segment cracking experienced at different stages in the installation of concrete lining for the first of three TBM drives in Contract T-02 of the Abu Dhabi Strategic Tunnel Enhancement Program (STEP). It also attempts to quantify correlations and ranking among various mechanical and geometrical variables of ring installation based on their contribution to segment cracking. The method of assessment used in the case study has been successfully verified on a separate project, which encouraged the author to develop and propose a generalized procedure for investigation to serve as a roadmap in the future projects with segment cracking issues.

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Joham, KurtFrom conventional to mechanised tunnelling - A technical and operational challenge / Vom konventionellen zum maschinellen Vortrieb - Eine technische und baubetriebliche HerausforderungGeomechanics and Tunnelling6/2018636-646Topics

Kurzfassung

The article provides a summarised report about the redesign of the 8, 822 m long Boßler Tunnel from the originally intended shotcrete method to a mechanically driven tunnel. The twin-bore Boßler Tunnel is the main contract on the Albaufstieg (Alb ascent) section of the new DB line from Wendlingen to Ulm as part of the major DB project Stuttgart-Ulm. In 2012, the tunnel was tendered by the DB AG for construction by conventional methods with shotcrete support, but a bid for the Boßler Tunnel was received from the consortium Porr, Hinteregger, Östu/Stettin and Swietelsky with an alternative proposal to drive a 2,900 m long section of the tunnel with a machine. The contract was awarded with the alternative proposal and during the construction of the Boßler Tunnel, a change was then made to complete mechanised tunnelling in a unique technical and operational process. The report provides an insight into the challenges of a change to the overall construction system, undertaken after the award during the construction period, for the driving of altogether 17,500 m of tunnel bores. Construction operations, logistics, design for construction, additional investigation measures and contractual parameters were reorganised and redesigned on a tight schedule. Starting with the original 5,800 m TBM drive and the start of tunnelling in April 2015, the entire Boßler Tunnel was actually constructed as a mechanically driven single-pass tunnel by June 2018.
Der Beitrag gibt einen zusammenfassenden Bericht über die Umgestaltung des 8.822 m langen Boßlertunnels von einem ursprünglich in Spritzbetonbauweise geplanten Tunnel in einen maschinell aufgefahrenen Tunnel. Der zweiröhrige Boßlertunnel bildet das Hauptbaulos am Albaufstieg der DB Neubaustrecke Wendlingen-Ulm im Zuge des DB Großprojekts Stuttgart-Ulm. 2012, als Tunnel in konventioneller Spritzbetonbauweise von der DB AG zur Ausschreibung gebracht, wurde der Boßlertunnel von der Arbeitsgemeinschaft Porr, Hinteregger, Östu/Stettin und Swietelsky mit einem Sondervorschlag, der das Auffahren des Tunnels mit maschinellem Vortrieb in einem 2.900 m langen Teilbereich vorsah, angeboten. Beauftragt mit dem Sondervorschlag wurde während der Bauausführung der Boßlertunnel in einem einzigartigen technischen und baubetrieblichen Vorgang in einen ausschließlich maschinell aufgefahren Tunnel umgestaltet. Der Beitrag vermittelt einen Einblick in die Herausforderungen einer generellen Änderung des Bausystems, nach Auftragserteilung im Zuge der Baudurchführung, beim Auffahren von insgesamt 17.500 m Tunnelröhren. Baubetrieb, Baulogistik, Ausführungsplanung, zusätzliche Erkundungsmaßnahmen und bauvertragliche Parameter waren in engen Zeiträumen umzugestalten und neu zu konzipieren. Ausgehend von ursprünglich 5.800 m TVM-Vortrieb und dem Vortriebsbeginn im April 2015 konnte bis Juni 2018 der gesamte Boßlertunnel als maschinell aufgefahrener einschaliger Tübbingtunnel hergestellt werden.

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Wunderle, Maximilian; Abele, MatthiasGeotechnical challenges during the construction of the Albabstieg Tunnel in prediction and construction / Geotechnische Herausforderungen beim Bau des Tunnel Albabstieg in Prognose und AusführungGeomechanics and Tunnelling6/2018647-658Topics

Kurzfassung

The construction of the Albabstieg Tunnel on the Wendlingen-Ulm railway line had to overcome several geotechnical challenges. For the filling of the ground replacement body as a foundation for the slab track from recycled tunnel excavation material, it turned out that the Jurassic limestones are only conditionally suitable as a qualified fill material. The aggregates processed on site can only be used as fill material if cement stabilised. Beside the main issue of karst investigation, above ground by means of geophysical methods and underground using a conventional drilling grid, two longer sections of pipe screens had to be constructed: in the area of an unsealed landfill intersected by the tunnel cross-section and in the area of shallow overburden in the Lehrer Tal. Tunnelling under a residential area with historic cellars had to be accompanied by an intensive monitoring of blasting due to highly variable rock strength. Low-emission tunnelling could only be achieved with additional measures of blasting optimization. With the interdisciplinary co-operation between client, geotechnical consultant, designer and contractor, these special challenges were successfully overcome and the construction works were completed within cost and schedule.
Beim Bau des Tunnel Albabstieg auf der NBS Wendlingen-Ulm mussten unterschiedliche, teilweise nicht prognostizierte geotechnische Herausforderungen bewältigt werden. Die Herstellung des Bodenaustauschkörpers im Einschnitt der Freien Strecke als Gründungskörper für die Feste Fahrbahn sollte aus aufbereitetem Tunnelausbruch erfolgen. Die anstehenden Weißjuragesteine sind nur bedingt als qualifizierter Schüttstoff geeignet, und die hergestellten Gesteinskörnungen konnten somit nur mittels geotechnischer Zusatzmaßnahmen eingebaut werden. Neben der Karsterkundung, über Tage durch geophysikalische Verfahren und unter Tage durch ein konventionelles Bohrraster, mussten im Vortrieb zwei Rohrschirmstrecken hergestellt werden: Im Bereich einer nicht abgedichteten Erdstoffdeponie und im Bereich geringer Überlagerung im Lehrer Tal. Sowohl bei der Karsterkundung, als auch bei der Herstellung der Rohrschirme kam es zu nicht prognostizierten Sachverhalten. Die Unterfahrung eines Wohngebiets mit historischen Kelleranlagen musste aufgrund der wechselhaften Gebirgsfestigkeit mit einem intensiven Sprengmonitoring begleitet werden. Erst durch zusätzliche Maßnahmen wie Sprengoptimierung konnte ein ausreichend emissionsarmer Vortrieb erreicht werden. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Auftraggeber, Sachverständigen, Planern und ausführendem Bauunternehmen führten zu einer erfolgreichen Bewältigung der besonderen Herausforderungen und einem Abschluss der Bauarbeiten im Kosten- und Terminplan.

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Halwachs, MichaelGuidelines for health and safety and fire safety on underground construction sites / Richtlinien für Sicherheit, Gesundheitsschutz und Brandschutz auf UntertagebaustellenGeomechanics and Tunnelling6/2018659-665Topics

Kurzfassung

Underground construction sites represent a complex challenge for all project participants. Precisely in the area of health and safety as well as fire safety, therefore, good coordination is necessary in order to successfully counteract the increased accident and health risks. Clear definition of tasks and responsibilities is therefore essential. Through a continuous risk management process, it is possible to ensure from the design phase to the construction phase that risks can be minimized in advance and that the best risk reduction measures can be derived. The Guideline and Regulation for the Planning, Construction and Maintenance of Roadways (RVS) 09.01.51 “Health and Safety on underground construction sites” provides the necessary basis for this and thus represents an essential tool for all project participants to improve the level of safety.
Untertagebaustellen stellen eine komplexe Herausforderung für alle Projektbeteiligten dar. Gerade im Bereich des Sicherheits- und Gesundheitsschutzes sowie des Brandschutzes ist daher eine gute Koordination notwendig, um dem erhöhten Unfall- und Gesundheitsrisiko erfolgreich entgegen wirken zu können. Eine klare Definition der Aufgaben und Verantwortlichkeiten ist daher unumgänglich. Durch einen kontinuierlichen Risikomanagementprozess kann von der Planungs- bis zur Ausführungsphase sichergestellt werden, dass Risiken bereits im Vorfeld minimiert und bestmögliche Maßnahmen zur Risikoreduktion abgeleitet werden können. Die Richtlinie und Vorschrift für das Straßenwesen (RVS) 09.01.51 “Sicherheit und Gesundheitsschutz auf Untertagebaustellen” bietet die notwendigen Grundlagen dafür und stellt somit ein essentielles Werkzeug für alle Projektbeteiligten zur Erhöhung des Sicherheitsniveaus dar.

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Leitner, Andreas; Goger, GeraldRevision of the Austrian Standard ON B 2203-1 for work contracts in conventional tunnelling (NATM) / Update der österreichischen Werkvertragsnorm ÖNORM B 2203-1 für den zyklischen VortriebGeomechanics and Tunnelling6/2018666-679Topics

Kurzfassung

The works contract for cyclic driving ÖNORM B 2203-1 has made a significant contribution to the successful completion of numerous tunnel construction projects in the last four decades. As part of a required update in the industry, no reason was seen to change the set of rules of the present classification system and the essential principles of the existing standard. The focus of the revision has therefore been - on the basis of the experience of the last decades in the implementation of tunnelling projects - on the one hand in the analysis and rating of support elements and additional measures and on the other hand in the provisions of the standard for water implications. Through these updates, in good old tunnel construction tradition, cooperative project management on a high constructional level will continue to be ensured.
Die Werkvertragsnorm ÖNORM B 2203-1 für den zyklischen Vortrieb hat in den letzten vier Jahrzehnten einen wesentlichen Beitrag zur erfolgreichen Abwicklung von zahlreichen Tunnelbauprojekten geleistet. Im Rahmen eines nunmehr erforderlichen Updates wurde in der Branche daher kein Anlass gesehen an dem vorliegenden Klassifizierungssystem über Vortriebsklassen und den wesentlichen Grundsätzen des bestehenden normativen Regelwerks zu rütteln. Die Schwerpunkte einer zielgerichteten Überarbeitung wurden daher - aufgrund der Erfahrungen der letzten Jahrzehnte bei der Abwicklung von Tunnelbauvorhaben - einerseits in der Analyse und Evaluierung der Bewertungsfaktoren von Stützmitteln und Zusatzmaßnahmen und andererseits in den normativen Regelungen zu den Wassererschwernissen gesehen. Durch diese Updates soll in guter alter Tunnelbautradition weiterhin eine kooperative Projektabwicklung auf hohem baubetrieblichen Niveau sichergestellt werden.

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Spiegl, Markus; Galler, Robert; Sander, PhilipApplication of the ÖGG guideline for cost estimates on international megaprojects / Kostenermittlung für internationale Großprojekte auf Basis der ÖGG-RichtlinieGeomechanics and Tunnelling6/2018680-692Topics

Kurzfassung

Transportation infrastructure projects are characterised by long project phases, a high number of project participants, hard-to-predict influences and their uniqueness. The new version of the ÖGG “Guideline for the Cost Determination for Transportation Infrastructure Projects” builds on experience of the previous version and sets new accents in practical applicability, e.g. through the use of risk fact sheets. Structured cost and risk management is no longer conceivable without adequate software. The integral cost and schedule analysis is a further step towards improved cost and project schedule stability. The guideline was published in English at the same time, which supports its use in international consulting.
Verkehrsinfrastrukturprojekte sind durch lange Projektphasen, eine hohe Anzahl an Projektbeteiligten, schwer vorhersehbare Einflüsse und ihre Einmaligkeit gekennzeichnet. Die neue Ausgabe der ÖGG-Richtlinie für die Kostenermittlung (2016) baut auf den Erfahrungen der Vorgängerversion auf und setzt neue Akzente in der praktischen Anwendbarkeit, z. B. durch den Einsatz von Risk Fact Sheets. Strukturiertes Kosten- und Risikomanagement ist ohne adäquate Software nicht mehr vorstellbar. Die integrale Kosten- und Bauzeitanalyse ist ein weiterer Schritt zur höheren Kosten- und Projektterminplanstabilität. Die Richtlinie erschien zeitgleich in englischer Sprache, wodurch ihr Einsatz bei internationalen Beratungsmandaten unterstützt wird.

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